DE102021001432A1 - Energy supply system for heating a heat sink with latent heat - Google Patents

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DE102021001432A1 DE102021001432.4A DE102021001432A DE102021001432A1 DE 102021001432 A1 DE102021001432 A1 DE 102021001432A1 DE 102021001432 A DE102021001432 A DE 102021001432A DE 102021001432 A1 DE102021001432 A1 DE 102021001432A1
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Abstract

Wärmecontainer dienen erfindungsgemäß als mobile Wärmespeicherbehälter. Sensible Wärme und Kristallisationswärme eines darin transportierten Latentwärmespeichermediums ermöglichen eine Wärmelieferung einer begrenzten Wärmemenge bei variierenden Temperaturen und Heizleistungen. Da die benötigte Heizleistung einer Wärmesenke vom Wärmeangebot des Wärmecontainers abweichen kann, betrifft die vorliegende Erfindung ein Energieversorgungssystem mit einer geeigneten Anpassung. Eine erfindungsgemäße Beschaltung einer Wärmepumpe ermöglicht eine Tiefenentladung und/oder langandauernde Übergabetemperaturen oberhalb der Phasenübergangstemperatur des Latentwärmespeichermediums. Durch eine erfindungsgemäße Überlagerungsschaltung von zwei Wärmecontainern wird zudem eine langandauernd zuverlässige Wärmeversorgung realisiert.According to the invention, thermal containers serve as mobile thermal storage containers. Sensible heat and heat of crystallization of a latent heat storage medium transported therein enable a limited amount of heat to be supplied at varying temperatures and heating outputs. Since the required heat output of a heat sink can deviate from the heat supply of the heat container, the present invention relates to an energy supply system with a suitable adaptation. Circuitry of a heat pump according to the invention enables a deep discharge and/or long-lasting transfer temperatures above the phase transition temperature of the latent heat storage medium. In addition, a long-lasting, reliable supply of heat is realized by means of a superimposition circuit of two heat containers according to the invention.

Description

Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention

Wärmepumpen werden in der Wärmeenergieversorgung eingesetzt. Im Stand der Technik entziehen sie die Wärme häufig offenen Systemen, beispielsweise dem Erdreich oder der Umgebungsluft, um sie dann einem Heizsystem zuzuführen.Heat pumps are used in thermal energy supply. In the prior art, they often extract the heat from open systems, for example the ground or the ambient air, in order to then supply it to a heating system.

Die vorliegende Erfindung richtet sich dagegen auf ein geschlossenes System mit Wärmequellen in Form von Wärmecontainern, die entladen werden. Erfindungsgemäß werden zur Energiespeicherung vorzugsweise Latentwärmespeichermedien mit einer hohen Speicherkapazität an mindestens einem Phasenübergang eingesetzt.In contrast, the present invention is directed to a closed system with heat sources in the form of heat containers that are discharged. According to the invention, latent heat storage media with a high storage capacity at at least one phase transition are preferably used for energy storage.

In 1 ist eine beispielhafte Entladekurve eines Wärmecontainers dargestellt. Die Rücklauftemperatur und die abgegebene Leistung sind darin im zeitlichen Verlauf einer Entladung aufgetragen. Deutlich sind drei Bereiche einer Entladung ersichtlich: Ein Bereich sensibler Wärme SW, ein Latentwärmebereich LW und ein Bereich der Tiefenentladung TE. Die Wärmeabgabe erfolgt vorzugsweise monoton, das heißt während eines Entladevorgangs wird keine Wärme zugeführt.In 1 an exemplary discharge curve of a heat container is shown. The return temperature and the output power are plotted therein over the course of a discharge over time. Three areas of a discharge are clearly visible: an area of sensible heat SW, a latent heat area LW and an area of deep discharge TE. The heat is preferably emitted monotonically, ie no heat is supplied during a discharge process.

Am Anfang einer Entladung im Bereich der sensiblen Wärme SW liegt die Temperatur für eine Kristallisation der Schmelze noch zu hoch und es wird vorrangig sensible Wärme geliefert (Zeitintervall von 0 bis 90 min in 1). Punktuell setzt im Wärmecontainer bereits Kristallisation ein, ein Großteil der vom Wärmecontainer bereitgestellten Wärme besteht allerdings (noch) nicht aus der dazugehörigen Kristallisationswärme.At the beginning of a discharge in the area of sensible heat SW, the temperature for crystallization of the melt is still too high and sensible heat is primarily supplied (time interval from 0 to 90 min 1 ). Crystallization is already setting in at certain points in the heating container, but a large part of the heat provided by the heating container does not (yet) consist of the associated heat of crystallization.

Sobald der Wärmecontainer in den Latentwärmebereich LW entladen ist, hält die Kristallisationswärme die Temperatur über einen langen Zeitraum konstant (Zeitintervall von 90 bis 270 min in 1). Im Latentwärmebereich LW wird der größte Teil der Energie bereitgestellt.As soon as the heat container is unloaded into the latent heat area LW, the heat of crystallization keeps the temperature constant over a long period of time (time interval from 90 to 270 min 1 ). Most of the energy is provided in the latent heat range LW.

Erst nach einer Durchkristallisation der Schmelze im gesamten Containervolumen schließt sich die Tiefenentladung TE an, in dem die Temperatur weiter sinkt, nun auch unter die Kristallisationstemperatur (Zeitintervall von 270 bis 390 min in 1). Hierbei wird überwiegend die sensible Wärme und Restanteile der Kristallisationswärme ausgekoppelt.Only after the melt has crystallized throughout the entire container volume does the deep discharge TE follow, in which the temperature continues to fall, now also below the crystallization temperature (time interval from 270 to 390 min 1 ). The sensible heat and residual parts of the heat of crystallization are mainly decoupled here.

In einem Ausführungsbeispiel sind in einem Wärmecontainer im Bereich der sensiblen Wärme SW 800 kWh, im Latentwärmebereich LW 1400 kWh und im Bereich der Tiefenentladung TE 300 kWh an Wärmeenergie gespeichert.In one exemplary embodiment, 800 kWh of heat energy are stored in a heat container in the sensitive heat area SW, 1400 kWh in the latent heat area LW and 300 kWh in the area of deep discharge TE.

Die Entladekurve verdeutlicht, dass das Wärmeangebot des Wärmecontainers nicht konstant ist. Heizleistung und Übergabetemperatur variieren. Viele Wärmesenken erfordern dagegen konstante und/oder regelbare Heizleistungen und/oder Übergabetemperaturen.The discharge curve makes it clear that the heat available from the heat container is not constant. Heat output and transfer temperature vary. On the other hand, many heat sinks require constant and/or controllable heating power and/or transfer temperatures.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Wärmeangebot des Wärmecontainers an der Wärmesenke zu stabilisieren und/oder den Wärmebedarf zuverlässig zu decken.The object of the present invention is to stabilize the heat available from the heat container at the heat sink and/or to reliably cover the heat requirement.

Figurenlistecharacter list

Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden, wenn sie mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird. Zur Vereinfachung sind verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Merkmale zur Klarheit beliebig vergrößert oder verkleinert dargestellt sein. Weiterhin können Merkmale vereinfacht oder in ihrer Anzahl reduziert dargestellt sein, um ihr strukturelles Prinzip besser zu verdeutlichen.Aspects of the present disclosure are best understood from the following detailed description when read with the accompanying drawings. For simplicity, various features are not drawn to scale. In fact, the dimensions of the various features may be arbitrarily exaggerated or minimized for clarity. Furthermore, features can be simplified or reduced in number in order to better illustrate their structural principle.

In den Zeichnungen werden Bezugszeichen verwendet, die sich auf die Funktion eines strukturellen Merkmals beziehen, nicht aber auf einen bestimmten Einsatzort. So ist beispielsweise eine Pumpe P1 in jedem Ausführungsbeispiel eine Pumpe, sie kann allerdings an einer anderen Stelle eingesetzt sein. Der genaue Verwendungszweck ergibt sich aus dem Zusammenhang und/oder wird für jedes Ausführungsbeispiel beschrieben.

  • 1 zeigt ein Diagramm einer beispielhaften Entladekurve mit dem Bereich der sensiblen Wärme SW, dem Latentwärmebereich LW und den Bereich der Tiefenentladung TE;
  • 2 zeigt ein Blockschaltbild einer reinen Speicherentladung ohne den Einsatz einer Wärmepumpe;
  • 3 zeigt in einem Ausführungsbeispiel ein Blockschaltbild einer Installation mit einer Wärmepumpe WP in einem Betriebszustand der reinen Entladung gemäß 2, die Wärmepumpe WP ruht;
  • 4 zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß 3 in einem Betriebszustand, in dem durch die Wärmepumpe WP die Vorlauftemperatur an einer Übergabestation ÜS zur Wärmesenke angehoben wird;
  • 5 zeigt das Ausführungsbeispiel der 3 in einem Betriebszustand, in dem die Übergabestation ÜS der Wärmesenke ausschließlich durch die Wärmepumpe WP versorgt wird, die Wärme aus dem Wärmecontainer C erwärmt ausschließlich einen Verdampfer V der Wärmepumpe WP;
  • 6 zeigt eine Überlagerungsschaltung von zwei Wärmecontainern C1, C2 an einer Wärmesenke: Es erfolgt eine Vorwärmung durch einen Wärmecontainer C1 im Latentwärmebereich für einen Wärmecontainer C2 im sensiblen Bereich (C2 ≥ C1);
  • 7 zeigt die Überlagerungsschaltung aus 6 nach einem Austausch des thermisch entleerten Wärmecontainers C1 durch einen befüllten Wärmecontainer C3: Über die Ventile W1, VV2 und UV1 werden die Flussrichtungen an den Seitenwechsel der Vorwärmung angepasst (C3 ≥ C2); und
  • 8.zeigt eine hydraulische Kopplung zur Entladung von mobilen Wärmecontainern.
Reference numerals are used in the drawings that relate to the function of a structural feature, not to a specific place of use. For example, a pump P1 is a pump in each embodiment, but it may be used elsewhere. The precise purpose of use results from the context and/or is described for each exemplary embodiment.
  • 1 shows a diagram of an exemplary discharge curve with the area of sensible heat SW, the area of latent heat LW and the area of deep discharge TE;
  • 2 shows a block diagram of a pure storage discharge without the use of a heat pump;
  • 3 shows in one embodiment a block diagram of an installation with a heat pump WP in an operating state of pure discharge according to FIG 2 , the heat pump WP rests;
  • 4 shows the embodiment according to FIG 3 in an operating state in which the flow temperature at a transfer station ÜS to the heat sink is raised by the heat pump WP;
  • 5 shows the embodiment of 3 in an operating state in which the transfer station ÜS the heat sink is supplied exclusively by the heat pump WP, the heat from the heat container C is heated exclusively an evaporator V of the heat pump WP;
  • 6 shows a superimposed circuit of two heat containers C1, C2 in a heat sink: a heat container C1 in the latent heat range preheats a heat container C2 in the sensitive range (C2 ≥ C1);
  • 7 shows the superimposed circuit 6 after replacing the thermally emptied heating container C1 with a filled heating container C3: The flow directions are adjusted to the change of sides of the preheating via the valves W1, VV2 and UV1 (C3 ≥ C2); and
  • 8th .shows a hydraulic coupling for unloading mobile thermal containers.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die vorliegende Erfindung dient dazu, durch ein geeignetes Energieversorgungssystem zuverlässig Wärme bereitzustellen, die den Wärmeanforderungen einer Wärmesenke entspricht.The purpose of the present invention is to reliably provide heat, which meets the heat requirements of a heat sink, by means of a suitable power supply system.

Hochtemperatur-Wärmepumpehigh temperature heat pump

In einem Ausführungsbeispiel wird eine Wärmepumpe, insbesondere eine Hochtemperatur-Wärmepumpe (HTWP), zur Entladung von mindestens einem Wärmecontainer eingesetzt. Ein erfindungsgemäßer Wärmecontainer ist ein abgeschlossenes System mit einer begrenzten Wärmemenge, die monoton abgegeben wird.In one exemplary embodiment, a heat pump, in particular a high-temperature heat pump (HTWP), is used to discharge at least one heat container. A thermal container according to the invention is a closed system with a limited amount of heat that is emitted monotonically.

Die Wärme wird vorzugsweise als Latentwärme an mindestens einem Phasenübergang des Containermediums gespeichert. Das Containermedium speichert zwar auch thermische Energie (sensible Wärme), einen Großteil der Energie liefert es allerdings als Umwandlungsenthalpie, die an einem Phasenübergang isotherm umgesetzt wird. Bei der Temperatur für den Phasenübergang wird sehr viel Wärme in Form von Schmelzenthalpie gespeichert, um dann an einer Wärmesenke in Form von Kristallisationswärme wieder abgegeben zu werden.The heat is preferably stored as latent heat at at least one phase transition of the container medium. Although the container medium also stores thermal energy (sensible heat), it supplies a large part of the energy as conversion enthalpy, which is converted isothermally at a phase transition. At the temperature for the phase transition, a great deal of heat is stored in the form of enthalpy of fusion and then given off again at a heat sink in the form of heat of crystallization.

Durch eine Auswahl des Latentwärmemediums kann die Phasenübergangstemperatur in gewissen Grenzen an den Heizbedarf angepasst werden. Die vorliegende Erfindung optimiert diese Anpassung.By selecting the latent heat medium, the phase transition temperature can be adapted to the heating requirement within certain limits. The present invention optimizes this adaptation.

In einem Ausführungsbeispiel wird die Entladung durch eine Wärmepumpe, vorzugsweise durch eine HTWP, unterstützt. Bestandsgebäude können so umweltschonend beheizt werden, ohne dass Bodenkollektoren oder eine Grundwasseranzapfung erforderlich werden. Auch Neubauquartiere, denen keine entsprechende Fläche zur Wärmegewinnung zur Verfügung steht, können so flexibel gespeist werden.In one embodiment, the discharge is assisted by a heat pump, preferably a HTWP. Existing buildings can be heated in an environmentally friendly way without the need for ground collectors or groundwater tapping. Newly built quarters that do not have the appropriate space for heat generation can also be fed flexibly in this way.

Die Wärmepumpe kann Bestandteil eines mobilen Übergabepunktes sein, montiert beispielsweise in einem 20 Fußcontainer. In diesem mobilen Übergabepunkt können sich auch Anbauten wie eine Hydraulik, eine Steuerung und ein oder mehrere Pufferspeicher befinden.The heat pump can be part of a mobile transfer point, for example installed in a 20-foot container. Attachments such as hydraulics, a controller and one or more buffer storage tanks can also be found in this mobile transfer point.

Der mobile Übergabepunkt kann dauerhaft oder zeitlich befristet an einer Wärmesenke, beispielsweise einem Nahwärmeversorgungspunkt, aufgestellt werden. Die Standfläche kann beispielsweise aus wiederverwendbaren Betonplatten bestehen. Durch diesen mobilen Übergabepunkt kann beispielsweise ein Nahwärmenetz versorgt werden, solange eine geplante Nahwärmeleitung noch nicht fertiggestellt ist. Danach kann die gesamt mobile Versorgung samt mobilem Übergabepunkt demontiert und an einem neuen Ort eingesetzt werden.The mobile transfer point can be set up permanently or temporarily at a heat sink, for example a local heating supply point. The footprint can consist of reusable concrete slabs, for example. This mobile transfer point can be used, for example, to supply a local heating network as long as a planned local heating line has not yet been completed. The entire mobile supply, including the mobile transfer point, can then be dismantled and used at a new location.

Durch den Einsatz einer Wärmepumpe lässt sich der Wärmecontainer schneller entladen, da die Wärmepumpe den Temperaturgradienten zwischen Wärmecontainer und Abnahmestelle aufrechterhält oder sogar erhöht. Eine Tiefenentleerung TE ist dadurch zuverlässig möglich. Es lassen sich durch eine Wärmepumpe zudem konstante Entladetemperaturen an einem Übergabepunkt erzeugen, die die Einbindung in ein bestehendes Heizsystem vereinfachen.By using a heat pump, the heat container can be unloaded more quickly, since the heat pump maintains or even increases the temperature gradient between the heat container and the delivery point. A deep emptying TE is thus reliably possible. A heat pump can also generate constant discharge temperatures at a transfer point, which simplifies integration into an existing heating system.

Als Ausgangspunkt für den Einsatz der Wärmepumpe wird in 2 zunächst ein reiner Entladevorgang ohne Unterstützung skizziert. Aus einem Wärmetauscher im Wärmecontainer C strömt mit Hilfe einer Pumpe P1 das 35 bis 95 °C warme Wärmetauschermedium und gibt an einer Übergabestation ÜS die Wärmeenergie an die Wärmesenke, beispielsweise die Haustechnik HT, ab. Der Rücklauf hat danach noch etwa eine Temperatur von 30 bis 50 °C. Über ein Mischventil MV1 kann aus Vor- und Rücklauf eine einstellbare maximale Abgabetemperatur bereitgestellt werden, beispielsweise etwa 70 °C.The starting point for using the heat pump is in 2 first a pure unloading process without support is outlined. The 35 to 95 °C warm heat exchange medium flows from a heat exchanger in the heat container C with the help of a pump P1 and transfers the heat energy to the heat sink, for example the building services HT, at a transfer station ÜS. The return flow then still has a temperature of around 30 to 50 °C. An adjustable maximum delivery temperature, for example about 70 °C, can be provided from the flow and return via a mixing valve MV1.

In einer Anordnung mit der Wärmepumpe lässt sich dieser reine Entladevorgang ebenfalls realisieren, beispielsweise wenn im Bereich der sensiblen Wärme SW eine für die Wärmesenke ausreichend hohe Temperatur vorhanden ist. 3 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel: Die Wärmepumpe WP ruht. Im oberen Teil der 3 lässt sich demgemäß der reine Entladevorgang aus 2 wiedererkennen. Zur Unterstützung des Massenstroms kann eine zusätzliche Pumpe P4 im Rücklauf vorhanden sein.This pure discharging process can also be implemented in an arrangement with the heat pump, for example if the temperature in the area of the sensible heat SW is sufficiently high for the heat sink. 3 shows a corresponding embodiment: The heat pump WP rests. In the upper part of the 3 the pure discharging process can accordingly be omitted 2 recognize. To support the mass flow, an additional pump P4 can be present in the return.

Ein optionales Umschaltventil UV4 ermöglicht dabei die geregelte Abgabetemperatur für die Übergabestation ÜS durch eine Zumischung aus dem Rücklauf. Das optionale Umschaltventil UV4 ist in den 4 und 5 nicht erneut eingezeichnet, kann allerdings auch dort vorgesehen sein - dann in einer Schaltstellung, die einen Zwischenspeicher ZS mit dem Mischventil MV1 verbindet.An optional switchover valve UV4 enables the controlled discharge temperature for the transfer station ÜS by adding it from the return. The optional switching valve UV4 is in the 4 and 5 not shown again, but can also be provided there - then in a switching position that connects an intermediate store ZS with the mixing valve MV1.

4 zeigt dieselbe Anordnung bei einem Entladevorgang mit aktiver Wärmepumpe WP. 4 shows the same arrangement during a discharge process with an active heat pump WP.

Die Wärmepumpe WP kann eine Leistung zwischen 50 kW und 300 kW, beispielsweise 150 kW, aufweisen. Sie enthält zumindest einen Verdampfer VD, ein Expansionsventil EV, einen Verdichter V und einen Kondensator K.The heat pump WP can have an output of between 50 kW and 300 kW, for example 150 kW. It contains at least one evaporator VD, one expansion valve EV, one compressor V and one condenser K.

In diesem Ausführungsbeispiel wird durch die Beschaltung der Ventile MV1 und UV3 ein Teil des Vorlaufs in den Zwischenspeicher ZS geleitet, der von der Wärmepumpe WP weiter erwärmt wird. Aus dem Zwischenspeicher ZS wird dem Vorlauf auf dem Weg zur Übergabestation ÜS über ein Mischventil MV1 heißes Wärmetauschermedium zugemischt, sodass eine einstellbare Übergabetemperatur oberhalb der Vorlauftemperatur des Wärmecontainers C möglich wird.In this exemplary embodiment, a part of the flow is routed to the temporary store ZS by switching the valves MV1 and UV3, which is further heated by the heat pump WP. From the buffer store ZS, hot heat exchanger medium is added to the flow on the way to the transfer station ÜS via a mixing valve MV1, so that an adjustable transfer temperature above the flow temperature of the heat container C is possible.

Die Wärmepumpe WP zieht die Wärme aus dem Rücklauf, der über einen Wärmetauscher an einen Verdampferkreislauf der Wärmepume WP gekoppelt ist. Eine Pumpe P2 und ein Mischventil MV2 sorgen in diesem Verdampferkreislauf für eine geregelte Wärmeversorgung der Wärmepumpe WP.The heat pump WP draws the heat from the return, which is coupled via a heat exchanger to an evaporator circuit of the heat pump WP. In this evaporator circuit, a pump P2 and a mixing valve MV2 ensure a regulated supply of heat to the heat pump WP.

Die Wärme wird an einem Kondensator K der Wärmepumpe WP mithilfe einer Pumpe P3 und einem Mischventil MV3 geregelt an den Zwischenspeicher ZS abgegeben. So kann sich der Zwischenspeicher ZS, der ein Volumen zwischen 500 I und 5000 I, beispielsweise 3000 I, aufweist, auf vorzugsweise 70 bis 85 °C erwärmen.The heat is delivered to the intermediate store ZS in a controlled manner at a condenser K of the heat pump WP using a pump P3 and a mixing valve MV3. Thus, the intermediate reservoir ZS, which has a volume of between 500 l and 5000 l, for example 3000 l, can heat up to preferably 70 to 85°C.

Dieselbe Anordnung kann in einer weiteren Ausführungsform gemäß 5 so betrieben werden, dass der Vorlauf aus dem Wärmetauscher des Wärmecontainers nur den Verdampferkreislauf der Wärmepumpe speist. Dazu wird über Ventile UV1, UV2, UV3 und AV1 der Zulauf zur Übergabestation umgeleitet zum Wärmetauscher WT des Verdampferkreislaufs. Die Übergabestation ÜS wird dann ausschließlich aus dem Zwischenspeicher ZS versorgt.The same arrangement can be used in another embodiment according to FIG 5 be operated in such a way that the flow from the heat exchanger of the heat container only feeds the evaporator circuit of the heat pump. For this purpose, the inflow to the transfer station is diverted via valves UV1, UV2, UV3 and AV1 to the heat exchanger WT of the evaporator circuit. The transfer station ÜS is then supplied exclusively from the buffer store ZS.

Dieser Betriebszustand ist auf der einen Seite dazu geeignet, eine Tiefenentladung des Wärmecontainers zu erreichen, bei der der Wärmecontainer beispielsweise am Ende abgekühlt (beispielsweise nur noch handwarm) ist, die Übergabetemperatur aber weiterhin hoch, beispielsweise bei etwa 70 °C, liegen soll. Eine Mischung aus Vorlauf und Zwischenspeicher würde diese Übergabetemperatur nicht mehr erreichen.On the one hand, this operating state is suitable for achieving a deep discharge of the thermal container, in which the thermal container has cooled down at the end, for example (e.g. only hand-warm), but the transfer temperature should remain high, for example at around 70 °C. A mixture of flow and intermediate storage would no longer reach this transfer temperature.

Auf der anderen Seite lässt sich in diesem Betriebszustand eine Wärmesenke versorgen, die eine hohe Rücklauftemperatur hat, die also eine Wärmeversorgung auf einer höheren Temperatur benötigt als die vom Wärmespeichermedium bereitgestellte. Auch hier würde eine Mischung von Wärmetauschermedium aus Vorlauf und Zwischenspeicher die benötigte Übergabetemperatur unterschreiten.On the other hand, in this operating state, a heat sink can be supplied that has a high return temperature, which means that it requires a heat supply at a higher temperature than that provided by the heat storage medium. Here, too, a mixture of heat exchanger medium from the flow and intermediate storage would fall below the required transfer temperature.

In einem Ausführungsbeispiel werden die Betriebszustände bei einem Entladevorgang miteinander kombiniert. So kann beispielsweise mit dem Betriebszustand der reinen Entladung gemäß 3 begonnen werden (ohne Einsatz der Wärmepumpe WP), bei dem im Bereich der sensiblen Wärme SW eine ausreichend hohe Temperatur bereitsteht. Im Latentwärmebereich LW kann dann in einen ersten Betriebszustand mit Wärmepumpe WP gemäß 4 gewechselt werden, um am Ende des Entladevorgangs in einem zweiten Betriebszustand mit Wärmepumpe gemäß 5 die Tiefenentladung TE zu realisieren.In one exemplary embodiment, the operating states are combined with one another during a discharge process. For example, according to the operating state of pure discharge 3 be started (without using the heat pump WP) in which a sufficiently high temperature is available in the sensible heat SW area. In the latent heat range LW can then be in a first operating state with heat pump WP according to 4 be changed to at the end of the discharge process in a second operating state with heat pump according to 5 to realize the deep discharge TE.

Überlagerungsschaltung mit hydraulischer KopplungSuperimposed circuit with hydraulic coupling

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird an der Wärmesenke durch eine geschickte Anordnung der erfindungsgemäßen Wärmecontainer beständig eine Abgabetemperatur erreicht, die oberhalb der Temperatur des Phasenübergangs liegt. Obwohl der Anteil der sensiblen Wärme im Vergleich zur Latentwärme nur gering ist, reicht sie bei diesem Ausführungsbeispiel in überraschender Weise aus, um die zu entladene Wärmemenge nahezu komplett auf eine einstellbare Temperatur oberhalb der Kristallisationstemperatur zu bringen.In a further exemplary embodiment, a delivery temperature which is above the temperature of the phase transition is constantly achieved at the heat sink by a clever arrangement of the heat containers according to the invention. Although the proportion of sensible heat is only small compared to the latent heat, in this exemplary embodiment it is surprisingly sufficient to bring the amount of heat to be discharged almost entirely to an adjustable temperature above the crystallization temperature.

Es kann dafür gemäß 6 eine Anordnung gewählt werden bestehend aus zwei seriell angeschlossenen Wärmecontainern C1, C2, wobei eine hydraulische Kopplung an einer Wärmesenke so eingerichtet ist, dass ein erster Wärmecontainer C1, der bereits in den Latentwärmebereich LW entladen ist, das Wärmetauschermedium auf die Temperatur des Phasenübergangs mit Latentwärme vorwärmt und der zweite seriell angeschlossene Wärmecontainer C2, der sich noch im Temperaturbereich der sensiblen Wärme SW befindet, die Temperatur des Wärmetauschermediums durch sensible Wärme auf eine einstellbare höhere Temperatur weiter anhebt.It can for this purpose 6 an arrangement can be selected consisting of two serially connected heat containers C1, C2, with a hydraulic coupling to a heat sink being set up in such a way that a first heat container C1, which has already been discharged into the latent heat region LW, preheats the heat exchanger medium to the temperature of the phase transition with latent heat and the second serially connected heat container C2, which is still in the sensible heat SW temperature range, further raises the temperature of the heat exchange medium to an adjustable higher temperature by sensible heat.

Die hydraulische Kopplung kann so eingerichtet sein, dass der erste Wärmecontainer C1 nach seiner Entladung durch einen vollständig aufgeladenen dritten Wärmecontainer C3 getauscht werden kann, wobei dann das Wärmetauschermedium im zweiten Wärmecontainer C2 im Latentwärmebereich LW auf die Phasenübergangstemperatur vorwärmt und der dritte seriell angeschlossene mobile Wärmetransportbehälter, der noch oberhalb des Latentwärmebereichs aufgeladen ist, die Temperatur des Wärmetauschermediums durch sensible Wärme auf die einstellbare höhere Temperatur weiter anhebt.The hydraulic coupling can be set up in such a way that the first thermal container C1 is exchanged for a fully charged third thermal container C3 after it has been discharged can be, in which case the heat exchanger medium in the second heat container C2 in the latent heat range LW is then preheated to the phase transition temperature and the third serially connected mobile heat transport container, which is still charged above the latent heat range, further increases the temperature of the heat exchanger medium to the adjustable higher temperature using sensible heat.

Eine entsprechende hydraulische Kopplung ist in 6 dargestellt. Zwei mobile Wärmetransportbehälter C1 und C2 stehen bereit, im dargestellten Beispiel ist der mobile Wärmetransportbehälter C2 wärmer als C1 (C2 ≥ C1). Warme Strömungen sind mit grauen Pfeilen versehen, wobei die durchgezogenen grauen Pfeile Temperaturen im sensiblen Bereich oberhalb des latenten Bereichs und die gestrichelte grauen Pfeile Temperaturen im latenten Bereich darstellen. Die schwarzen Pfeile betreffen Temperaturen im kalten Bereich, d.h. im Bereich der Tiefenentladung TE (sensibler Bereich unterhalb des latenten Bereichs).A corresponding hydraulic coupling is in 6 shown. Two mobile heat transport containers C1 and C2 are available, in the example shown the mobile heat transport container C2 is warmer than C1 (C2 ≥ C1). Warm flows are denoted by gray arrows, with the solid gray arrows representing temperatures in the sensitive region above the latent region and the dashed gray arrows representing temperatures in the latent region. The black arrows relate to temperatures in the cold area, ie in the area of deep discharge TE (sensitive area below the latent area).

Über ein Umschaltventil UV1 und zwei Verteilerventile VV1 und VV2 wird der Rücklauf von der Übergabestation bzw. der Haustechnik HT zunächst im Wärmecontainer C1 vorgewärmt, um dann im Wärmecontainer C2 in den sensiblen Bereich angehoben zu werden. In einer Mischkammer MK wird dann der Strom aus C2 mit einem weiteren Strom aus C1 so gemischt, dass die gewünschte Übergabetemperatur erreicht wird.The return flow from the transfer station or the building services HT is first preheated in the heating container C1 via a switching valve UV1 and two distribution valves VV1 and VV2, and then raised to the sensitive area in the heating container C2. The stream from C2 is then mixed with another stream from C1 in a mixing chamber MK in such a way that the desired transfer temperature is reached.

Sobald der Wärmecontainer C2 in den latenten Bereich abgekühlt und der Wärmecontainer C1 entleert ist, wird der Wärmecontainer C1 durch einen neuen vollgeladenen mobilen Wärmecontainer C3 ersetzt und die erwähnten Ventile werden so umgeschaltet, dass die Ströme für die Situation C3 ≥ C2 analog zum vorstehend Beschriebenen fließen.As soon as the thermal container C2 has cooled down to the latent range and the thermal container C1 has been emptied, the thermal container C1 is replaced by a new fully loaded mobile thermal container C3 and the mentioned valves are switched so that the currents for the situation C3 ≥ C2 flow analogously to what is described above .

Dieser neue Schaltzustand ist in 7 dargestellt. Nun wird der Rücklauf von der Übergabestation bzw. der Haustechnik HT zunächst im Wärmecontainer C2 vorgewärmt, um dann im Wärmecontainer C3 in den sensiblen Bereich angehoben zu werden. In der Mischkammer MK wird dann der Strom aus C3 mit einem weiteren Strom aus C2 so gemischt, dass die gewünschte Übergabetemperatur erreicht wird.This new switching state is in 7 shown. Now the return from the transfer station or the building services HT is first preheated in the heating container C2, in order to then be raised to the sensitive area in the heating container C3. In the mixing chamber MK, the stream from C3 is then mixed with another stream from C2 in such a way that the desired transfer temperature is reached.

Sobald der Wärmecontainer C3 in den latenten Bereich abgekühlt und der Wärmecontainer C2 entleert ist, wird der Wärmecontainer C2 durch einen neuen vollgeladenen mobilen Wärmecontainer ersetzt und die Ventile werden wieder gemäß 6 beschaltet.Once thermal container C3 has cooled to the latent range and thermal container C2 is emptied, thermal container C2 is replaced with a new fully charged mobile thermal container and the valves are re-adjusted 6 connected.

Die hydraulische Kopplung sorgt so dafür, dass wechselseitig mobile Wärmespeicherbehälter getauscht werden und längerfristig Temperaturen im sensiblen Bereich angeboten werden können. Außerdem kann durch die hydraulische Kopplung verglichen mit einem einzelnen Wärmecontainer eine höhere konstante Leistung bereitgestellt werden, da diese sich aus der Summe aus den Leistungsabgaben der Wärmecontainer C1 und C2 bzw. C2 und C3 ergibt. Da die wertvolle sensible Wärme nur die kleine Temperaturdifferenz zwischen dem latenten Bereich der Vorwärmung und der gewünschten Übergabetemperatur überbrücken muss, passen die beiden Entladevorgänge zeitlich zusammen, obwohl oder gerade weil im Wärmecontainer für die Vorwärmung wesentlich mehr latente Wärme zur Verfügung steht als sensible Wärme im Wärmecontainer für die weitere Anhebung.The hydraulic coupling ensures that mobile heat storage tanks can be exchanged alternately and that temperatures in the sensitive range can be offered over the longer term. In addition, the hydraulic coupling can provide a higher constant power compared to a single thermal container, since this results from the sum of the power outputs of the thermal containers C1 and C2 or C2 and C3. Since the valuable sensible heat only has to bridge the small temperature difference between the latent area of preheating and the desired transfer temperature, the two unloading processes coincide in time, although or precisely because there is significantly more latent heat available in the heat container for preheating than sensible heat in the heat container for further increase.

Temperaturregelung bei zwei WärmeströmenTemperature control with two heat flows

Im Folgenden wird beschrieben wie erfindungsgemäß aus Masseströmen mit verschiedenen Temperaturen durch Mischen ein Massenstrom mit einer definierten Zwischentemperatur erzeugt wird.The following describes how, according to the invention, a mass flow with a defined intermediate temperature is produced from mass flows with different temperatures by mixing.

In einer Mischkammer bzw. an einem Mischventil soll beispielsweise die Wärme aus zwei Wärmecontainern auf eine konstante Temperatur T3 zusammengeführt werden. Eine entsprechende Anordnung ist in 8 skizziert. Die beiden Wärmeströme 1 und 2 werden jeweils durch eine Pumpe P1 und P2 bewegt, so dass im Folgenden dargelegt wird wie diese Pumpen geeignet geregelt werden können, um konstant die einstellbare Temperatur T3 zu erhalten.In a mixing chamber or at a mixing valve, for example, the heat from two heating containers should be brought together at a constant temperature T3. A corresponding arrangement is in 8th sketched. The two heat flows 1 and 2 are each moved by a pump P1 and P2, so that it is explained below how these pumps can be suitably regulated in order to constantly obtain the adjustable temperature T 3 .

Werden zwei Energieströme mit dem Durchsatz ṁ1 und ṁ2 mit den jeweiligen Temperaturen T1 und T2 miteinander zu einem Massenstrom ṁ3 mit einer Temperatur T3 gemischt, so lässt sich die resultierende Temperatur T3 durch folgendes Mischungsverhältnis erzielen, cp ist dabei die spezifische Wärmekapazität des Wärmetauschermediums: Q ˙ 1 + Q ˙ 2 = Q ˙ 3 c p ( m ˙ 1 T 1 + m ˙ 2 T 2 ) = c p m ˙ 3 T 3 m ˙ 1 T 1 + m ˙ 2 T 2 = m ˙ 3 T 3 m ˙ 1 T 1 + m ˙ 2 T 2 = ( m ˙ 1 + m ˙ 2 ) T 3 m ˙ 1 T 1 + m ˙ 2 T 2 = m ˙ 1 T 3 + m ˙ 2 T 3 m ˙ 1 ( T 1 T 3 ) = m ˙ 2 ( T 3 T 2 ) m ˙ 1 m ˙ 2 = T 3 T 2 T 1 T 3

Figure DE102021001432A1_0001
If two energy flows with the throughput ṁ 1 and ṁ 2 with the respective temperatures T 1 and T 2 are mixed together to form a mass flow ṁ 3 with a temperature T 3 , the resulting temperature T3 can be achieved by the following mixing ratio, where c p is the specific heat capacity of the heat exchange medium: Q ˙ 1 + Q ˙ 2 = Q ˙ 3 c p ( m ˙ 1 T 1 + m ˙ 2 T 2 ) = c p m ˙ 3 T 3 m ˙ 1 T 1 + m ˙ 2 T 2 = m ˙ 3 T 3 m ˙ 1 T 1 + m ˙ 2 T 2 = ( m ˙ 1 + m ˙ 2 ) T 3 m ˙ 1 T 1 + m ˙ 2 T 2 = m ˙ 1 T 3 + m ˙ 2 T 3 m ˙ 1 ( T 1 T 3 ) = m ˙ 2 ( T 3 T 2 ) m ˙ 1 m ˙ 2 = T 3 T 2 T 1 T 3
Figure DE102021001432A1_0001

Dieses Massenstromverhältnis kann in einem Ausführungsbeispiel durch die . Leistungsregelung der Pumpen P1 und P2 für die Massenströme ṁ1 und ṁ2 realisiert werden. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann ein Mischventil bzw. ein Mengenteiler dieses Verhältnis herstellen. Solange einer der beiden mobilen Wärmespeicherbehälter im Latentwärmebereich und einer im Bereich der sensiblen Wärme darüber liegt, sorgt das Massenstromverhältnis nach Formel 1 für eine konstante Temperatur T3 an der Übergabestation.This mass flow ratio can in one embodiment by the. Power control of the pumps P1 and P2 for the mass flows ṁ 1 and ṁ 2 can be realized. In another out For example, a mixing valve or flow divider can produce this ratio. As long as one of the two mobile heat storage tanks is in the latent heat range and one in the sensible heat range, the mass flow ratio according to formula 1 ensures a constant temperature T3 at the transfer station.

Für den Fall, dass keiner der beiden mobilen Wärmetransportbehälter mehr oberhalb der Temperatur T3 liegt, kann die bereits beschriebene Wärmepumpe einen der beiden Energieströme auf eine Temperatur oberhalb von T3 anheben, vorzugsweise den wärmeren. Alternativ dazu kann auch der nach dem Mischen resultierende Massenstrom ṁ3 auf T3 angehoben werden.In the event that neither of the two mobile heat transport containers is above the temperature T 3 , the heat pump already described can raise one of the two energy flows to a temperature above T 3 , preferably the warmer one. Alternatively, the mass flow ṁ 3 resulting after mixing can also be increased to T 3 .

BezugszeichenlisteReference List

SWSW
Bereich sensibler Wärmearea of sensible heat
LWLw
Latentwärmebereichlatent heat range
TETE
Bereich der Tiefenentladungarea of deep discharge
C, CxC, Cx
Wärmecontainerheat container
Pxpx
Pumpepump
ÜSÜS
Übergabestationtransfer station
HTHT
HaustechnikHouse technic
MVxMVx
Mischventilmixing valve
UVxUVx
Umschaltventilswitching valve
AVxAVx
Absperrventilshut-off valve
EVEV
Expansionsventilexpansion valve
WTWT
Wärmetauscherheat exchanger
WPWP
Wärmepumpeheat pump
VDvd
VerdampferEvaporator
VV
Verdichtercompressor
KK
Kondensatorcapacitor
ZSZS
Zwischenspeichercache
WxWx
Verteilventildistribution valve
MKMK
Mischkammermixing chamber
1, 2, 31, 2, 3
Wärmestromheat flow
Txtx
Temperaturtemperature

Claims (9)

Energieversorgungssystem zur Beheizung einer Wärmesenke aufweisend: - eine Wärmepumpe, - ein abgeschlossenes Wärmereservoir zur monotonen Wärmeabgabe, - ein in dem Wärmereservoir enthaltenes Latentwärmespeichermedium, - eine Übergabestation zu einem Heizsystem der Wärmesenke und - mindestens einen Pufferspeicher zur Erwärmung durch die Wärmepumpe.Having energy supply system for heating a heat sink: - a heat pump, - a closed heat reservoir for monotonous heat emission, - a latent heat storage medium contained in the heat reservoir, - a transfer station to a heating system of the heat sink and - at least one buffer tank for heating by the heat pump. Energieversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieversorgungssystem drei Beschaltungen aufweist bestehend aus: - einer direkten Versorgung der Übergabestation aus dem Wärmereservoir, - einer Versorgung der Übergabestation aus dem Wärmereservoir mit Zumischung aus dem Pufferspeicher, - einer reinen Versorgung der Übergabestation aus dem Pufferspeicher.power supply system claim 1 , characterized in that the energy supply system has three circuits consisting of: - a direct supply of the transfer station from the heat reservoir, - a supply of the transfer station from the heat reservoir with admixture from the buffer storage, - a pure supply of the transfer station from the buffer storage. Energieversorgungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe eine Hochtemperaturwärmepumpe ist.Energy supply system according to one of the preceding claims, characterized in that the heat pump is a high-temperature heat pump. Energieversorgungssystem zur Beheizung einer Wärmesenke, bestehend aus - Anschlussmöglichkeiten für zwei abgeschlossene Wärmecontainer mit monotoner Wärmeabgabe zu einer seriellen Beschaltung, - einer hydraulischen Kopplung der Wärmecontainer, und - einer Übergabestation zur Wärmesenke, wobei die Wärmecontainer jeweils enthalten: - ein Latentwärmespeichermedium zur Speicherung von Wärmeenergie und - einen Wärmetauscher, der über die Anschlussmöglichkeiten von einem Wärmetauschermedium durchströmt wird, wobei das Energieversorgungssystem so eingerichtet ist, dass ein erster Wärmecontainer, der bereits in den Latentwärmebereich entladen ist, das Wärmetauschermedium auf die Temperatur des Phasenübergangs mit Latentwärme vorwärmt und der zweite seriell angeschlossene Wärmecontainer, der noch oberhalb des Latentwärmebereichs aufgeladen ist, die Temperatur des Wärmetauschermediums durch sensible Wärme auf eine einstellbare höhere Temperatur weiter anhebt.Energy supply system for heating a heat sink, consisting of - Connection options for two closed thermal containers with monotonous heat emission to a serial circuit, - a hydraulic coupling of the thermal containers, and - a transfer station to the heat sink, with the heat containers each containing: - a latent heat storage medium for storing thermal energy and - a heat exchanger through which a heat exchanger medium flows via the connection options, the energy supply system being set up in such a way that a first heat container, which has already been discharged into the latent heat area, preheats the heat exchanger medium to the temperature of the phase transition with latent heat, and the second heat container is connected in series , which is still charged above the latent heat range, further increases the temperature of the heat exchange medium to an adjustable higher temperature by means of sensible heat. Energieversorgungssystem nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass sich Energieversorgungssystem so beschalten lässt, dass der erste mobile Wärmetransportbehälter nach seiner Entladung durch einen aufgeladenen dritten mobilen Wärmetransportbehälter getauscht werden kann, wobei dann das Wärmetauschermedium im zweiten mobilen Wärmetransportbehälter im Latentwärmebereich auf die Phasenübergangstemperatur vorwärmt und der dritte seriell angeschlossene mobile Wärmetransportbehälter, der noch oberhalb des Latentwärmebereichs aufgeladen ist, die Temperatur des Wärmetauschermediums durch sensible Wärme auf die einstellbare höhere Temperatur weiter anhebt.power supply system claim 4 characterized in that the energy supply system can be switched in such a way that the first mobile heat transport container can be replaced by a charged third mobile heat transport container after it has been discharged, in which case the heat exchanger medium in the second mobile heat transport container is then preheated to the phase transition temperature in the latent heat range and the third mobile heat transport container connected in series, which is still charged above the latent heat range, the temperature of the heat exchange medium by sensitive Heat further increases to the adjustable higher temperature. Energieversorgungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Energieversorgungssystem - fest installiert ist oder dass das Energieversorgungssystem - auf einem Sattelauflieger, einem Anhänger oder einem LKW montiert oder - als Container, insbesondere ISO-Container, oder Wechselbrücke aufgebaut ist, so dass es mit Mitteln der Logistik von der Wärmesenke zu einer weiterenWärmesenke transportiert werden kann.Energy supply system according to one of the preceding claims , characterized in that the energy supply system - is permanently installed or that the energy supply system - is mounted on a semi-trailer, a trailer or a truck or - is constructed as a container, in particular ISO container, or swap body, so that it Means of logistics can be transported from the heat sink to a further heat sink. Verfahren zur Beheizung einer Wärmesenke mit einem Energieversorgungssystem aufweisend: - eine Wärmepumpe, - ein abgeschlossenes Wärmereservoir zur monotonen Wärmeabgabe, - ein in dem Wärmereservoir enthaltenes Latentwärmespeichermedium, - eine Übergabestation zu einem Heizsystem der Wärmesenke, - mindestens einen Pufferspeicher zur Erwärmung durch die Wärmepumpe, wobei das Verfahren drei Beschaltungen aufweist bestehend aus: - einer direkten Versorgung der Übergabestation aus dem Wärmereservoir, - einer Versorgung der Übergabestation aus dem Wärmereservoir mit Zumischung aus dem Pufferspeicher, - einer reinen Versorgung der Übergabestation aus dem Pufferspeicher.Method for heating a heat sink with an energy supply system comprising: - a heat pump, - a closed heat reservoir for monotonous heat emission, - a latent heat storage medium contained in the heat reservoir, - a transfer station to a heating system of the heat sink, - at least one buffer storage tank for heating by the heat pump, with the method having three circuits consisting of: - a direct supply of the transfer station from the heat reservoir, - a supply of the transfer station from the heat reservoir with admixture from the buffer storage, - a pure supply of the transfer station from the buffer storage. Verfahren zur Beheizung einer Wärmesenke mit einem Energieversorgungssystem, bestehend aus - zwei seriell angeschlossenen Wärmecontainern, - ein in den Wärmecontainern enthaltenes Latentwärmespeichermedium, - in den Wärmecontainern enthaltene Wärmetauscher, die von einem Wärmetauschermedium durchströmt werden, - einer hydraulischen Kopplung der Wärmecontainer, und - einer Übergabestation zur Wärmesenke, wobei in einem ersten Wärmecontainer, der bereits in den Latentwärmebereich entladen ist, das Wärmetauschermedium auf die Temperatur des Phasenübergangs mit Latentwärme vorwärmt und in einem zweiten seriell angeschlossenen Wärmecontainer, der noch oberhalb des Latentwärmebereichs aufgeladen ist, die Temperatur des Wärmetauschermediums durch sensible Wärme auf eine einstellbare höhere Temperatur weiter angehoben wird.Method for heating a heat sink with an energy supply system, consisting of - two thermal containers connected in series, - a latent heat storage medium contained in the heat containers, - Heat exchangers contained in the heat containers, through which a heat exchange medium flows, - a hydraulic coupling of the thermal containers, and - A transfer station to the heat sink, with the heat exchanger medium being preheated to the temperature of the phase transition with latent heat in a first heat container, which is already discharged into the latent heat area, and the temperature of the heat exchanger medium being preheated in a second serially connected heat container, which is still charged above the latent heat area is further raised to an adjustable higher temperature by sensible heat. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass der erste mobile Wärmetransportbehälter nach seiner Entladung durch einen aufgeladenen dritten mobilen Wärmetransportbehälter getauscht wird, wobei dann das Wärmetauschermedium im zweiten mobilen Wärmetransportbehälter im Latentwärmebereich auf die Phasenübergangstemperatur vorwärmt und der dritte seriell angeschlossene mobile Wärmetransportbehälter, der noch oberhalb des Latentwärmebereichs aufgeladen ist, die Temperatur des Wärmetauschermediums durch sensible Wärme auf die einstellbare höhere Temperatur weiter anhebt.procedure after claim 8 characterized in that the first mobile heat transport container is replaced by a charged third mobile heat transport container after it has been discharged, in which case the heat exchanger medium in the second mobile heat transport container is then preheated to the phase transition temperature in the latent heat range and the third serially connected mobile heat transport container, which is still charged above the latent heat range, further increases the temperature of the heat exchange medium to the adjustable higher temperature by means of sensible heat.
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DE3004324A1 (en) 1980-02-06 1981-08-13 Josef 8492 Neustadt Probst DEVICE FOR CONTROLLING A HEATING SYSTEM WITH AT LEAST ONE DEVICE FOR RECOVERING HEAT FROM AN ABSORBER
DE102008036712A1 (en) 2008-08-07 2010-02-18 Solvis Gmbh & Co. Kg Arrangement for providing hot service water
DE102008041715A1 (en) 2008-08-29 2010-03-04 Lüumel GmbH Heat and hot water supply, for a building, uses a solar energy installation with at least one storage buried in the ground

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