DE102020003910A1

DE102020003910A1 - Crystalline water storage and related method for creating a snow cover

Info

Publication number: DE102020003910A1
Application number: DE102020003910.3A
Authority: DE
Inventors: Robert Staudacher; Christian Wagner; Markus Lang
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-06-29
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2021-12-30

Abstract

Kristalliner Wasserspeicher (2) in Form von Eis und Schnee unter Einsatz technischer Schnee- und Eiserzeugung bei möglichst geringem Energieaufwand, wobei der künstliche kristalline Wasserspeicher (2) mehrere seitlich voneinander beabstandete Speichereinheiten (3) aufweist, die jeweils aus einer vertikal aufragenden Unterkonstruktion mit Wasserzuleitung zur Spitze und mindestens einer Wasseraustrittsdüse an der Spitze besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinheiten (3) in einer zweckmäßigen Anordnung in bestimmten Abständen voneinander angeordnet sind, wobei sich die Abstände am bestmöglichen Sonneneinstrahlungsschutz für die Speichereinheiten (3) und die zwischen den Speichereinheiten befindlichen Freiflächen (4) orientieren.Crystalline water reservoir (2) in the form of ice and snow using technical snow and ice production with the lowest possible energy consumption, the artificial crystalline water reservoir (2) having several laterally spaced storage units (3), each consisting of a vertically rising substructure with a water supply line to the tip and at least one water outlet nozzle at the tip, characterized in that the storage units (3) are arranged in a suitable arrangement at specific distances from one another, the distances being the best possible protection against solar radiation for the storage units (3) and those located between the storage units Orient open spaces (4).

Description

Die Erfindung orientiert sich an sogenannten „Ice Stupas“ wie von Sonam Wangchuk vermutlich erstmals vorgeschlagen und umgesetzt. Das Konzept wurde u.a. durch den „ROLEX - Awards for Enterprise“ in Europa bekannt.The invention is based on so-called "ice stupas" as proposed and implemented probably for the first time by Sonam Wangchuk. The concept became known, among other things, through the "ROLEX - Awards for Enterprise" in Europe.

Ein „Ice Stupa“ ist ein trompetenförmiges Eisgebilde, das erzeugt wird, indem man Wasser bei Minustemperaturen aus einer Düse, die an der Spitze eines Mastes befestigt ist, versprüht.An "ice stupa" is a trumpet-shaped ice structure that is created by spraying water at sub-zero temperatures from a nozzle attached to the top of a mast.

Im Idealfall wird der nötige Wasserdruck für die Zerstäubung durch die Düse bzw. Sprinklervorrichtung des Wassers einzig über den hydrostatischen Druck durch ein höher gelegenes Reservoir erzeugt.In the ideal case, the water pressure required for atomization through the nozzle or sprinkler device of the water is generated solely via the hydrostatic pressure through a reservoir located at a higher level.

Die Unterkonstruktion ist in Abhängigkeit von der Höhe und den damit verbunden statischen Anforderungen ein Mast oder ein turmähnlicher Aufbau mit beliebiger Höhe.Depending on the height and the associated static requirements, the substructure is a mast or a tower-like structure of any height.

„Ice Stupas“ werden zum Beispiel in der hoch gelegenen Bergregion von Ladakh, einem indischen Unionsterritorium, zur Wasserversorgung bis in die Sommermonate verwendet.“Ice stupas” are used, for example, in the high mountain region of Ladakh, an Indian Union Territory, to supply water until the summer months.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, das zuvor beschriebene System energetisch zu optimieren.The invention is based on the problem of optimizing the system described above in terms of energy.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Erweiterung der zuvor genannten innovativen und nachhaltigen Idee auf die Bereitstellung eines großflächigen kristallinen Wasserspeichers gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 1. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The subject of the present invention is the expansion of the aforementioned innovative and sustainable idea to the provision of a large-area crystalline water reservoir according to the features of patent claim 1. Preferred configurations and developments are the subject of the dependent claims.

Erfindungsgemäß werden mehrere „Stupas“, im Weiteren als Speichereinheiten bezeichnet, verwendet, die sich gegenseitig Schatten spenden, um die Wirkung der einfallenden Strahlung der Sonne auf ein Minimum zu reduzieren. Die genaue Anordnung der Speichereinheiten kann mathematisch berechnet werden. Dazu können insbesondere die lokalen klimatischen Bedingungen, der Einfluss des Reliefs durch Erhöhungen, der Sonnenverlauf und der Einfallswinkel berücksichtigt werden. Daraus ergeben sich die Anforderungen an die Abstände und die Höhen der Speichereinheiten.According to the invention, several “stupas”, hereinafter referred to as storage units, are used that mutually donate shade in order to reduce the effect of the incident radiation from the sun to a minimum. The exact arrangement of the storage units can be calculated mathematically. For this purpose, in particular the local climatic conditions, the influence of the relief due to elevations, the course of the sun and the angle of incidence can be taken into account. This results in the requirements for the distances and heights of the storage units.

Bevorzugt werden optimierte Düsen bzw. Düsenköpfe verwendet, die in der Lage sind, neben Eis auch Schnee, vorzugsweise ausschließlich durch unter Überdruck stehendes Wasser, zu produzieren. Zum Thema Düsen wird auf die Europäische Patentanmeldung EP 3643396 A1 „KONTINUIERLICH ARBEITENDE UND FLUIDATMENDE FLUIDMISCHEINRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM BETRIEB EINER SOLCHEN“ und die deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2020 000 117.3 verwiesen.Optimized nozzles or nozzle heads are preferably used which are able to produce not only ice but also snow, preferably exclusively using water under excess pressure. On the subject of nozzles, refer to the European patent application EP 3643396 A1 "CONTINUOUSLY WORKING AND FLUID-BREATHING FLUID MIXING DEVICE AND PROCEDURE FOR OPERATING SUCH" and the German patent application with the file number 10 2020 000 117.3 referenced.

Die Düsen haben maßgeblichen Einfluss auf die Schneequalität, namentlich im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit und die Albedo. Künstlich erzeugter Schnee kann hier sogar Vorteile gegenüber Naturschnee aufweisen und insbesondere kann die Beschneiungsleistung an die Randbedingungen angepasst werden.The nozzles have a decisive influence on the quality of the snow, particularly with regard to thermal conductivity and albedo. Artificially produced snow can even have advantages over natural snow and, in particular, the snowmaking performance can be adapted to the boundary conditions.

Ein gezielt genutzter Nebeneffekt der gegenseitigen Beschattung der Speichereinheiten ist, ähnlich wie in Wäldern, ein Mikroklima in den zwischen den Speichereinheiten befindlichen Flächen. Im Idealfall kann dort Naturschnee, der auch im Sommer vor allem auf Gletschern vorkommt, konserviert werden und so kann auf diesen Flächen eine Zunahme der Schneedecke erreicht werden.A specifically used side effect of the mutual shading of the storage units is, similar to that in forests, a microclimate in the areas between the storage units. In the ideal case, natural snow, which also occurs mainly on glaciers in summer, can be preserved there, so that an increase in the snow cover can be achieved on these areas.

Um den zuvor beschriebenen Effekt optimal ausnutzen zu können, kann die Unterkonstruktion der Speichereinheiten entsprechend verlängert werden, z. B. durch teleskopartig konstruierte Masten. In order to be able to optimally exploit the effect described above, the substructure of the storage units can be extended accordingly, e.g. B. by telescopically constructed masts.

Für den sicheren Betrieb sind bevorzugt alle Speichereinheiten mit Ventilvorrichtungen versehen, die es ermöglichen, das Wasser aus den Rohren abzulassen, um ein Einfrieren bei Stillstand oder Wassermangel zu verhindern.For safe operation, all storage units are preferably provided with valve devices that allow the water to be drained from the pipes in order to prevent freezing in the event of standstill or lack of water.

Das Versprühen von Wasser unterliegt einer Logik, die sich an den Randbedingungen, namentlich der Feuchtkugeltemperatur, der Verfügbarkeit von Wasser und den Wetterprognosen, orientiert. Dabei ist es das Ziel, eine besonders gute Schneequalität für eine Albedo gegen 1 und eine geringe Wärmeleitfähigkeit zu erzeugen. Eine reine Eisproduktion soll nach Möglichkeit vermieden werden. Die Ventileinrichtung wird entsprechend dieser Kriterien angesteuert.The spraying of water is subject to a logic that is based on the boundary conditions, namely the wet bulb temperature, the availability of water and the weather forecast. The aim is to produce a particularly good snow quality for an albedo of around 1 and a low thermal conductivity. Pure ice production should be avoided if possible. The valve device is activated according to these criteria.

Für einen ausreichenden Wasserdruck befindet sich im energetisch günstigsten Fall ein Reservoir oberhalb der Speichereinheiten, das mittels Schmelzwasser oder anderen natürlichen Wasserläufen gefüllt wird. Alternativ oder in Kombination kann auf eine Pumpanlage zurückgegriffen werden.For sufficient water pressure, in the most energetically favorable case, a reservoir is located above the storage units, which is filled with melt water or other natural watercourses. Alternatively or in combination, a pump system can be used.

Die Hauptleitung zwischen Reservoir und Speichereinheiten verursacht in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit Druckverluste. Diese können bei gegebenem Querschnitt dadurch verringert werden, dass mittels innerer Leitvorrichtungen das Wasser innerhalb der Rohrleitung in eine global betrachtet rotierende Wirbelströmung gebracht wird.The main line between the reservoir and storage units causes pressure losses depending on the flow velocity. For a given cross-section, these can be reduced by using internal guide devices to bring the water inside the pipeline into a globally rotating vortex flow.

Auch die Verteilungsleitungen werden strömungstechnisch günstig ausgeformt, um den verfügbaren Wasserdruck, der sich aus der Höhendifferenz zwischen Reservoir und Speichereinheiten ergibt, optimal auszunutzen.The distribution lines are also designed in a fluidically favorable manner in order to optimally utilize the available water pressure, which results from the height difference between the reservoir and the storage units.

Die beigefügte Zeichnung zeigt als Beispiel im Gebirge 1 den großflächigen künstlichen kristallinen Wasserspeicher 2 als großflächigen Abschnitt beispielsweise eines Gletschers. Der großflächige Wasserspeicher 2 weist eine Vielzahl von einzelnen Speichereinheiten 3 in Form der oben beschriebenen „Stupas“ auf, zwischen denen große Freiflächen 4 zu finden sind. Oberhalb dieses Wasserspeichers 2 befindet sich ein Wasserreservoir 5. Dieses ist über eine Hauptwasserversorgungsleitung 6 mit einem System von Zuleitungen 7 zu den Speichereinheiten 3 verbunden. Durch die eingezeichnete Höhendifferenz ergibt sich ein hydrostatischer Druck an den Düsen, die sich an den Spitzen der Speichereinheiten 3 befinden, der konstruktionsbedingt ausreicht, bei entsprechender Außentemperatur für ein feines Versprühen zur Bildung von künstlichem Schnee zu sorgen. Details passender Düsensysteme kann man in den weiter oben genannten Patentveröffentlichungen finden.The attached drawing shows an example in the mountains 1 the large-scale artificial crystalline water reservoir 2 as a large section of a glacier, for example. The large water reservoir 2 has a large number of individual storage units 3 in the form of the “stupas” described above, between which there are large open spaces 4th can be found. Above this reservoir 2 there is a water reservoir 5 . This is via a main water supply line 6th with a system of supply lines 7th to the storage units 3 connected. The height difference shown results in a hydrostatic pressure at the nozzles, which are located at the tips of the storage units 3 which, due to the design, is sufficient to ensure fine spraying for the formation of artificial snow when the outside temperature is appropriate. Details of suitable nozzle systems can be found in the patent publications mentioned above.

Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist im Übrigen auch die Verwendung des kristallinen Wasserspeichers zum Erzeugen einer großflächigen Schneedecke auf einem großflächigen Untergrund gemäß Patentanspruch 10. Damit lässt sich beispielsweise ein Gletscher regenerieren, und das mit einer Technik, die sehr einfach konstruiert und praktisch frei von beweglichen Teilen ist und damit auch bei tiefen Temperatur problemlos funktioniert. Bekannte Systeme zur Gletscherbeschneiung haben dagegen viele bewegliche Teile (Seilbahnsystem HTW Chur, siehe tagesanzeiger vom 17. 7. 2019), die unter schwierigen Bedingungen in der Gefahr sind zu blockieren, einzufrieren oder anderweit nicht mehr zu funktionieren.The subject of the present application is also the use of the crystalline water reservoir to generate a large-area snow cover on a large-area underground according to claim 10 and therefore works without any problems even at low temperatures. Well-known systems for glacier snow-making, on the other hand, have many moving parts (cable car system HTW Chur, see Tagesanzeiger dated July 17, 2019) which, under difficult conditions, are in danger of blocking, freezing or otherwise no longer functioning.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: GebirgeMountain range
22: kristalliner Wasserspeichercrystalline water storage
33: SpeichereinheitStorage unit
44th: FreiflächeOpen space
55: WasserreservoirWater reservoir
66th: HauptwasserversorgungsleitungMain water supply line
77th: ZuleitungSupply line

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

EP 3643396 A1 [0009]
EP 102020000117 [0009]

Claims

Crystalline water storage (2) in the form of ice and snow using technical snow and ice production with as little energy as possible, the artificial crystalline water storage (2) having several laterally spaced storage units (3), each of which consists of a vertically rising substructure with a water supply line to the tip and at least one water outlet nozzle at the tip, characterized in that the storage units (3) are arranged in an expedient arrangement at certain distances from one another, the distances being the best possible protection against solar radiation for the storage units (3) and those between the storage units Orientate open spaces (4).

Crystalline water storage (2) after Claim 1 , characterized in that the solar radiation protection is determined on the basis of the respective height of the storage units (3), the local climatic conditions, the shadows cast by surrounding objects and the course of the sun.

Crystalline water storage (2) according to one of the preceding claims, characterized in that snow is preferably generated on the storage units (3), preferably by pure atomization of water, so that it has a higher albedo and lower thermal conductivity than conventionally technically generated snow .

Crystalline water storage (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the loading of the nozzles with water is adaptively optimized on the basis of control methods as a function of the environmental parameters temperature, air humidity and water availability.

Crystalline water storage (2) according to one of the preceding claims, characterized in that a storage unit (3) has at least one mast, to the top of which the water supply line runs, wherein, preferably, the height of the masts of the storage units can be extended as soon as the between the Storage units (3) located open spaces (4) are filled with snow and / or ice.

Crystalline water reservoir (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one water outlet nozzle is able to produce predominantly snow.

Crystalline water reservoir (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the water supply is ensured by means of hydrostatic pressure through a reservoir (5) located at a higher level and / or that the water supply takes place by means of pumps.

Crystalline water storage (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the main water supply line (6) and / or the feed lines (7) to the storage units (3) are provided with internal, swirl-giving guide devices.

Crystalline water storage tank (2) according to one of the preceding claims, characterized in that valves are installed in the frost-free subsurface of the storage units (3), which allow simple emptying for frost protection of the supply lines.

Use of a crystalline water reservoir (2) according to the Claims 1 until 9 for generating a large-area snow cover on a large-area subsurface, characterized in that an overall technical system is provided on a section of the subsoil provided for generating the snow cover Claim 1 and possibly one or more of the Claims 2 until 9 installed and connected to a higher reservoir (5) of water and / or to a pump arrangement and that at suitable outside temperatures water by means of the water outlet nozzles of the storage units on the storage units and the areas between and next to the storage units snow and / or ice, preferably primarily or is atomized exclusively to form snow.