DE102021000698A1

DE102021000698A1 - Mobile Vorrichtung zur Speicherung von Kälte, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102021000698A1
Application number: DE102021000698.4A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: TAUT, JOEL, DE
Priority date: 2021-02-07
Filing date: 2021-02-07
Publication date: 2022-08-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) zur mobilen Speicherung von Kälte, insbesondere zur Klimatisierung von Räumen, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung (100), mit einem Speichertank (10), der ein Speichermedium (3) enthält, das zum Speichern von Kälte durch Wechsel eines Phasenübergangs von flüssig zu fest mittels einer Kältemaschine (1) abkühlbar ist, wobei der Speichertank (10) derart mobil ausgebildet ist, dass das Speichermedium (3) in unterschiedlichen Räumen abgekühlt und zur Klimatisierung wieder erwärmt werden kann, und eine Lüftereinheit (60) baulich mit dem Speichertank (10) verbunden ist, über den die im Speichertank (10) gespeicherte Kälte an einen den Speichertank (10) umgebenden Raum abgebbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine mobile Vorrichtung zur Speicherung von Kälte, insbesondere zur Klimatisierung von Räumen, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Um in Gebäuden ganzjährlich eine angenehmen Aufenthaltstemperatur erreichen zu können, wird je nach Jahreszeit die Raumluft gekühlt oder erwärmt. Dies geschieht durch Raumlufttechnische Anlagen, Fußbodenheizung, Betonkernaktivierung und weitere Verfahren, die aufgrund ihrer baulichen Gegebenheit nur in Neubauten installiert oder mit sehr großem Aufwand nachgerüstet werden können. In kleineren Gebäuden und Wohnhäusern wird meist nur eine Heizmöglichkeit, wie Heizkörper oder Fußbodenheizung eingebaut. Aufgrund der durch den Klimawandel steigenden Außenlufttemperaturen im Sommer und den wachsenden Komfortansprüchen der Bevölkerung, steigt der Bedarf an Kühlmöglichkeiten kontinuierlich an.
Für die nachträgliche Installation einer Kühlanlage in Gebäuden, die keine eingebaute Anlage oder Vorrichtung zur Luftkühlung besitzen, gibt es die Möglichkeit ein Split-Klimagerät nachträglich einzubauen. Split-Klimageräte sind Kältemaschinen und bestehen aus zwei Einheiten, welche über Rohrleitungen verbunden sind. Bei diesen Geräten wird dem Raum an der Inneneinheit Wärme entzogen und über die Rohleitungen abtransportiert und an der Außeneinheit in die Umgebung abgegeben. Nachteile eines solchen Split-Klimageräts ist die teure Montage durch Fachpersonal und die erforderlichen baulichen Maßnahmen. Des Weiteren können nur Räume gekühlt werden, die über ein Innengerät verfügen. Die Gebäudefassade wird durch die Außeneinheit optisch beeinträchtigt.
Als weitere Möglichkeit kann ein mobiles Klimagerät genutzt werden. Auch mobile Klimageräte funktionieren auf der Basis von Kältemaschinen. Bei ihnen sind jedoch alle Komponenten in einem Gehäuse untergebraucht, das relativ frei bewegt werden kann. Um die Wärme an die Außenluft abgeben zu können, wird jedoch ein Schlauch benötigt, der die Abwärme der Kältemaschine aus dem Gebäude leitet. Dies geschieht vorzugsweise durch ein schräg gestelltes Fenster oder einen Wanddurchbruch. Nachteil einer solche Ausführung ist, dass durch die notwendige Verbindung nach außen der Standort immer an die Nähe eines Fensters gebunden ist. Durch den Abluftschlauch wird Luft aus dem Raum befördert. Dadurch strömt an andere Stelle Luft in den Raum nach, welche unter Umständen eine erhöhte Temperatur und Luftfeuchte besitzt und somit die Kühlung beeinträchtigt. Der Schlauch wird dabei in vielen Fällen als sehr hinderlich empfunden. Die verwendeten kleinen Kältemaschinen in den Geräten haben oft keine große Kälteleistung, und der Verdichter der Kältemaschine erzeugt einen erhöhten Lärmpegel.
Ausgehend von den oben genannten Möglichkeiten gibt es viele Anwendungen, für die dem Kunden kein ideales Produkt geboten wird, weshalb mit der Erfindung die oben genannten Nachteile überwunden werden sollen.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass durch die mobile Ausbildung des Speichertanks mit einer hohen Speicherkapazität dieser außerhalb des zu kühlenden Raums abgekühlt werden kann. Durch die Nutzung des Phasenübergang des Speichermediums kann eine große Kältemenge gespeichert und schnell abgerufen werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen. Dadurch dass der Ventilator zur Raumkühlung als Baueinheit mit dem Kältespeicher ausgebildet ist, ist das Betriebsgeräusch der Klimatisierung nicht mehr durch die Erzeugung der Kälte (Kältemaschine) bestimmt, sondern nur noch vom Ventilatorgeräusch oder der Pumpe für den Flüssigkeitskreislauf zwischen der Lüftereinheit und dem Speichertank. Dabei kann die Energie zur Abkühlung des Speichermediums zu einem anderen Zeitpunkt aufgebracht werden, als der Betrieb des Klimageräts. Hierdurch kann beispielsweise günstiger Nachtstrom oder aktuell erzeugte alternative Energie für die Abkühlung des Speichermediums genutzt werden. Durch die zeitliche und örtliche Entkopplung vom Beladen des Kühlspeichers und dem Klimatisieren des Raumes, können auch kühlere Außentemperaturen (z. B. nachts) oder kühlere Räume genutzt werden, um Ladeenergie zu sparen.
Wird der Kältespeicher außerhalb des zu klimatisierenden Raums beladen, entfällt auch ein störender Abluftschlauch, und bei Akkubetrieb für den Lüfter und Pumpe auch ein Stromanschluss.
Kann die Kältemaschine vom Speichertank entkoppelt werden, können mit derselben Kältemaschine unterschiedliche Speichertanks beladen werden, die auch eine unterschiedliche Kältespeicherkapazität aufweisen können. Durch die thermisch isolierte Ausführung des Speichertanks, können diese auch längere Zeit gelagert werden, bevor sie zur Raumkühlung verwendet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Flüssigkeitskreislauf für den Lüfter als offener Kreislauf direkt mit dem noch flüssigen Speichermedium oder dem Wärmeträgerfluid im Speichertank ausgeführt ist. Dadurch entfällt ein zusätzlicher Wärmetauscher, was den Wirkungsgrad dieses Klimageräts steigert.
Um den Kältespeicher effizient abzukühlen, ist in diesem ein Wärmetauscher angeordnet, der über den Kältekreis mit der Kältemaschine verbunden ist. Der Wärmetauscher erstreckt sich schlangenförmig über den Großteil des Kältespeichers und, wird als Verdampfer-oder mit einem Kaltwassersatz betrieben.
In einer alternativen Ausführung ist der Kältespeicher nicht mit dem offenem Speichermedium gefüllt, sondern das Speichermedium ist in abgeschlossenen Volumen angeordnet, die von einem offenen Wärmeträgerfluid des Kältekreislaufs umflossen werden. Dabei wird ein Speichermedium verwendet, das einen Phasenübergang bei über 0°C, beispielsweise bei 5°C bis 15°C besitzt. Als Wärmetägerfluid kann dabei vorteilhaft Wasser verwendet werden, das auch für den offenen flüssigkeitskreislauf des Ventilators genutzt werden kann.
Der erfindungsgemäße mobile Kältespeicher dient zur Klimatisierung, d.h. zur Kühlung und Entfeuchtung von Räumen. Die Speicherkapazität entspricht vorzugsweise dem täglichen Energiebedarf zur Kühlung eines Raumes. Der Kältespeicher kann dabei leicht von einem Raum zum anderen bewegt werden. Zur Kühlung können auch mehrere kleinere Speicher zeitlich parallel oder nacheinander zum Einsatz kommen. Auch durch zyklische Betriebsweise (Laden und Entladen) kann ein kontinuierlicher Betrieb aufrechterhalten werden. Zur Beladung können günstige Stromtarife (z.B. nachts) genutzt werden. Der Wirkungsgrad von Kältemaschinen ist nachts durch niedrigere Verflüssigungstemperatur besser als am Tag. Durch die Verwendung von Eis als Speichermedium können tiefe Temperaturen erreicht werden, die zur Entfeuchtung der Raumluft geeignet sind (auch Prozessanwendung). Der Kältespeicher wird vorzugweise zu einer Zeit ohne Kältebedarf an einer Kältemaschine beladen. Durch den Phasenwechsel im Speichermedium (z.B. Eis) kann die Speicherkapazität erhöht werden und die Kälte beim Entladen bei konstanter Leistung zur Verfügung gestellt werden. Die Kälteabgabe beim Entladen erfolgt über einen direkten Kühlkreislauf, um Temperaturverluste beim Wärmeübergang zu minimieren. Die Kälteabgabe wird durch einen integrierten Ventilator unterstützt. Vorzugsweise mit Akkubetrieb. Der Akku wird bevorzugt zusammen mit der Kältebeladung wieder aufgeladen. Die Kältemaschine kann dabei an einem zentralen Ort installiert werden, wo weder Geräusch- noch Wärmeentwicklung störend sind. Die Beladung des Kältespeichers erfolgt vorzugsweise in einem unterschiedlichen Raum. Der Kältespeicher zur Kühlung eines Raumes kann dabei ohne Anschlüsse an Versorgungsleitungen oder an ein Fenster völlig frei im Raum, bzw. an der Stelle des höchsten Kältebedarfs oder der größten Komfortanforderung positioniert werden.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen mobilen Speicher-Vorrichtung mit einer Verdampfer-Kältemaschine,
2 eine weitere Ausführung einer mobilen Speicher-Vorrichtung mit einer Kältemaschine als Kaltwassersatz, und
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer mobilen Speicher-Vorrichtung bei der das Speichermedium in geschlossenen Strukturen innerhalb des Wärmeträgerfluids angeordnet ist.

In 1 ist eine Vorrichtung 100 zur mobilen Speicherung von Kälte dargestellt, bei dem ein Speichermedium 3 in einem Speichertank 10 angeordnet ist. Mittels einer Kältemaschine 1 wird das Speichermedium 3 in dem als mobilen Behälter ausgebildeten Speichertank 10 abgekühlt, bis dieses durch einen Phasenübergang fest wird. Beispielsweise wird als Speichermedium 3 Wasser verwendet, das vom flüssigen Zustand (z.B. von 10°C) zu Eis (z.B. -3°C) abgekühlt wird. Bei diesem Vorgang wird dem Speichermedium 3 Energie entzogen. Durch eine thermische Dämmung 20 des Speichertanks 10 kann die Kälte im Speichermedium 3 gespeichert werden. Bei einer Anforderung zur Klimatisierung eines Raumes, kann der Prozess umgekehrt werden, und somit die Kälte aus dem Speichertank 10 wieder zur Kühlung des Raums abgegeben werden. Hierzu ist am Speichertank 10 ein Lüftereinheit 60 angeordnet, die einen Ventilator 6 zur Kühlung des Raums Luft aufweist. Die Lüftereinheit 60 ist über einen Flüssigkeitskreislauf 15 mit dem Speichertank 10 verbunden. Dabei wird mit einer Pumpe 4 eine Kühlflüssigkeit über den Flüssigkeitskreislauf 15 durch einen Wärmeübertrager 5 gepumpt, der die gespeicherte Kälte an den Luftstrom des Ventilators 6 abgibt, um den Raum zu kühlen. Der Flüssigkeitskreislauf 15 ist hier mit offenen Enden 16 ausgebildet. Bei dieser Ausführung wird beim Abkühlen des Speichermediums 3 bis zur festen Phase ein restlicher Teil des Speichermediums 3 flüssig belassen, in das dann die offenen Enden 16 des Flüssigkeitskreislaufes 15 eintauchen. Die Kühlflüssigkeit besteht in diesem Fall aus der flüssigen Phase des Speichermedium. Der benötigte Strom der Pumpe 4 und/oder für den Ventilator 6 wird von einem Akku 7 bereit gestellt, der ebenfalls am Speichertank 10 befestigt ist. Für eine völlig freie Standortwahl der Vorrichtung 100 befinden sich alle Komponenten auf einem beweglichem Gestell 8, das mittels Rädern 22 leicht von einem Raum in einen anderen verfahrbar ist. Beispielsweise sind direkt Rollen als Räder 22 am Speichertank 10 befestigt. In 1 ist auch die Kältemaschine 1 zum Abkühlen des Speichermediums 3 fest am mobilen Speichertank 10 angeordnet. In der Kältemaschine 1 wird durch Verflüssigen von komprimiertem gasförmigen Kältemittel Energie an die Umgebung abgegeben. Das flüssige Kältemittel wird nach einer Druckentlastung an einem Wärmetauscher 2 eines Kältekreises 17 wieder verdampft und entzieht dadurch dem Speichermedium 3, das den Wärmetauscher 2 umgibt, Energie. Die Kältemaschine 1 weist hier also einen Verdampfer 18 für das Abkühlen des Speichermediums 3 auf. Die entzogene Energie wird in Form von Kälte in dem thermisch gedämmten Behälter 10 gespeichert. Für die Speicherung der Kälte befindet sich in dem Speichertank 10 das Speichermedium 3, welches abgekühlt wird, und anschließend fast vollständig einen Phasenübergang von flüssig zu fest vollzieht. Der Wärmetasucher 2 erstreckt sich insbesondere weitesgehend in Schlangenlinien über den gesamten Speichertank 10, wobei Bereiche für das Eintauchen der offenen Enden 16 des Flüssigkeitskreislaufs 15 für die Lüftereinheit 60 ausgespart sind.
2 zeigt eine Variante der Vorrichtung 100 aus 1, bei der die Kältemaschine 1 zur Abkühlung des Speichermediums 3 als Kaltwassersatz 12 ausgebildet ist. Dabei wird der Kühlkreislauf 17 von einem flüssigen Wärmeträgerfluid 27 durchströmt, das über den Wärmetauscher 2 das Speichermedium 3 im Speichertank 10 abkühlt. Durch die Verwendung des flüssigen Wärmeträgerfluids 27 im Kühlkreislauf 17 kann in diesem eine Kupplung 11 angeordnet werden, mittels der die Kältemaschine 1 von dem Speichertank 10 - und damit von der Vorrichtung 100 - abkoppelbar ist. Dadurch kann die Kältemaschine 1 auch stationär angeordnet werden, und an diese verschiedene Speichertanks 10 zu deren Beladung angekoppelt werden. Als Wärmeträgerfluid 27 kann hier beispielsweise ein Wasser/Glykolgemisch verwendet werden, mittels dem auch Wasser als Speichermedium 3 zu Eis abgekühlt werden kann.
3 zeigt eine weitere Ausführung, bei der das Speichermedium 3 nicht offen im Speichertank 10 angeordnet ist, sondern innerhalb von geschlossenen Strukturen 28, die vom Wärmträgerfluid 27 im Speichertank 10 umgeben sind. Als Speichermedium 3 kann dabei eine Substanz 21 verwendet werden, deren Phasenübergang über 0° C liegt, beispielsweise im Bereich von 5°C - 15°C. Das Speichermedium 3 kann beispielsweiße Salz- oder Paraffinverbindungen enthalten. Dadurch kann als Wärmeträgerfluid 27 im Kältekreis 17 bevorzugt Wasser verwendet werden, das von der Kältemaschine 1, welche als Kaltwassersatz 12 ausgebildet ist, so weit abgekühlt wird, dass das Speichermedium 3 fest wird. Der Kältekreis 17 ist dabei offen ausgebildet, wobei dessen offene Enden 26 in das offene Wärmträgerfluid 27 im Speichertank 10 eintauchen. Das Wärmträgerfluid 27 umfließt die geschlossenen Strukturen 28 des Speichermediums 3 möglichst vollständig. Ein solcher Kühlkreislauf 17 kann auch wieder wie in 2 über eine Kupplung 11 abgetrennt werden, wodurch der Kaltwassersatz 12 vom Speichertank 10 abgekoppelt werden kann. Da hier das Wärmträgerfluid 27 offen im Speichertank 10 angeordnet ist, kann auch der Flüssigkeitskreislauf 15 für die Lüftereinheit 60 mit demselben Wärmträgerfluid 27 betrieben werden. Hierbei ist sowohl der Kältekreis 17 als auch der Flüssigkeitskreislauf 15 mit offenen Enden 26, 16 ausgebildet, die alle in das Wärmträgerfluid 27 im Speichertank 10 eintauchen.
Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. Die soweit beschriebene Vorrichtung 100 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken des mobilen Kältespeichers abzuweichen. So können die verwendeten Substanzen für den Kältekreis 17, den Flüssigkeitskreislauf 15 und für das Speichermedium 3 an die Anforderungen der jeweiligen Klimatisierung angepasst werden. Insbesondere kann die Kältemaschine 1 Bestandteil der erfindungsgemäßen mobilen Kältespeicher-Vorrichtung 100 sein, oder eine separate Einheit, an die die mobile Kältespeicher-Vorrichtung 100 ankoppelbar ist. Die erfinderische Kältespeicher-Vorrichtung 100 eignet sich besonders für die nachträgliche Klimatisierung von einzelnen Räumen, die keine eingebaute Klimaanlage aufweisen, oder zu deren zusätzlicher Unterstützung.

Claims

Vorrichtung (100) zur mobilen Speicherung von Kälte, insbesondere zur Klimatisierung von Räumen, mit einem Speichertank (10), der ein Speichermedium (3) enthält, das zum Speichern von Kälte durch Wechsel eines Phasenübergangs von flüssig zu fest mittels einer Kältemaschine (1) abkühlbar ist, wobei der Speichertank (10) derart mobil ausgebildet ist, dass das Speichermedium (3) in unterschiedlichen Räumen abgekühlt und zur Klimatisierung wieder erwärmt werden kann, und eine Lüftereinheit (60) baulich mit dem Speichertank (10) verbunden ist, über den die im Speichertank (10) gespeicherte Kälte an einen den Speichertank (10) umgebenden Raum abgebbar ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Speichertank (10) mittels einem Flüssigkeitskreislauf (15) mit der Lüftereinheit (60) verbunden ist, und der Flüssigkeitskreislauf (15) einen Wärmeübertrager (5) aufweist, über das die Kälte aus dem Speichertank (10) an einen Luftstrom der Lüftereinheit (60) übertragbar ist, und insbesondere an der Vorrichtung (100) ein Akku (7) angeordnet ist, mittels dem eine Pumpe (4) für den Flüssigkeitskreislauf (15) und/oder ein Ventilator (6) der Lüftereinheit (60) antreibbar ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Vorrichtung (100) Räder (22) angeordnet sind, mittels der die Vorrichtung (100) von einem ersten Raum in einen zweiten Raum verfahrbar ist, und insbesondere der Speichertank (10) eine thermische Dämmschicht (20) gegenüber der Umgebung aufweist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitskreislauf (15) direkt mit dem noch flüssigen Speichermedium (3) aus dem Speichertank (10) mittels der Pumpe (4) durchströmbar ist, und insbesondere der Flüssigkeitskreislauf (15) mit zwei offenen Enden (16) in das Speichermedium (3) im Speichertank (10) eintaucht.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemaschine (1) über einen Kältekreis (17) mit einem Wärmetauscher (2) im Speichertank (10) verbunden ist, und der Wärmetauscher (2) von dem Speichermedium (3) umgeben ist, um dieses abzukühlen, und sich insbesondere der Wärmetauscher (2) räumlich über einen Großteil des Speichertanks (10) erstreckt.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältekreis (17) geschlossen ausgebildet ist, und im Kältekreis (17) flüssiges Kältemittel zu dem Wärmetauscher (2) geleitet wird, und der Wärmetauscher (2) als Verdampfer (18) ausgebildet ist, in dem das flüssige Kältemittel zur Abkühlung des Speichermediums (3) verdampft, und insbesondere die Kältemaschine (1) fest mit dem Speichertank (10) verbunden ist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemaschine (1) als Kaltwassersatz (12) ausgebildet ist, mittels dem flüssiges Wärmeträgerfluid (27) durch den Kühlkreis (17) geleitet wird, um das Speichermedium (3) abzukühlen, und das Wärmeträgerfluid (27) insbesondere Wasser mit Frostschutzzusatz ist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speichertank (10) mit dem Wärmeträgerfluid (27) gefüllt ist und das Speichermedium (3) innerhalb des Wärmeträgerfluids (27) in abgekapselten Strukturen - vorzugsweise in Kugeln oder Röhren oder Pellets - angeordnet ist, und insbesondere der Kühlkreislauf (17) und/oder der Flüssigkeitskreislauf (15) und mit zwei offenen Enden (16, 26) unmittelbar in das Wärmeträgerfluid (27) im Speichertank (10) eintaucht.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältekreis (17) zwischen dem Speichertank (10) und der Kältemaschine (1) eine Kupplung (11) aufweist, an der die Kältemaschine (1) von der mobilen Vorrichtung (100) abkoppelbar ist, und insbesondere die Kältemaschine (1) stationär ausgebildet ist, um vorzugsweise nacheinander unterschiedliche Speichertanks (10) abzukühlen.
Verfahren zum Betreiben einer mobilen Vorrichtung (100) zur Klimatisierung von Räumen nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei zuerst das Speichermedium (3) im Speichertank (10) solange mittels der Kältemaschine (1) abgekühlt wird, bis zumindest ein Teil des Speichermediums (3) - jedoch insbesondere nicht das ganze Speichermedium (3) - eine feste Phase bildet, und danach der Luftstrom der Lüftereinheit (60) mittels dem Flüssigkeitskreislauf (15) abgekühlt wird, um die Raumluft zu klimatisieren, wobei vorzugsweise der Flüssigkeitskreislauf (15) von dem verbleibenden flüssigen Speichermedium (3) oder von dem Wärmeträgerfluid (27) aus dem Speichertank (10) durchströmt wird.