DE102022121914A1 - Heat and cold storage with countercurrent heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Ein Wärmespeicher und -tauscher weist eine erste Fluidleitung, eine zweite Fluidleitung, einen Wärmetauscher und einen Speicherbehälter auf. Der Wärmetauscher ist dazu eingerichtet, Wärme zwischen der ersten Fluidleitung und der zweiten Fluidleitung zu übertragen. Der Speicherbehälter ist dazu eingerichtet, ein thermisches Speichermedium aufzunehmen. Zumindest ein Abschnitt des Wärmetauschers ist in dem Speicherbehälter angeordnet, um ein Übertragen von Wärme zwischen dem Wärmetauscher und dem thermischen Speichermedium zu ermöglichen.A heat storage and exchanger has a first fluid line, a second fluid line, a heat exchanger and a storage container. The heat exchanger is designed to transfer heat between the first fluid line and the second fluid line. The storage container is designed to hold a thermal storage medium. At least a portion of the heat exchanger is disposed in the storage container to enable transfer of heat between the heat exchanger and the thermal storage medium.
Description
GEBIETAREA
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der thermischen Energiespeicherung und insbesondere einen Wärme- oder Kältespeicher mit integriertem Gegenstromwärmetauscher sowie ein System mit einem Wärmespeicher und einem Kältespeicher.The invention relates to the technical field of thermal energy storage and in particular to a heat or cold storage with an integrated countercurrent heat exchanger and a system with a heat storage and a cold storage.
HINTERGRUNDBACKGROUND
Die auf einem Gebäudedach auftreffende Energie ist regelmäßig ausreichend, um zumindest im Jahresmittel den Energiebedarf des Gebäudes zu decken. Dazu kann eine photovoltaische Anlage mit Photovoltaikmodulen zum Erzeugen von elektrischem Strom und/oder mit einem Photothermiesystem zur Erzeugung von Warmwasser verwendet werden, und die gewonnene Energie kann jeweils Verbrauchern in dem Gebäude zugeführt werden.The energy hitting the roof of a building is regularly sufficient to cover the building's energy needs, at least on an annual average. For this purpose, a photovoltaic system with photovoltaic modules can be used to generate electrical power and/or with a photothermal system to generate hot water, and the energy obtained can be supplied to consumers in the building.
Ferner können zusätzliche variable Energiequellen zur Verwendung in einem Gebäude bereitstehen, wie die Abwärme einer Kältemaschine oder ein erzeugter Strom einer Windkraftanlage. Insbesondere kommen regelmäßig, beispielsweise in Ein- und Mehrfamilienhäusern, Wärmepumpen verschiedener Bauform zum Einsatz, um auch Wärmequellen geringer Temperatur nutzbar zu machen.Furthermore, additional variable energy sources may be available for use in a building, such as waste heat from a refrigeration machine or electricity generated from a wind turbine. In particular, heat pumps of various designs are regularly used, for example in single-family homes and apartment buildings, in order to make low-temperature heat sources usable.
Problematisch ist jedoch in allen vorgenannten Fällen, dass eine entsprechende (regenerative) Energieerzeugung und ein Energieverbrauch durch private Haushalte oder industrielle Komplexe zeitlich sowohl kurzfristig als auch saisonal häufig auseinanderfallen. Insbesondere ist ein regeneratives Energieerzeugungspotential im Sommer regelmäßig höher als im Winter, bspw. durch Photovoltaik oder Photothermie, obwohl im Winter ein deutlich erhöhter Energieverbrauch anfällt, insbesondere für die Heiz- und Brauchwasserheizung.However, the problem in all of the above-mentioned cases is that corresponding (renewable) energy production and energy consumption by private households or industrial complexes often differ in time, both in the short term and seasonally. In particular, renewable energy production potential is regularly higher in summer than in winter, for example through photovoltaics or photothermal energy, although there is significantly increased energy consumption in winter, especially for heating and domestic hot water.
Eine Möglichkeit, den Verbrauch und die Erzeugung von Energie zu entkoppeln, stellen thermische Energiespeicher dar. Diese können die erzeugte Energie in Kälte- oder Wärmespeichern kurz- bis langfristig zwischenspeichern, um unterschiedliche Zeitpunkte von Energieerzeugung und Energieverbrauch auszugleichen.One way to decouple the consumption and production of energy is through thermal energy storage. These can temporarily store the energy generated in cold or heat storage in the short to long term in order to compensate for different times of energy production and energy consumption.
Konventionelle Wärmespeicher (oder Kältespeicher) umfassen Mehrzonenspeicher, durch deren zentralen Bereich sich ein Wärmetauscher zum Eintragen der Wärme (oder Kälte) erstreckt. Davon räumlich getrennt sind im äußeren Bereich auf unterschiedlichen Höhen mehrere Wärmetauscher zum Entnehmen der Wärme (oder Kälte) im Wärmespeicher (oder Kältespeicher) angeordnet.Conventional heat storage (or cold storage) includes multi-zone storage, through the central area of which a heat exchanger for introducing the heat (or cold) extends. Spatially separated from this, several heat exchangers for removing the heat (or cold) in the heat storage (or cold storage) are arranged in the outer area at different heights.
ÜBERBLICKOVERVIEW
Die aus dem Stand der Technik bekannten Wärmespeicher (oder Kältespeicher) sind nicht für die Verwendung in einem System mit einer photovoltaischen Anlage und/oder einer Wärmepumpe optimiert. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Wärmespeicher (oder Kältespeicher) bereitzustellen, der für die Verwendung in einem System mit einer photovoltaischen Anlage und/oder einer Wärmepumpe optimiert ist.The heat storage (or cold storage) known from the prior art are not optimized for use in a system with a photovoltaic system and/or a heat pump. It is an object of the invention to provide a heat storage (or cold storage) that is optimized for use in a system with a photovoltaic system and/or a heat pump.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wärmespeicher und -tauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Verwendung des Wärmespeicher und -tauschers mit den Merkmalen des Anspruchs 11 oder 12, eine System mit den Merkmalen des Anspruchs 13 oder 18, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 19 oder 25, ein Computerprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 29, ein Nahwärmenetz mit den Merkmalen des Anspruchs 30 und ein Nahwärmenetz-System mit den Merkmalen des Anspruchs 32 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved according to the invention by a heat storage and exchanger with the features of
Gemäß einem ersten Aspekt weist ein Wärmespeicher und -tauscher eine erste Fluidleitung, eine zweite Fluidleitung, einen Wärmetauscher und einen Speicherbehälter auf. Der Wärmetauscher ist dazu eingerichtet, Wärme zwischen der ersten Fluidleitung und der zweiten Fluidleitung zu übertragen. Der Speicherbehälter ist dazu eingerichtet, ein thermisches Speichermedium aufzunehmen. Zumindest ein Abschnitt des Wärmetauschers ist in dem Speicherbehälter angeordnet, um ein Übertragen von Wärme zwischen dem Wärmetauscher und dem thermischen Speichermedium zu ermöglichen.According to a first aspect, a heat storage and exchanger has a first fluid line, a second fluid line, a heat exchanger and a storage container. The heat exchanger is designed to transfer heat between the first fluid line and the second fluid line. The storage container is designed to hold a thermal storage medium. At least a portion of the heat exchanger is disposed in the storage container to enable transfer of heat between the heat exchanger and the thermal storage medium.
Somit kann ein hochintegrierter Wärmespeicher und -tauscher bereitgestellt werden, der es ermöglicht, Wärme aus einer Solaranlage und, falls diese gerade betrieben wird, einer Wärmepumpe mittels des Wärmetauschers in den Speicherbehälter zu übertragen. Wird die Wärmepumpe gerade nicht betrieben, kann der Wärmespeicher und -tauscher unverändert weiterbetrieben werden, um die Wärme aus der Solaranlage weiterhin in den Wärmespeicher und -tauscher zu übertragen.A highly integrated heat storage and exchanger can thus be provided, which makes it possible to transfer heat from a solar system and, if this is currently being operated, a heat pump into the storage container by means of the heat exchanger. If the heat pump is not currently in operation, the heat storage and exchanger can continue to operate unchanged in order to continue to transfer the heat from the solar system to the heat storage and exchanger.
Hierfür können die Solaranlage bzw. die Wärmepumpe an die erste bzw. zweite Fluidleitung angeschlossen werden. Eine Notwendigkeit von weiteren Anpassungen, beispielsweise hinsichtlich elektrischer Anschlüsse, kann so vermieden werden.For this purpose, the solar system or the heat pump can be connected to the first or second fluid line. The need for further adjustments, for example with regard to electrical connections, can thus be avoided.
Weiterhin kann der Wärmetauscher als Folge seiner Anordnung in dem Speicherbehälter einen effektiven Wärmeübertrag zwischen der ersten und der zweiten Fluidleitung ermöglichen, also beispielsweise zwischen der photovoltaischen Anlage und einer kalten Seite der Wärmepumpe. Der effektive Wärmeübertrag ist insbesondere eine Folge des großzügigen Platzangebotes in dem Speicherbehälter, aufgrund dessen der Wärmetauscher, beispielsweise als Doppelrohrwärmetauscher, mit einer großen Kontaktfläche zwischen der ersten und der zweiten Fluidleitung ausgebildet sein kann. In konventionellen Systemen ist hingegen üblicherweise kein Wärmetauscher vorgesehen, der eine direkten und effektiven Wärmeübertragung zwischen erster und zweiter Fluidleitung bzw. zwischen Wärmepumpe und photovoltaischer Anlage ermöglichen würde.Furthermore, as a result of its arrangement in the storage container, the heat exchanger can enable effective heat transfer between the first and the second fluid line, for example between the photovoltaic system and a cold side of the heat pump. The effective heat transfer is in particular a consequence of the generous space available in the storage container, due to which the heat exchanger can be designed, for example as a double-tube heat exchanger, with a large contact area between the first and the second fluid line. In conventional systems, however, there is usually no heat exchanger provided that would enable direct and effective heat transfer between the first and second fluid lines or between the heat pump and the photovoltaic system.
Bei einigen Ausführungsformen ist der Wärmetauscher zu einem Großteil in dem Speicherbehälter angeordnet. Beispielsweise kann der Wärmetauscher zu mindestens der Hälfte, mindestens zwei Dritteln, oder mindestens drei Vierteln seiner Längenerstreckung in dem Speicherbehälter angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Wärmetauscher zu mindestens der Hälfte, mindestens zwei Dritteln, oder mindestens drei Vierteln seines Volumens in dem Speicherbehälter angeordnet sein.In some embodiments, the heat exchanger is largely arranged in the storage container. For example, the heat exchanger can be arranged in the storage container for at least half, at least two thirds, or at least three quarters of its length. Alternatively or additionally, the heat exchanger can be arranged in the storage container to at least half, at least two-thirds, or at least three-quarters of its volume.
Das thermische Speichermedium kann eine Flüssigkeit umfassen oder sein, insbesondere bei Raumtemperatur. Beispielsweise kann das thermische Speichermedium Wasser umfassen, beispielsweise zu einem Volumenanteil von mindestens der Hälfte, mindestens zwei Dritteln, oder mindestens drei Vierteln.The thermal storage medium may comprise or be a liquid, in particular at room temperature. For example, the thermal storage medium can comprise water, for example in a volume fraction of at least half, at least two-thirds, or at least three-quarters.
Der Fachmann versteht jedoch, dass verschiedene thermische Speichermedien verwendet werden können, welche nicht auf Wärmespeicherung durch Temperaturveränderung des festen/flüssigen Speichermediums beschränkt sein müssen. Zum Beispiel kann in dem Speicherbehälter auch ein Phasenwechselmaterial zum Speichern thermischer Energie als latente Energie, thermochemische Speichermedien, oder ein Salzdehydrations-Speicher zur isolationsfreien Langzeitspeicherung aufgenommen werden.However, those skilled in the art will understand that various thermal storage media can be used, which need not be limited to heat storage by changing the temperature of the solid/liquid storage medium. For example, a phase change material for storing thermal energy as latent energy, thermochemical storage media, or a salt dehydration storage for isolation-free long-term storage can also be accommodated in the storage container.
Bei einigen Ausführungsformen ist der Wärmetauscher als Gegenstromwärmetauscher eingerichtet.In some embodiments, the heat exchanger is set up as a countercurrent heat exchanger.
Bei entsprechenden Ausführungsformen kann die Effektivität der Wärmeübertragung zwischen erster und zweiter Fluidleitung bzw. zwischen Wärmepumpe und photovoltaischer Anlage weiter verbessert werden.In corresponding embodiments, the effectiveness of the heat transfer between the first and second fluid lines or between the heat pump and the photovoltaic system can be further improved.
Der Wärmetauscher kann einen Mehrfachrohrwärmetauscher, einen Doppelrohrwärmetauscher, einen Plattenwärmetauscher oder einen Rohrbündelwärmetauscher aufweisen oder als solcher ausgebildet sein.The heat exchanger can have a multiple-tube heat exchanger, a double-tube heat exchanger, a plate heat exchanger or a tube bundle heat exchanger or can be designed as such.
Die erste Fluidleitung und die zweite Fluidleitung können im Wärmetauscher und/oder über einen Bereich von mindestens 0,5 m oder von mindestens 1 m oder von mindestens 2 m in direktem Kontakt stehen.The first fluid line and the second fluid line may be in direct contact in the heat exchanger and/or over a range of at least 0.5 m or at least 1 m or at least 2 m.
Bei entsprechenden Ausführungsformen kann die Effektivität der Wärmeübertragung zwischen erster und zweiter Fluidleitung bzw. zwischen Wärmepumpe und photovoltaischer Anlage weiter verbessert werden. Entsprechende Ausführungsformen können durch die Anordnung des Wärmetauschers im Speicherbehälter ermöglicht werden.In corresponding embodiments, the effectiveness of the heat transfer between the first and second fluid lines or between the heat pump and the photovoltaic system can be further improved. Corresponding embodiments can be made possible by arranging the heat exchanger in the storage container.
Bei einigen Ausführungsformen ist der Speicherbehälter ein Zisternenspeicher. Alternativ oder zusätzlich kann der Speicherbehälter ein Volumen für das thermische Speichermedium von mindestens 1 m3 aufweisen oder von mindestens 2 m3 oder von mindestens 3 m3. Alternativ oder zusätzlich kann der Speicherbehälter für eine unterirdische Anordnung eingerichtet sein.In some embodiments, the storage container is a cistern storage. Alternatively or additionally, the storage container can have a volume for the thermal storage medium of at least 1 m 3 or at least 2 m 3 or at least 3 m 3 . Alternatively or additionally, the storage container can be set up for an underground arrangement.
Insbesondere kann der Wärmespeicher und -tauscher dazu eingerichet sein, in einem Stück, d. h. mit dem Wärmetauscher darin angeordnet, zumindest teilweise in dem Erdreich angeordnet zu werden. Nach dem teilweisen Einbringen ins Erdreich können Anschlüsse für die erste und die zweite Fluidleitung nach oben aus dem Erdreich herausragen und für das Anschließen von photovoltaischer Anlage und Wärmepumpe bereitstehen, so dass ein Gesamtsystem schnell, effizient und kostengünstig verwirklicht werden kann.In particular, the heat storage and exchanger can be designed to be in one piece, i.e. H. with the heat exchanger arranged therein, to be arranged at least partially in the ground. After being partially inserted into the ground, connections for the first and second fluid lines can protrude upwards from the ground and be available for connecting the photovoltaic system and heat pump, so that an overall system can be implemented quickly, efficiently and cost-effectively.
Bei entsprechenden Ausführungsformen kann der Speicherbehälter ein hinreichend großes Speichervermögen bereitstellen, um genug Wärme (oder Kälte) zu speichern, um Schwankungen im Bedarf eines Gebäudes über Zeiträume von Monaten, insbesondere jahreszeitliche Schwankungen, abzudecken.In corresponding embodiments, the storage container may provide sufficient storage capacity to store enough heat (or cold) to cover fluctuations in a building's demand over periods of months, particularly seasonal fluctuations.
Bei einigen Ausführungsformen ist die erste Fluidleitung und/oder die zweite Fluidleitung dazu eingerichtet, eine obere Oberfläche des thermischen Speichermediums zumindest einmal oder zumindest zweimal zu durchtreten, wenn das thermische Speichermedium in dem Speicherbehälter angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Fluidleitung und/oder die zweite Fluidleitung den Speicherbehälter zumindest einmal oder zumindest zweimal im oberstem Viertel von dessen Höhenerstreckung durchtreten, insbesondere im oberstem Fünftel von dessen Höhenerstreckung oder an seiner Oberseite.In some embodiments, the first fluid line and/or the second fluid line is configured to pass through an upper surface of the thermal storage medium at least once or at least twice when the thermal storage medium is arranged in the storage container. Alternatively or additionally, the first fluid line and/or the second fluid line can pass through the storage container at least once or at least twice in the uppermost quarter of its height extent, in particular in the uppermost fifth of its height extent or at its top.
Entsprechende Ausführungsformen können das Anschließen des Wärmespeicher und -tauschers an andere Komponenten des Systems vereinfachen, insbesondere bei einer Anordnung des Wärmespeicher und -tauschers im Erdreich, bei der beispielsweise das oberste Viertel, das oberste Fünftel oder die Oberseite des Speicherbehälters aus dem Erdreich ragen.Corresponding embodiments can simplify the connection of the heat storage and exchanger to other components of the system, in particular when the heat storage and exchanger is arranged in the ground, in which, for example, the uppermost quarter, the uppermost fifth or the top of the storage container protrude from the ground.
Bei einigen Ausführungsformen ist der Wärmespeicher und -tauscher in einem Außenbereich (d. h. bezogen auf Gebäude) angeordnet, beispielsweise überirdisch oder unterirdisch in einer Umgebung eines benachbarten Gebäudes. In anderen Worten kann sich der Wärmetauscher nicht in einem Gebäude befinden.In some embodiments, the heat storage and exchanger is located in an outdoor area (i.e., relative to a building), for example above ground or below ground in an area surrounding an adjacent building. In other words, the heat exchanger cannot be located in a building.
Der Wärmespeicher und -tauscher kann an einen zugeordneten Wärmespeicher gekoppelt sein, der in einem Gebäude angeordnet ist. Beispielsweise kann bei Ausführungsformen, bei denen der Wärmespeicher und -tauscher als Eisspeicher oder Latentwärmespeicher eingerichtet ist, der zugeordnete Wärmespeicher ein Kältespeicher sein. Alternativ oder zusätzlich (zusätzlich z. B. bei Ausführungsformen, bei denen der Wärmespeicher und -tauscher einen zweiten Wärmespeicher und -tauscher bildet) kann der zugeordnete Wärmespeicher ein Mehrzonenspeicher sein.The heat storage and exchanger can be coupled to an associated heat storage that is arranged in a building. For example, in embodiments in which the heat storage and exchanger is set up as an ice storage or latent heat storage, the associated heat storage can be a cold storage. Alternatively or additionally (in addition, for example in embodiments in which the heat storage and exchanger forms a second heat storage and exchanger), the associated heat storage can be a multi-zone storage.
Bei einigen Ausführungsformen ist die erste Fluidleitung und/oder die zweite Fluidleitung für ein Verdampfen und/oder ein Kondensieren eines Kältemittels darin ausgelegt.In some embodiments, the first fluid line and/or the second fluid line is configured to evaporate and/or condense a refrigerant therein.
Bei einigen Ausführungsformen weist der Wärmespeicher und -tauscher mindestens einen zusätzlichen Wärmetauscher auf.In some embodiments, the heat storage and exchanger has at least one additional heat exchanger.
Der mindestens eine zusätzliche Wärmetauscher kann für eine thermische Kopplung an das thermische Speichermedium eingerichtet sein und/oder in dem Speicherbehälter angeordnet sein, insbesondere räumlich getrennt von dem Wärmetauscher.The at least one additional heat exchanger can be set up for thermal coupling to the thermal storage medium and/or can be arranged in the storage container, in particular spatially separated from the heat exchanger.
Der zusätzliche Wärmetauscher kann einen Wärmeübertrag zwischen dem Speicherbehälter bzw. dem darin angeordneten thermischen Speichermedium und einem Abnehmer ermöglichen, oder einen Wärmeübertrag zwischen dem Speicherbehälter bzw. dem darin angeordneten thermischen Speichermedium und einer weiteren Wärmequelle oder Wärmespeichereinrichtung wie einem Erdwärmekollektor.The additional heat exchanger can enable heat transfer between the storage container or the thermal storage medium arranged therein and a consumer, or a heat transfer between the storage container or the thermal storage medium arranged therein and another heat source or heat storage device such as a geothermal collector.
Bei einigen Ausführungsformen weist der mindestens eine zusätzliche Wärmetauscher mindestens eine Zu-/Ableitung oder mindestens zwei Zu-/Ableitungen auf.In some embodiments, the at least one additional heat exchanger has at least one inlet/outlet line or at least two inlet/outlet lines.
Die mindestens eine Zu-/Ableitung oder die mindestens zwei Zu-/Ableitungen kann oder können dazu eingerichtet sein, eine obere Oberfläche des thermischen Speichermediums zu durchtreten, wenn das thermische Speichermedium in dem Speicherbehälter angeordnet ist.The at least one inlet/outlet line or the at least two inlet/outlet lines may or may be configured to pass through an upper surface of the thermal storage medium when the thermal storage medium is arranged in the storage container.
Die mindestens eine Zu-/Ableitung oder die mindestens zwei Zu-/Ableitungen kann oder können den Speicherbehälter im oberstem Viertel von dessen Höhenerstreckung durchtreten, insbesondere im obersten Fünftel von dessen Höhenerstreckung oder an dessen Oberseite.The at least one inlet/outlet line or the at least two inlet/outlet lines can or can pass through the storage container in the uppermost quarter of its height extent, in particular in the uppermost fifth of its height extent or at its top.
Entsprechende Ausführungsformen können das Anschließen des Wärmespeicher und -tauschers an andere Komponenten des Systems vereinfachen, insbesondere bei einer Anordnung des Wärmespeicher und -tauschers im Erdreich, bei der beispielsweise das oberste Viertel, das oberste Fünftel oder die Oberseite des Speicherbehälters aus dem Erdreich ragen.Corresponding embodiments can simplify the connection of the heat storage and exchanger to other components of the system, in particular when the heat storage and exchanger is arranged in the ground, in which, for example, the uppermost quarter, the uppermost fifth or the top of the storage container protrude from the ground.
Ein Erdwärmekollektor kann thermisch an den Wärmespeicher und -tauscher gekoppelt sein. Bei einigen solchen Ausführungsformen kann der Erdwärmekollektor räumlich von dem Wärmespeicher und -tauscher getrennt sein, und beispielsweise durch eine Fluidleitung thermisch an den Wärmespeicher und -tauscher gekoppelt sein.A geothermal collector can be thermally coupled to the heat storage and exchanger. In some such embodiments, the geothermal collector may be spatially separated from the heat storage and exchanger and, for example, thermally coupled to the heat storage and exchanger by a fluid line.
Insbesondere kann ein zusätzlicher Wärmetauscher der mindestens einen zusätzlichen Wärmetauscher an den Erdwärmekollektor gekoppelt sein, insbesondere um den Erdwärmekollektor thermisch an den Wärmespeicher und -tauscher zu koppeln.In particular, an additional heat exchanger of the at least one additional heat exchanger can be coupled to the geothermal heat collector, in particular in order to thermally couple the geothermal heat collector to the heat storage and heat exchanger.
Ein Erdwärmekollektor umfasst Wärmeträgerleitungsschleifen, welche üblicherweise im Wesentlichen horizontal im oberflächennahen Erdreich verlaufen, um Wärme zwischen dem angrenzenden Erdreich und einem Wärmeträgermedium auszutauschen. Entsprechend kann durch einen Fluss eines Wärmeträgermediums durch die Wärmeträgerleitungsschleifen in Abhängigkeit der jeweiligen Temperaturen in dem Erdwärmekollektor thermische Energie gespeichert oder diesem entnommen werden.A geothermal collector includes heat transfer line loops, which usually run essentially horizontally in the ground near the surface in order to exchange heat between the adjacent ground and a heat transfer medium. Accordingly, thermal energy can be stored in or taken from the geothermal collector by a flow of a heat transfer medium through the heat transfer line loops depending on the respective temperatures.
Der Erdwärmekollektor kann seitlich zu dem Speicherbehälter angeordnet sein.The geothermal collector can be arranged laterally to the storage container.
Der Speicherbehälter kann eine energiespeichernde Komponente mit hoher Energiespeicherdichte darstellen, welche vergleichsweise reaktionsschnell thermisch aufgeladen bzw. entladen werden kann. Wärmeverluste des Speicherbehälters können die Temperatur des umliegenden Erdreiches erhöhen, welches durch den seitlich angeordneten Erdwärmekollektor ebenfalls als Energiequelle genutzt werden kann. Entsprechend kann ein Isolationserfordernis an den Speicherbehälter vergleichsweise niedrig sein, sodass dieser mit baulich einfachen Maßnahmen hergestellt werden kann. Beispielsweise kann der Speicherbehälter durch eine Begrenzung aus Beton bereitgestellt werden, während im umliegenden Erdreich Wärmeträgerschleifen verlegt werden können.The storage container can represent an energy-storing component with a high energy storage density, which can be thermally charged or discharged relatively quickly. Heat losses from the storage container can increase the temperature of the surrounding soil, which is also used as an energy source by the geothermal collector located on the side can be. Accordingly, an insulation requirement for the storage container can be comparatively low, so that it can be manufactured with structurally simple measures. For example, the storage container can be provided by a concrete boundary, while heat transfer loops can be laid in the surrounding soil.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der Wärmespeicher und -tauscher eine Ventilanordnung, um ein Wärmeträgermedium wahlweise in einer ersten Stellung durch den Speicherbehälter zu führen oder in einer zweiten Stellung den Speicherbehälter und den Erdwärmekollektor hintereinanderzuschalten, wobei ein Steuergerät dazu eingerichtet ist, die Ventilanordnung von der ersten Stellung in die zweite Stellung zu schalten, wenn eine gespeicherte Energiemenge in dem Speicherbehälter oberhalb eines Energieschwellwertes liegt.In preferred embodiments, the heat storage and exchanger comprises a valve arrangement in order to selectively guide a heat transfer medium through the storage container in a first position or to connect the storage container and the geothermal heat collector in series in a second position, with a control device being set up to move the valve arrangement from the first position to switch to the second position when a stored amount of energy in the storage container is above an energy threshold value.
Der Wärmespeicher und -tauscher kann mindestens zwei oder mindestens drei zusätzliche Wärmetauscher aufweisen.The heat storage and exchanger can have at least two or at least three additional heat exchangers.
Die mindestens zwei oder mindestens drei zusätzlichen Wärmetauscher können auf unterschiedlichen Höhen im Speicherbehälter angeordnet sein.The at least two or at least three additional heat exchangers can be arranged at different heights in the storage container.
In entsprechenden Ausführungsformen kann der Wärmespeicher und -tauscher einen Mehrzonenwärmespeicher realisieren. In anderen Worten kann durch die mehreren Wärmetauscher auf unterschiedlichen Höhen beispielsweise Heizwasser und Brauchwasser mit unterschiedlichen Temperaturen bereitgestellt werden.In corresponding embodiments, the heat storage and exchanger can implement a multi-zone heat storage. In other words, the multiple heat exchangers at different heights can be used to provide heating water and service water at different temperatures, for example.
Eine Ausführung als Mehrzonenwärmespeicher kann besonders vorteilhaft sein für eine Speicherung von Wärme, die bei hoher Temperatur bereitgestellt wird, d. h. als Hochtemperatur-Wärmespeicher. Die Ausführung als Mehrzonenwärmespeicher kann es zum Beispiel ermöglichen, im oberen Bereich eine Temperatur von mind. 60°C bereitzustellen, durch die eine Bildung von Legionellen vermieden werden und eine Bereitstellung von Brauchwasser ermöglicht werden kann.A multi-zone heat storage design can be particularly advantageous for storing heat that is provided at high temperatures, i.e. H. as a high-temperature heat storage. The design as a multi-zone heat storage can, for example, make it possible to provide a temperature of at least 60°C in the upper area, which prevents the formation of legionella and enables the provision of service water.
Der Speicherbehälter kann als Eisspeicher eingerichtet sein.The storage container can be set up as an ice storage.
Beispielsweise kann der Speicherbehälter ein Druckausgleichsgefäß aufweisen. Insbesondere kann ein Gasvolumen des Druckausgleichsgefäßes mindestens 8% eines Volumens des Speicherbehälters für das thermische Speichermedium betragen, beispielsweise wenn das thermische Speichermedium im flüssigen Aggregatzustand vorliegt.For example, the storage container can have a pressure compensation vessel. In particular, a gas volume of the pressure compensation vessel can be at least 8% of a volume of the storage container for the thermal storage medium, for example if the thermal storage medium is in the liquid state.
Alternativ oder zusätzlich kann der Wärmespeicher und -tauscher eine Umwälzvorrichtung wie eine Umwälzpumpe und/oder ein Rührwerk aufweisen, die dazu eingerichtet ist, das thermische Speichermedium in dem Speicherbehälter umzuwälzen. Die Umwälzvorrichtung kann in dem thermischen Speicherbehälter angeordnet sein. Die Umwälzvorrichtung kann dazu eingerichtet sein, eine Strömung zu erzeugen, insbesondere im Bereich des Wärmetauschers.Alternatively or additionally, the heat storage and exchanger can have a circulation device such as a circulation pump and/or an agitator, which is set up to circulate the thermal storage medium in the storage container. The circulation device can be arranged in the thermal storage container. The circulation device can be set up to generate a flow, particularly in the area of the heat exchanger.
Der Wärmespeicher und -tauscher kann einen Strömungskanal aufweisen. Der Strömungskanal kann in dem thermischen Speicherbehälter angeordnet sein. Der Strömungskanal kann so angeordnet sein, dass er der durch die Umwälzvorrichtung erzeugten Strömung eine Richtung zum Wärmetauscher hin vorgibt und/oder sie begrenzt. Der Strömungskanal kann zumindest einen Abschnitt der erzeugten Strömung und/oder des Wärmetauschers und/oder der Umwälzvorrichtung umschließen.The heat storage and exchanger can have a flow channel. The flow channel can be arranged in the thermal storage container. The flow channel can be arranged in such a way that it specifies a direction towards the heat exchanger and/or limits the flow generated by the circulation device. The flow channel can enclose at least a portion of the generated flow and/or the heat exchanger and/or the circulation device.
Der Strömungskanal kann ein erstes Rohr, beispielsweise ein äußeres Rohr, aufweisen.The flow channel can have a first tube, for example an outer tube.
Das erste Rohr kann einen Abschnitt des Wärmetauschers und/oder einen Abschnitt der erzeugten Strömung und/oder der Umwälzvorrichtung umschließen; insbesondere, um die erzeugte Strömung nach außen zu begrenzen und/oder ihr die Richtung zum Wärmetauscher hin vorzugeben. Das erste Rohr kann zumindest einen Abschnitt der erzeugten Strömung und/oder des Wärmetauschers und/oder der Umwälzvorrichtung umschließen. Das erste Rohr kann mit dem Doppelrohrwärmetauscher konzentrisch sein.The first tube may enclose a portion of the heat exchanger and/or a portion of the generated flow and/or the circulation device; in particular to limit the flow generated to the outside and/or to specify the direction towards the heat exchanger. The first tube can enclose at least a portion of the generated flow and/or the heat exchanger and/or the circulation device. The first tube may be concentric with the double tube heat exchanger.
Der Strömungskanal kann ein zweites Rohr, z. B. ein inneres Rohr, aufweisen. Das zweite Rohr kann die erzeugte Strömung nach innen begrenzen, insbesondere, um ihr die Richtung zum Wärmetauscher hin vorzugeben. Das zweite Rohr kann von zumindest einem Abschnitt der erzeugten Strömung und/oder des Wärmetauschers umschlossen sein. Das zweite Rohr kann mit dem Wärmetauscher und/oder mit dem ersten Rohr konzentrisch sein.The flow channel can be a second pipe, e.g. B. have an inner tube. The second tube can limit the flow generated inwards, in particular in order to specify the direction towards the heat exchanger. The second tube can be enclosed by at least a portion of the flow generated and/or the heat exchanger. The second tube may be concentric with the heat exchanger and/or with the first tube.
Ausführungsformen für die Nutzung als Eisspeicher, z. B. mit Druckausgleichsgefäß, Umwälzpumpe und/oder Rührwerk, können in besonders vorteilhafter Weise zur Speicherung von thermischer Energie oder Wärme bei niedriger Temperatur verwendet werden, d. h. als Niedrigtemperatur-Wärmespeicher. Entsprechende Ausführungsformen können das Speichervermögen des Wärmespeicher und -tauschers unter Ausnutzung der latenten Wärme beim Phasenübergang des thermischen Speichermediums vom flüssigen Aggregatzustand zum Eis weiter vergrößern. Insbesondere kann das Speichervermögen für Kälte durch das Eis vergrö-ßert werden. Des Weiteren kann der Speicherbehälter im Erdboden angeordnet werden, ohne dass eine Gefahr besteht, dass der Speicherbehälter bei Frost bzw. Eisbildung durch eine Volumenänderung des thermischen Speichermediums beschädigt wird.Embodiments for use as ice storage, e.g. B. with a pressure compensation vessel, circulation pump and / or agitator, can be used in a particularly advantageous manner for storing thermal energy or heat at low temperatures, ie as a low-temperature heat storage. Corresponding embodiments can further increase the storage capacity of the heat storage and exchanger by utilizing the latent heat during the phase transition of the thermal storage medium from the liquid state of aggregation to ice. In particular, ice can increase the storage capacity for cold. be ßert. Furthermore, the storage container can be arranged in the ground without there being a risk that the storage container will be damaged by a change in volume of the thermal storage medium in the event of frost or ice formation.
Der Speicherbehälter kann einen oberen Mantelbereich und einen unteren Mantelbereich aufweisen.The storage container may have an upper jacket area and a lower jacket area.
Der obere Mantelbereich kann eine stärkere thermische Isolierung zwischen Innenseite und Außenseite des Speicherbehälters aufweisen als der untere Mantelbereich.The upper jacket area can have stronger thermal insulation between the inside and outside of the storage container than the lower jacket area.
Entsprechende Ausführungsformen können es ermöglichen, den unteren Bereich des Speicherbehälters thermisch an eine Umgebung des Speicherbehälters, insbesondere an das umgebende Erdreich, zu koppeln, während der obere Bereich des Speicherbehälters thermisch isoliert ist. Insbesondere, wenn der Wärmespeicher als Mehrzonenwärmespeicher ausgelegt ist, kann dadurch die Speicherkapazität bei einer niedrigeren Temperatur, die mit dem unteren Bereich des Speicherbehälters assoziiert ist, vergrößert werden, beispielsweise für Heizwasser. Gleichzeitig kann eine höhere Temperatur, die mit dem oberen Bereich assoziiert ist, hoch gehalten werden, beispielsweise für Brauchwasser. Somit können entsprechende Ausführungsformen besonders vorteilhaft sein für die Nutzung als Hochtemperatur-Wärmespeicher.Corresponding embodiments can make it possible to thermally couple the lower region of the storage container to an environment of the storage container, in particular to the surrounding soil, while the upper region of the storage container is thermally insulated. In particular, if the heat storage is designed as a multi-zone heat storage, the storage capacity can be increased at a lower temperature, which is associated with the lower region of the storage container, for example for heating water. At the same time, a higher temperature associated with the upper region can be kept high, for example for domestic water. Corresponding embodiments can therefore be particularly advantageous for use as high-temperature heat storage.
Bei einigen Ausführungsformen weist der obere Mantelbereich eine Höhe auf, die zumindest eine Hälfte einer Höhe des Speicherbehälters beträgt.In some embodiments, the upper shell portion has a height that is at least half a height of the storage container.
Bei einigen Ausführungen weist der untere Mantelbereich eine Höhe auf, die zumindest ein Fünftel der Höhe des Speicherbehälters beträgt.In some embodiments, the lower jacket area has a height that is at least one fifth of the height of the storage container.
Bei einigen Ausführungsformen ist das thermische Speichermedium in dem Speicherbehälter angeordnet, und das thermische Speichermedium weist einen Gefrierpunkt von höchstens -1°C oder von höchstens -2°C auf, insbesondere bei Ausführungsformen zur Nutzung als Niedertemperatur-Wärmespeicher.In some embodiments, the thermal storage medium is arranged in the storage container, and the thermal storage medium has a freezing point of at most -1 ° C or at most -2 ° C, in particular in embodiments for use as a low-temperature heat storage.
Bei entsprechenden Ausführungsformen kann sichergestellt werden, dass bei einem Absinken der Temperatur unter 0° zunächst Wasser in einer Umgebung des Speicherbehälters, insbesondere im den Speicherbehälter umgebenden Erdreich, gefriert, bevor das thermische Speichermedium gefriert. Somit kann latente Wärme des Wassers in der Umgebung, insbesondere im Erdreich, genutzt werden, um die thermische Speicherkapazität des Wärmespeicher und -tauschers weiter zu vergrößern. Zudem kann die Gefahr reduziert werden, dass der Speicherbehälter bei Frost bzw. Eisbildung durch eine Volumenänderung des thermischen Speichermediums beschädigt wird, insbesondere bei Temperaturen knapp unter dem Gefrierpunkt. Indem das thermische Speichermedium in seinem flüssigen Aggregatszustand gehalten wird, kann zudem die Wärmeleitfähigkeit des thermischen Speichermediums und/oder das Übertragen von Wärme zwischen dem thermischen Speichermedium und dem Wärmetauscher (z. B. durch Konvektion) verbessert werden.In corresponding embodiments, it can be ensured that when the temperature drops below 0°, water first freezes in an area surrounding the storage container, in particular in the soil surrounding the storage container, before the thermal storage medium freezes. Latent heat of the water in the environment, especially in the ground, can therefore be used to further increase the thermal storage capacity of the heat storage and exchanger. In addition, the risk of the storage container being damaged in the event of frost or ice formation due to a change in volume of the thermal storage medium can be reduced, especially at temperatures just below freezing point. By keeping the thermal storage medium in its liquid state, the thermal conductivity of the thermal storage medium and/or the transfer of heat between the thermal storage medium and the heat exchanger (e.g. by convection) can also be improved.
In dem Druckausgleichsgefäß kann eine Ausdehnungsflüssigkeit angeordnet sein.An expansion fluid can be arranged in the pressure compensation vessel.
Die Ausdehnungsflüssigkeit kann einen Gefrierpunkt aufweisen, der niedriger ist als der Gefrierpunkt des thermischen Speichermediums.The expansion fluid may have a freezing point that is lower than the freezing point of the thermal storage medium.
Bei entsprechenden Ausführungsformen kann sichergestellt werden, dass sich die Ausdehnungsflüssigkeit beim Gefrieren (oder Schmelzen) des thermischen Speichermediums im flüssigen Aggregatzustand befindet und das Druckausgleichsgefäß somit die Volumenänderung beim Gefrieren (oder Schmelzen) des thermischen Speichermediums kompensieren kann.In corresponding embodiments, it can be ensured that the expansion liquid is in the liquid state when the thermal storage medium freezes (or melts) and the pressure compensation vessel can thus compensate for the change in volume when the thermal storage medium freezes (or melts).
Die Modifikationen, die als besonders vorteilhaft für den Hochtemperatur-Wärmespeicher beschrieben sind, und diejenigen, die als besonders vorteilhaft für den Niedertemperatur-Wärmespeicher beschrieben sind, können an getrennten Wärmespeicher und -tauschern ausgebildet sein, oder an demselben Wärmespeicher und -tauscher. Typischerweise können für ein System mehrere Wärmespeicher und -tauscher bereitgestellt werden, von denen einer für den Einsatz als Hochtemperatur-Wärmespeicher und einer als Niedertemperatur-Wärmespeicher optimiert sein kann. Dies ermöglicht die Optimierung der Wärmespeicher und -tauscher mit Hinblick auf ihre jeweilige Anwendung. Es kann (beispielsweise zwecks Kostenersparnis bei der Entwicklung aber auch) ein einziges Modell Wärmespeicher und -tauscher bereitgestellt werden, das sowohl für den Einsatz als Hochtemperatur-Wärmespeicher als auch als Niedertemperatur-Wärmespeicher eingerichtet ist.The modifications that are described as particularly advantageous for the high-temperature heat storage and those that are described as particularly advantageous for the low-temperature heat storage can be formed on separate heat storage and exchangers, or on the same heat storage and exchanger. Typically, multiple heat storage and exchangers can be provided for a system, one of which can be optimized for use as a high-temperature heat storage and one as a low-temperature heat storage. This enables the optimization of heat storage and exchangers with regard to their respective application. A single model of heat storage and exchanger can be provided (for example in order to save costs during development), which is set up for use both as a high-temperature heat storage and as a low-temperature heat storage.
Ein zweiter Abschnitt des Wärmetauschers kann eine thermische Isolierung gegenüber dem thermischen Speichermedium aufweisen.A second section of the heat exchanger can have thermal insulation from the thermal storage medium.
Indem der zweite Abschnitt des Wärmetauschers thermisch gegen das thermische Speichermedium isoliert ist, kann er eine stärkere thermische Kopplung zwischen der ersten Fluidleitung und der zweiten Fluidleitung bereitstellen als zwischen dem thermischen Speichermedium und irgendeiner der beiden Fluidleitungen. Somit können die Temperaturen von Fluiden in den beiden Fluidleitungen an einem Ende des zweiten Abschnittes stärker aneinander angeglichen sein als jeweils an die Temperatur des thermischen Speichermediums.By being thermally insulated from the thermal storage medium, the second portion of the heat exchanger can provide a stronger thermal coupling between the first fluid line and the second fluid line than between the thermal storage medium and either one both fluid lines. The temperatures of fluids in the two fluid lines at one end of the second section can therefore be more closely aligned with one another than with the temperature of the thermal storage medium.
Beispielsweise kann eine der Fluidleitungen mit einer zu kühlenden Solaranlage gekoppelt sein, und die andere Fluidleitung an eine kalte Seite einer Wärmepumpe, und der zweite Abschnitt kann es ermöglichen, dass die Temperatur des kühlenden Fluids für die Solaranlage unter die Temperatur des thermischen Speichermediums gesenkt wird.For example, one of the fluid lines may be coupled to a solar system to be cooled, and the other fluid line to a cold side of a heat pump, and the second section may allow the temperature of the cooling fluid for the solar system to be reduced below the temperature of the thermal storage medium.
Der zweite Abschnitt kann an einem Endbereich des Wärmetauschers angeordnet sein.The second section can be arranged at an end region of the heat exchanger.
Der zweite Abschnitt kann insbesondere an einem Endbereich des Wärmetauschers angeordnet sein, aus dem die erste Fluidleitung zu einer Wärmepumpe führt. Durch den entsprechenden zweiten Abschnitt kann das Fluid in der ersten Fluidleitung, bevor es zu der Wärmepumpe geführt wird, stärker erwärmt (oder abgekühlt) werden, als dies sonst (d. h. ohne den entsprechenden zweiten Abschnitt) in dem Wärmespeicher und -tauscher der Fall wäre. Beispielsweise kann die erste Fuidleitung von dem Endbereich des Wärmetauschers zu der kalten Seite der Wärmepumpe führen, und die Temperatur der ersten Fluidleitung (oder des Fluids darin) in dem Endbereich an die Temperatur der zweiten Fluidleitung (oder des Fluids darin) angenähert werden, wobei z. B. die zweite Fluidleitung von einer Solaranlage kommt und eine Temperatur aufweist, die diejenige des thermischen Speichermediums übersteigt.The second section can in particular be arranged at an end region of the heat exchanger, from which the first fluid line leads to a heat pump. The corresponding second section allows the fluid in the first fluid line to be heated (or cooled) to a greater extent than would otherwise be the case (i.e. without the corresponding second section) in the heat storage and exchanger before it is led to the heat pump. For example, the first fluid line can lead from the end region of the heat exchanger to the cold side of the heat pump, and the temperature of the first fluid line (or the fluid therein) in the end region can be approximated to the temperature of the second fluid line (or the fluid therein), e.g . B. the second fluid line comes from a solar system and has a temperature that exceeds that of the thermal storage medium.
Indem das Fluid in der ersten Fluidleitung, bevor es zu der kalten Seite der Wärmepumpe geführt wird, stärker erwärmt (oder, bevor es zu der warmen Seite der Wärmepumpe geführt wird, stärker abgekühlt) werden kann, kann eine Temperaturdifferenz zwischen den Fluiden, die an der warmen bzw. kalten Seite der Wärmepumpe ankommen, d. h. zwischen der ersten Fluidleitung und der zweiten Fluidleitung (oder der Fluide darin) an der Wärmepumpe, minimiert werden. Dadurch kann die Effizienz der Wärmepumpe verbessert werden.By allowing the fluid in the first fluid line to be heated to a greater extent before it is led to the cold side of the heat pump (or to be cooled to a greater extent before it is led to the warm side of the heat pump), a temperature difference between the fluids can be maintained arrive on the warm or cold side of the heat pump, i.e. H. between the first fluid line and the second fluid line (or the fluids therein) on the heat pump, can be minimized. This can improve the efficiency of the heat pump.
Ein Abschnitt der ersten Fluidleitung kann einen thermischen Kontakt (z. B. einen direkten Kontakt) zu dem thermischen Speichermedium aufweisen, um Wärme zwischen dem Abschnitt der ersten Fluidleitung und dem thermischen Speichermedium zu übertragen. Alternativ oder zusätzlich kann der Abschnitt der ersten Fluidleitung in einem Bereich des Speicherbehälters für das thermische Speichermedium angeordnet sein, insbesondere in einem obersten Abschnitt des Bereichs des Speicherbehälters für das thermische Speichermedium.A portion of the first fluid line may have thermal contact (e.g., direct contact) with the thermal storage medium to transfer heat between the portion of the first fluid line and the thermal storage medium. Alternatively or additionally, the section of the first fluid line can be arranged in a region of the storage container for the thermal storage medium, in particular in an uppermost section of the region of the storage container for the thermal storage medium.
Der thermische Kontakt des Abschnitts der ersten Fluidleitung zu dem thermischen Speichermedium kann einen thermischen Kontakt des Abschnitts der ersten Fluidleitung zu der zweiten Fluidleitung überwiegen, beispielsweise dem Betrage nach oder um einen Faktor 2 oder 3 oder 5, beispielsweise hinsichtlich der betreffenden Wärmeleitfähigkeiten. In anderen Worten kann der Abschnitt der ersten Fluidleitung thermisch isoliert sein von der zweiten Fluidleitung.The thermal contact of the section of the first fluid line to the thermal storage medium can outweigh a thermal contact of the section of the first fluid line to the second fluid line, for example in amount or by a factor of 2 or 3 or 5, for example with regard to the relevant thermal conductivities. In other words, the section of the first fluid line can be thermally insulated from the second fluid line.
Insbesondere kann ein Wärmespeicher und -tauscher zur Verwendung als Hochtemperatur-Wärmespeicher einen entsprechenden Abschnitt der ersten Fluidleitung aufweisen.In particular, a heat storage and exchanger for use as a high-temperature heat storage can have a corresponding section of the first fluid line.
Entsprechende Ausführungsformen können besonders vorteilhaft den Eintrag von Wärme aus der ersten Fluidleitung direkt in das thermische Speichermedium begünstigen. Dies kann insbesondere für einen Mehrzonenwärmespeicher oder für einen Hochtemperatur-Wärmespeicher vorteilhaft sein, beispielsweise wenn die erste Fluidleitung von einer warmen Seite einer Wärmepumpe kommend dazu eingerichtet ist, die Wärme von der Wärmepumpe (d. h. von ihrer warmen Seite) in den Mehrzonenwärmespeicher oder den Hochtemperatur-Wärmespeicher einzubringen. Beispielsweise kann der entsprechende Abschnitt der ersten Fluidleitung unmittelbar nach dem Eintritt der ersten Fluidleitung in den Speicherbehälter im obersten Bereich des Speicherbehälters angeordnet sein. Somit kann das durch die erste Fluidleitung von der Wärmepumpe kommende Fluid direkt nach dem Eintritt in den Speicherbehälter, also bei seiner höchstmöglichen Temperatur, Wärme an den obersten Bereich des Speicherbehälters abgeben. Dadurch kann die Temperatur (z. B. des thermischen Speichermediums) im obersten Bereich des Speicherbehälters effektiv maximiert und somit eine Brauchwasserversorgung bei hoher Temperatur sichergestellt werden.Corresponding embodiments can particularly advantageously promote the entry of heat from the first fluid line directly into the thermal storage medium. This can be particularly advantageous for a multi-zone heat storage or for a high-temperature heat storage, for example if the first fluid line coming from a warm side of a heat pump is set up to transfer the heat from the heat pump (i.e. from its warm side) into the multi-zone heat storage or the high-temperature to introduce heat storage. For example, the corresponding section of the first fluid line can be arranged in the uppermost region of the storage container immediately after the first fluid line enters the storage container. Thus, the fluid coming from the heat pump through the first fluid line can release heat to the uppermost region of the storage container immediately after entering the storage container, i.e. at its highest possible temperature. This allows the temperature (e.g. of the thermal storage medium) in the uppermost area of the storage container to be effectively maximized, thus ensuring a supply of domestic water at a high temperature.
Der Abschnitt der ersten Fluidleitung kann zumindest teilweise in dem thermischen Speicherbehälter angeordnet sein.The section of the first fluid line can be at least partially arranged in the thermal storage container.
Der Abschnitt der ersten Fluidleitung kann an einem Endbereich des Wärmetauschers angeordnet sein, sich insbesondere direkt an den Endbereich des Wärmetauschers anschlie-ßen.The section of the first fluid line can be arranged at an end region of the heat exchanger, in particular directly adjoining the end region of the heat exchanger.
Der Speicherbehälter kann ein geschlossenes Gefäß für das thermische Speichermedium bilden. Alternativ oder zusätzlich kann der Speicherbehälter dazu eingerichtet sein, ein flüssiges thermisches Speichermedium aufzunehmen.The storage container can form a closed vessel for the thermal storage medium. Alternatively or additionally, the storage container can be set up to hold a liquid thermal storage medium.
Entsprechende Ausführungsformen können sicherstellen, dass das thermische Speichermedium in dem Speicherbehälter gehalten und somit die in dem thermischen Speichermedium vorhandene Wärme gespeichert werden kann, beispielsweise, um langfristige oder jahreszeitliche Schwankungen im Energiebedarf und/oder -angebot auszugleichen.Corresponding embodiments can ensure that the thermal storage medium is held in the storage container and thus the in Heat present in the thermal storage medium can be stored, for example to compensate for long-term or seasonal fluctuations in energy demand and/or supply.
Das thermische Speichermedium kann in dem Speicherbehälter angeordnet sein. Das thermische Speichermedium kann dazu eingerichtet sein, ein Elektrolyt für eine elektrochemische Zelle bereitzustellen. Der Wärmespeicher und -tauscher kann dazu eingerichtet sein, das thermische Speichermedium der elektrochemischen Zelle fluidgekoppelt bereitzustellen.The thermal storage medium can be arranged in the storage container. The thermal storage medium can be designed to provide an electrolyte for an electrochemical cell. The heat storage and exchanger can be set up to provide the thermal storage medium of the electrochemical cell in a fluid-coupled manner.
Ein zweiter Aspekt betrifft eine Verwendung des oben beschriebenen Wärmespeicher und -tauschers als unterirdischer Wärmespeicher.A second aspect relates to the use of the heat storage and exchanger described above as an underground heat storage.
Der zweite Aspekt kann die Verwendung des oben beschriebenen Wärmespeicher und -tauschers als unterirdischer Wärmespeicher zum Kühlen einer Photovoltaikanlage umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Aspekt die Verwendung des oben beschriebenen Wärmespeicher und -tauschers als unterirdischer Wärmespeicher zum Aufnehmen von Wärme während eines Verdampfungsprozesses eines Kühlmittels einer Wärmepumpe umfassen.The second aspect may include the use of the heat storage and exchanger described above as an underground heat storage for cooling a photovoltaic system. Alternatively or additionally, the second aspect may include the use of the heat storage and exchanger described above as an underground heat storage for absorbing heat during an evaporation process of a coolant of a heat pump.
Der zweite Aspekt kann die Verwendung des oben beschriebenen Wärmespeicher und -tauschers als unterirdischer Wärmespeicher zum Speichern von Kondensationswärme eines Kältemittels einer Wärmepumpe umfassen.The second aspect may include the use of the heat storage and exchanger described above as an underground heat storage for storing condensation heat of a refrigerant of a heat pump.
Ein dritter Aspekt betrifft eine Verwendung des oben beschriebenen Wärmespeicher und -tauschers als Gegenstromwärmetauscher.A third aspect relates to the use of the heat storage and exchanger described above as a countercurrent heat exchanger.
Der Gegenstromwärmetauscher kann insbesondere zum Wärmeaustausch zwischen einem Kältemittel einer Wärmepumpe und einem flüssigen Wärmeleitmedium verwendet werden, wobei das flüssige Wärmeleitmedium die erste oder die zweite Fluidleitung thermisch mit einer Photovoltaikanlage koppelt.The countercurrent heat exchanger can be used in particular for heat exchange between a coolant of a heat pump and a liquid heat-conducting medium, wherein the liquid heat-conducting medium thermally couples the first or second fluid line to a photovoltaic system.
Gemäß einem vierten Aspekt weist ein System einen Wärmespeicher und -tauscher wie oben beschrieben auf, und mindestens ein Steuergerät. Das mindestens eine Steuergerät ist dazu eingerichtet, einen Fluidstrom durch die erste Fluidleitung in Abhängigkeit von einem ersten Parameter zu steuern, wobei der erste Parameter mit einer Verfügbarkeit von elektrischer Leistung verknüpft ist.According to a fourth aspect, a system has a heat storage and exchanger as described above, and at least one control device. The at least one control device is set up to control a fluid flow through the first fluid line as a function of a first parameter, the first parameter being linked to the availability of electrical power.
Das mindestens eine Steuergerät kann dazu eingerichtet sein, ein Steuersignal für eine Wärmepumpe in Abhängigkeit von dem ersten Parameter auszugeben.The at least one control device can be set up to output a control signal for a heat pump depending on the first parameter.
Entsprechende Ausführungsformen können den Betrieb der Wärmepumpe bei hoher Verfügbarkeit von elektrischer Leistung ermöglichen, beispielsweise wenn eine photovoltaische Anlage eine hohe elektrischer Leistung, beispielsweise gemessen an ihre Spitzenleistung, produziert, oder wenn die photovoltaische Anlage einen Überschuss an elektrischer Leistung produziert, beispielsweise gegenüber einem Verbrauch, der mit einem Gebäude assoziiert ist. In dieser Situation kann die hohe bzw. überschüssige elektrische Leistung mittels der Wärmepumpe als thermische Energie in den Wärmespeicher und -tauscher eingespeichert werden, um für Zeiten geringer Verfügbarkeit von Wärme bzw. Energie zur Verfügung zu stehen. Somit kann ein Bedarf nach Wärme bzw. Energie in Zeiten geringer Verfügbarkeit gedeckt werden, ohne auf eine zusätzliche (beispielsweise teure oder begrenzt verfügbare) Energiequelle, wie beispielsweise Erdgas, zurückgreifen zu müssen. Insbesondere kann die thermische Energie bei einer geringen Temperatur gespeichert werden, und die Temperatur kann zu einem späteren Zeitpunkt mithilfe einer Wärmepumpe auf ein angefordertes Temperaturniveau angehoben werden. Durch die geringe Speichertemperatur kann Wärme bei entsprechend geringer Temperatur (z. B. aus Photothermie bei sonst ungünstigen Bedingungen) nutzbar gemacht werden. Zudem können Verluste bei der Speicherung reduziert werden.Corresponding embodiments can enable the operation of the heat pump with high availability of electrical power, for example when a photovoltaic system produces a high electrical power, for example measured in relation to its peak power, or when the photovoltaic system produces an excess of electrical power, for example compared to consumption, that is associated with a building. In this situation, the high or excess electrical power can be stored as thermal energy in the heat storage and exchanger using the heat pump in order to be available for times when heat or energy availability is low. This means that a need for heat or energy can be met in times of low availability without having to resort to an additional (for example expensive or limitedly available) energy source, such as natural gas. In particular, the thermal energy can be stored at a low temperature and the temperature can be raised to a requested temperature level at a later time using a heat pump. Due to the low storage temperature, heat can be used at a correspondingly low temperature (e.g. from photothermal energy under otherwise unfavorable conditions). In addition, losses during storage can be reduced.
Der Wärmetauscher kann einen Doppelrohrwärmetauscher aufweisen.The heat exchanger can have a double-tube heat exchanger.
Die erste Fluidleitung kann ein inneres Rohr des Doppelrohrwärmetauschers umfassen.The first fluid line may include an inner tube of the double-tube heat exchanger.
Die erste Fluidleitung kann dazu eingerichtet sein, an die Wärmepumpe gekoppelt zu werden, insbesondere kann die erste Fluidleitung an die Wärmepumpe gekoppelt sein.The first fluid line can be designed to be coupled to the heat pump, in particular the first fluid line can be coupled to the heat pump.
Der erste Parameter kann mit einer elektrischen Leistung verknüpft sein, die von einer photovoltaischen Anlage bereitgestellt wird.The first parameter can be linked to an electrical power provided by a photovoltaic system.
Das mindestens eine Steuergerät kann mindestens ein elektrisches Steuergerät aufweisen oder sein, insbesondere mindestens ein elektrisches Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, elektrische Steuersignale zu empfangen und/oder auszugeben.The at least one control device can have or be at least one electrical control device, in particular at least one electrical control device, which is designed to receive and/or output electrical control signals.
Bei einigen Ausführungsformen ist das mindestens eine Steuergerät ein rein elektrisches Steuergerät, insbesondere ohne eine mechanische Vorrichtung wie ein Ventil oder eine Pumpe.In some embodiments, the at least one control device is a purely electrical control device, in particular without a mechanical device such as a valve or a pump.
Bei anderen Ausführungsformen weist das mindestens eine Steuergerät mindestens eine mechanische Vorrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, einen Fluidstrom zu steuern, wie beispielsweise ein Ventil oder eine Pumpe. Insbesondere kann das mindestens eine Steuergerät mehrere oder sämtliche mechanische Vorrichtungen zum Steuern des Fluidstroms umfassen.In other embodiments, the at least one control device has at least one mechanical device that is configured to control a fluid flow, such as a valve or a pump. In particular, the at least one control device can include several or all mechanical devices for controlling the fluid flow.
Das mindestens eine Steuergerät kann weiterhin dazu eingerichtet sein, einen Fluidstrom durch die zweite Fluidleitung in Abhängigkeit von einem zweiten Parameter zu steuern.The at least one control device can further be set up to control a fluid flow through the second fluid line depending on a second parameter.
Der zweite Parameter kann mit einer ersten Temperaturdifferenz verknüpft sein.The second parameter can be linked to a first temperature difference.
Bei entsprechenden Ausführungsformen kann das Steuergerät ein Temperieren (d. h. Heizen oder Kühlen) einer Komponente ermöglichen, die an die zweite Fluidleitung angeschlossen ist. Hierfür kann der Fluidstrom durch die zweite Fluidleitung eingeschaltet werden, wenn der zweite Parameter eine Temperatur oder eine Temperaturdifferenz innerhalb eines für das Temperieren geeigneten Sollbereichs anzeigt. Der Fluidstrom durch die zweite Fluidleitung kann abgeschaltet werden, wenn der zweite Parameter außerhalb des Sollbereichs liegt. Bei der zu temperierenden Komponente kann es sich um eine Solaranlage handeln.In corresponding embodiments, the control device can enable temperature control (i.e. heating or cooling) of a component that is connected to the second fluid line. For this purpose, the fluid flow through the second fluid line can be switched on when the second parameter indicates a temperature or a temperature difference within a target range suitable for temperature control. The fluid flow through the second fluid line can be switched off if the second parameter is outside the target range. The component to be tempered can be a solar system.
Im Kontext dieser Beschreibung kann eine Solaranlage eine photovoltaische Anlage und/oder eine photothermische Anlage aufweisen. Insbesondere kann eine Solaranlage eine kombinierte Solar- und photothermische Anlage aufweisen.In the context of this description, a solar system can have a photovoltaic system and/or a photothermal system. In particular, a solar system can have a combined solar and photothermal system.
Eine erste Temperatur der ersten Temperaturdifferenz kann mit dem Speicherbehälter und/oder dem thermischen Speichermedium verknüpft sein.A first temperature of the first temperature difference can be linked to the storage container and/or the thermal storage medium.
Eine zweite Temperatur der ersten Temperaturdifferenz kann mit einer Solaranlage verknüpft sein und/oder mit einem Gerät verknüpft sein, dass thermisch an die zweite Fluidleitung gekoppelt ist. Insbesondere kann die Solaranlage die photovoltaische Anlage umfassen.A second temperature of the first temperature difference can be linked to a solar system and/or linked to a device that is thermally coupled to the second fluid line. In particular, the solar system can include the photovoltaic system.
Das System kann dazu eingerichtet sein, den Speicherbehälter und/oder das thermische Speichermedium wahlweise an einen Erdwärmekollektor zu koppeln.The system can be set up to selectively couple the storage container and/or the thermal storage medium to a geothermal collector.
Die wahlweise Kopplung kann sich auf eine Kopplung beziehen, deren Kopplungsstärke, insbesondere thermische Kopplungsstärke, steuerbar ist, insbesondere durch Steuern eines Fluidstroms, beispielsweise mittels einer Pumpe oder eines Ventils.The optional coupling may refer to a coupling whose coupling strength, in particular thermal coupling strength, is controllable, in particular by controlling a fluid flow, for example by means of a pump or a valve.
Das mindestens eine Steuergerät kann dazu eingerichtet sein, den Speicherbehälter und/oder das thermische Speichermedium in Abhängigkeit von einem dritten Parameter wahlweise an den Erdwärmekollektor zu koppeln.The at least one control device can be set up to selectively couple the storage container and/or the thermal storage medium to the geothermal collector depending on a third parameter.
Der dritte Parameter kann mit einer zweiten Temperaturdifferenz verknüpft sein.The third parameter can be linked to a second temperature difference.
Eine erste Temperatur der zweiten Temperaturdifferenz kann mit dem Speicherbehälter und/oder dem thermischen Speichermedium verknüpft sein.A first temperature of the second temperature difference can be linked to the storage container and/or the thermal storage medium.
Eine zweite Temperatur der zweiten Temperaturdifferenz kann mit dem Erdwärmekollektor verknüpft sein.A second temperature of the second temperature difference can be linked to the geothermal collector.
Entsprechende Ausführungsformen können es ermöglichen, Wärme aus dem Speicherbehälter bzw. dem thermischen Speichermedium wahlweise in den Erdwärmekollektor zu übertragen oder aus diesem zu entnehmen. Somit kann der Erdwärmekollektor einerseits als Erweiterung des Wärmespeichers verwendet werden. Andererseits kann, gerade bei einer Änderung, insbesondere einem Anstieg, der Außentemperatur die dadurch zur Verfügung stehende Wärme mittels dem Erdwärmekollektor in den Speicherbehälter bzw. das thermische Speichermedium eingebracht und somit genutzt werden.Corresponding embodiments can make it possible to either transfer heat from the storage container or the thermal storage medium into the geothermal heat collector or to remove it from it. On the one hand, the geothermal collector can be used as an extension of the heat storage. On the other hand, especially in the event of a change, in particular an increase, in the outside temperature, the resulting heat available can be introduced into the storage container or the thermal storage medium by means of the geothermal heat collector and thus used.
Das System kann weiterhin einen zweiten Wärmespeicher und -tauscher aufweisen. Der zweite Wärmespeicher und -tauscher kann eine erste Fluidleitung, eine zweite Fluidleitung und einen Speicherbehälter aufweisen. Der Speicherbehälter kann dazu eingerichtet sein, ein thermisches Speichermedium aufzunehmen.The system can also have a second heat storage and exchanger. The second heat storage and exchanger may have a first fluid line, a second fluid line and a storage container. The storage container can be designed to hold a thermal storage medium.
Der zweite Wärmespeicher und -tauscher kann dazu eingerichtet sein, ein Übertragen von Wärme zwischen der ersten Fluidleitung und dem thermischen Speichermedium sowie zwischen der zweiten Fluidleitung und dem thermischen Speichermedium zu ermöglichen.The second heat storage and exchanger can be designed to enable heat to be transferred between the first fluid line and the thermal storage medium and between the second fluid line and the thermal storage medium.
Das mindestens eine Steuergerät kann dazu eingerichtet sein, einen Fluidstrom durch die erste Fluidleitung des zweiten Wärmespeicher und -tauschers gemeinsam mit dem Fluidstrom durch die erste Fluidleitung des Wärmespeicher und -tauschers zu steuern.The at least one control device can be set up to control a fluid flow through the first fluid line of the second heat storage and exchanger together with the fluid flow through the first fluid line of the heat storage and exchanger.
Entsprechende Ausführungsformen können ein optimiertes System zur langfristigen Speicherung von Wärme bzw. Kälte in Kombination mit einer Wärmepumpe bereitstellen. Hierfür kann die erste Fluidleitung des Wärmespeicher und -tauschers an die eine, z. B. kalte, Seite der Wärmepumpe gekoppelt werden, und die erste Fluidleitung des zweiten Wärmespeicher und -tausches an die zweite, zum Beispiel warme, Seite der Wärmepumpe gekoppelt werden.Corresponding embodiments can provide an optimized system for long-term storage of heat or cold in combination with a heat pump. For this purpose, the first fluid line of the heat storage and exchanger can be connected to one, e.g. B. cold, side of the heat pump can be coupled, and the first fluid line of the second heat storage and exchanger can be coupled to the second, for example warm, side of the heat pump.
Wärmepumpensysteme erzeugen bei der Wärmegewinnung die gleiche Menge an Kälteenergie. Wärmepumpensysteme erzeugen bei einer Nutzung als Kühlsystem, also bei der Gewinnung von Kälte, die gleiche Menge an Wärmeenergie. Bei konventioneller Wärmegewinnung (konventioneller Nutzung als Klimaanlagensystem) wird die Kälteenergie (Wärmeenergie) als Abfallprodukt an die Umwelt z.B. Luft oder Grundwasser abgegeben.Heat pump systems generate the same amount of cold energy when generating heat. Heat pump systems produce a groove As a cooling system, i.e. when producing cold, the same amount of heat energy is used. With conventional heat generation (conventional use as an air conditioning system), the cold energy (heat energy) is released into the environment as a waste product, e.g. air or groundwater.
Dabei benötigen viele Gebäude neben der Wärmegewinnung, z. B. für Heizung oder Brauchwasser, auch ein Kühlsystem, z. B. für die Klimaanlage/Gebäudekühlung oder als Photovoltaikkühlung. Oft fällt der Bedarf an Wärme (z. B. im Winter) und Kälte (z. B. zum Kühlen im Sommer) jedoch zeitlich (z. B. jahreszeitlich) auseinander. Durch Verwendung der zwei Wärmespeicher und -tauscher und ihre Kombination in dem System wird die Kälte bei der Wärmegewinnung (bzw. die Wärme bei der Nutzung als Kühlsystem) gespeichert und für eine bedarfsgemäße Nutzung bereitgestellt.In addition to heat generation, many buildings need, e.g. B. for heating or service water, also a cooling system, e.g. B. for air conditioning/building cooling or as photovoltaic cooling. However, the need for heat (e.g. in winter) and cold (e.g. for cooling in summer) often differs in time (e.g. seasonally). By using the two heat storage and exchangers and combining them in the system, the cold is stored during heat generation (or the heat when used as a cooling system) and made available for use as needed.
Durch die Nutzung der Kälteenergie bei der Wärmegewinnung und der Wärmeenergie bei der Nutzung als Kühlsystem kann die Energieeffizienz gegenüber der konventionellen Lösung verdoppelt werden. Diese Doppelnutzung kann sowohl lokal, durch geeignete Speichermedien als auch quartiersbezogen durch die Einleitung in Wärme- und Kältenetze erfolgen.By using cold energy for heat generation and thermal energy for use as a cooling system, energy efficiency can be doubled compared to the conventional solution. This dual use can take place both locally, through suitable storage media, and on a district-by-district basis through introduction into heating and cooling networks.
Durch gemeinsames Steuern der Fluidströme durch die beiden ersten Fluidleitungen kann in derartigen Ausführungsformen ein Wärmeübertrag von dem Wärmespeicher und - tauscher auf den zweiten Wärmespeicher und -tauscher ermöglicht werden. In anderen Worten wird das thermische Speichermedium des Wärmespeicher und -tauschers abgekühlt, das thermische Speichermedium des zweiten Wärmespeicher und -tauschers erwärmt (oder umgekehrt). Bei entsprechender Auslegung der Wärmespeicher und -tauscher (beispielsweise ihrer Volumina) kann dies eine Speicherung der Wärme bzw. Kälte über Monate bzw. Jahreszeiten hinweg ermöglichen.By jointly controlling the fluid flows through the two first fluid lines, heat transfer from the heat storage and exchanger to the second heat storage and exchanger can be made possible in such embodiments. In other words, the thermal storage medium of the heat storage and exchanger is cooled and the thermal storage medium of the second heat storage and exchanger is heated (or vice versa). If the heat storage and exchangers are designed accordingly (for example their volumes), this can enable heat or cold to be stored over months or seasons.
Der Speicherbehälter (oder das darin enthaltene thermische Speichermedium) und/oder der thermisch an den Wärmespeicher und -tauscher gekoppelte Erdwärmekollektor kann als energiespeichernde Komponente des Wärmespeicher und -tauschers eingerichtet sein oder eine solche bereitstellen oder als solche bezeichnet werden.The storage container (or the thermal storage medium contained therein) and/or the geothermal collector thermally coupled to the heat storage and exchanger can be set up as an energy-storing component of the heat storage and exchanger or can provide one or be referred to as such.
Mit anderen Worten kann der Wärmespeicher und -tauscher eine energiespeichernde Komponente aufweisen. Die energiespeichernde Komponente kann den Speicherbehälter und/oder den thermisch an den Wärmespeicher und -tauscher gekoppelten Erdwärmekollektor aufweisen oder diese(r) sein.In other words, the heat storage and exchanger can have an energy-storing component. The energy-storing component can have or be the storage container and/or the geothermal collector thermally coupled to the heat storage and exchanger.
Mit wieder anderen Worten kann der Speicherbehälter die energiespeichernde Komponente des Wärmespeicher und -tauschers sein, oder der thermisch an den Wärmespeicher und -tauscher gekoppelte Erdwärmekollektor kann die energiespeichernde Komponente des Wärmespeicher und -tauschers sein, oder beide können (d. h. gemeinsam) die energiespeichernde Komponente des Wärmespeicher und -tauschers sein.In yet other words, the storage container can be the energy-storing component of the heat storage and exchanger, or the geothermal collector thermally coupled to the heat storage and exchanger can be the energy-storing component of the heat storage and exchanger, or both can (i.e. together) be the energy-storing component of the Be a heat storage and exchanger.
Ein (bspw. weiterer oder räumlich von dem thermisch an den Wärmespeicher und - tauscher gekoppelten Erdwärmekollektor getrennter) Erdwärmekollektor kann thermisch an den zweiten Wärmespeicher und -tauscher gekoppelt sein.A geothermal collector (for example another geothermal collector or spatially separate from the geothermal collector that is thermally coupled to the heat storage and exchanger) can be thermally coupled to the second heat storage and exchanger.
Der zweite Wärmespeicher und -tauscher kann eine energiespeichernde Komponente aufweisen, beispielsweise mit Eigenschaften, die den oben beschriebenen Eigenschaften der energiespeichernden Komponente des Wärmespeicher und -tauschers ähneln, allerdings bezogen auf den zweiten Wärmespeicher und -tauscher statt auf den Wärmespeicher und -tauscher.The second heat storage and exchanger may have an energy storage component, for example with properties that are similar to the properties of the energy storage component of the heat storage and exchanger described above, but related to the second heat storage and exchanger rather than to the heat storage and exchanger.
Bei einigen Ausführungsformen grenzt eine thermisch isolierende Trennwand Erdbereiche, insbesondere aneinander angrenzende Erdbereiche, voneinander ab. Die thermisch isolierende Trennwand kann zumindest teilweise, insbesondere zu einem Großteil (z. B. entsprechend ihrer Höhenerstreckung), unterhalb einer Erdoberfläche angeordnet sein. Die voneinander abgegrenzten Erdbereiche können jeweils einem Erdwärmekollektor zugeordnet sein. Insbesondere kann einer der abgegrenzten Erdbereiche dem Erdkollektor zugeordnet sein, der thermisch an den (ersten) Wärmespeicher und -tauscher gekoppelt ist, und ein anderer der abgegrenzten Erdbereiche dem Erdkollektor zugeordnet sein, der thermisch an den zweiten Wärmespeicher und -tauscher gekoppelt ist.In some embodiments, a thermally insulating partition wall delimits earth areas, in particular adjacent earth areas, from one another. The thermally insulating partition can be arranged at least partially, in particular to a large extent (e.g. according to its height extent), below an earth's surface. The earth areas delimited from one another can each be assigned to a geothermal collector. In particular, one of the delimited earth areas can be assigned to the earth collector, which is thermally coupled to the (first) heat storage and exchanger, and another of the delimited earth areas can be assigned to the earth collector, which is thermally coupled to the second heat storage and exchanger.
In bevorzugten Ausführungsformen grenzt die energiespeichernde Komponente des ersten Wärmespeicher und -tauschers (insbesondere deren Erdwärmekollektor) an die energiespeichernde Komponente des zweiten Wärmespeicher und -tauschers (insbesondere an deren Erdwärmekollektor) an und ist durch eine in das Erdreich eingelassene thermisch isolierende Trennwand seitlich von der energiespeichernden Komponente des zweiten Wärmespeicher und -tauschers (insbesondere von deren Erdwärmekollektor) abgegrenzt.In preferred embodiments, the energy-storing component of the first heat storage and exchanger (in particular its geothermal heat collector) adjoins the energy-storing component of the second heat storage and exchanger (in particular its geothermal heat collector) and is separated from the energy-storing one by a thermally insulating partition wall embedded in the ground Component of the second heat storage and exchanger (in particular from its geothermal collector).
Beispielsweise können benachbarte Bodenabschnitte jeweils mit Erdwärmekollektoren ausgestattet sein, und die thermisch isolierende Trennwand kann zwischen den Wärmeträgerschleifen des Erdwärmekollektors, der thermisch an den ersten Wärmespeicher und -tauscher gekoppelt ist, und dem Erdwärmekollektor, der thermisch an den zweiten Wärmespeicher und -tauscher gekoppelt ist, in den Boden eingelassen sein, sodass in der energiespeichernden Komponente des ersten Wärmespeicher und -tauschers (insbesondere in deren Erdwärmekollektor) und der energiespeichernden Komponente des zweiten Wärmespeicher und -tauschers (insbesondere in deren Erdwärmekollektor) unterschiedliche Temperaturen vorgesehen werden können.For example, adjacent floor sections can each be equipped with geothermal collectors, and the thermally insulating partition can be between the heat transfer loops of the geothermal collector, which is thermally coupled to the first heat storage and exchanger, and the geothermal heat collector, which is thermally coupled to the second heat storage and exchanger, be embedded in the ground, so that in the energy-storing component of the first heat storage and exchanger (in particular in its geothermal heat collector) and the energy-storing component of the second heat storage and exchanger (in particular in whose geothermal collector) different temperatures can be provided.
In bevorzugten Ausführungsformen wird die energiespeichernde Komponente des Wärmespeicher und -tauschers (insbesondere deren Erdwärmekollektor) durch die thermisch isolierende Trennwand seitlich umlaufend von dem umgebenden Erdreich getrennt.In preferred embodiments, the energy-storing component of the heat storage and exchanger (in particular its geothermal collector) is separated from the surrounding soil by the thermally insulating partition wall.
Eine seitlich umlaufende isolierende Trennwand kann es erlauben, ein höheres Temperaturniveau in der energiespeichernden Komponente des Wärmespeicher und -tauschers (insbesondere deren Erdwärmekollektor) länger und/oder mit niedrigeren Energieverlusten aufrecht zu erhalten und somit eine saisonale Speicherung von thermische Energie in der energiespeichernden Komponente des Wärmespeicher und -tauschers (insbesondere in deren Erdwärmekollektor) bei einer erhöhten Speichertemperatur bereitzustellen. Die thermisch isolierende Trennwand kann sich vertikal über das untere Ende der energiespeichernden Komponente des Wärmespeicher und -tauschers (insbesondere über das untere Ende von dessen Erdwärmekollektor) nach unten ins Erdreich erstrecken, um einen isolierten Abschnitt der energiespeichernden Komponente (insbesondere von deren Erdwärmekollektor) zu definieren. Der isolierte Abschnitt kann nach unten hin offen sein, um die Wärmekapazität des darunterliegenden Erdreiches zu nutzen.A laterally circumferential insulating partition can make it possible to maintain a higher temperature level in the energy-storing component of the heat storage and exchanger (in particular its geothermal collector) for longer and/or with lower energy losses and thus enable seasonal storage of thermal energy in the energy-storing component of the heat storage and exchanger (especially in their geothermal collector) at an increased storage temperature. The thermally insulating partition can extend vertically over the lower end of the energy-storing component of the heat storage and exchanger (in particular over the lower end of its geothermal collector) down into the ground to define an isolated section of the energy-storing component (in particular of its geothermal collector). . The insulated section can be open at the bottom to utilize the heat capacity of the underlying soil.
Die energiespeichernde Komponente des Wärmespeicher und -tauschers (insbesondere dessen Erdwärmekollektor) kann an die energiespeichernde Komponente des zweiten Wärmespeicher und -tauschers (insbesondere deren Erdwärmekollektor) angrenzen und durch die thermisch isolierende Trennwand von dieser getrennt sein. Die thermisch isolierende Trennwand sollte eine gegenüber dem Erdreich verringerte thermische Leitfähigkeit aufweisen, insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 1 W/ (m*K), vorzugsweise weniger als 0,5 W/(m*K), bevorzugt weniger als 0,2 W/(m*K). Die Dämmung kann eine Perimeterdämmung sein, welche durch Platten im Erdreich, beispielsweise aus Styrodur, bereitgestellt werden kann, und/oder kann Abschnitte von schüttfähigem Dämmmaterial, wie Schaumglas-Granulat, umfassen. In einigen Ausführungsformen ist die thermisch isolierende Trennwand beidseitig durch das Erdreich von den energiespeichernden Komponenten getrennt.The energy-storing component of the heat storage and exchanger (in particular its geothermal collector) can adjoin the energy-storing component of the second heat storage and exchanger (in particular its geothermal collector) and be separated from it by the thermally insulating partition. The thermally insulating partition should have a reduced thermal conductivity compared to the ground, in particular a thermal conductivity of less than 1 W/(m*K), preferably less than 0.5 W/(m*K), preferably less than 0.2 W /(m*K). The insulation can be perimeter insulation, which can be provided by panels in the ground, for example made of Styrodur, and/or can include sections of pourable insulation material, such as foam glass granules. In some embodiments, the thermally insulating partition is separated from the energy-storing components on both sides by the soil.
In einigen Ausführungsformen umfasst das System ferner eine obere Trennwand, welche eine obere Begrenzung der energiespeichernden Komponente des Wärmespeicher und - tauschers (insbesondere von dessen Erdwärmekollektor) bildet, um die energiespeichernde Komponente des Wärmespeicher und -tauschers (insbesondere dessen Erdwärmekollektor) in vertikaler Richtung thermisch zu isolieren. Beispielsweise kann die obere Trennwand unterhalb einer Bodenplatte eines Gebäudes angeordnet sein, um Wärmeverluste der energiespeichernden Komponente in das Gebäude zu verringern.In some embodiments, the system further comprises an upper partition wall, which forms an upper boundary of the energy-storing component of the heat storage and exchanger (in particular of its geothermal heat collector) in order to thermally invert the energy-storing component of the heat storage and exchanger (in particular of its geothermal heat collector) in the vertical direction isolate. For example, the upper partition wall can be arranged below a floor slab of a building in order to reduce heat losses from the energy-storing component into the building.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst das System ferner eine untere Trennwand, welche eine untere Begrenzung der energiespeichernden Komponente des Wärmespeicher und -tauschers (insbesondere von deren Erdwärmekollektor) bildet, um die energiespeichernde Komponente des Wärmespeicher und -tauschers (insbesondere deren Erdwärmekollektor) in vertikaler Richtung gegenüber dem darunterliegenden Erdreich thermisch zu isolieren.In preferred embodiments, the system further comprises a lower partition, which forms a lower boundary of the energy-storing component of the heat storage and exchanger (in particular of its geothermal heat collector) in order to protect the energy-storing component of the heat storage and exchanger (in particular of its geothermal heat collector) in the vertical direction relative to the to thermally insulate the underlying soil.
Die untere Trennwand kann eine Isolation der energiespeichernden Komponente des Wärmespeicher und -tauschers (insbesondere von dessen Erdwärmekollektor) verbessern, sodass dessen Temperaturniveau länger und/oder mit niedrigeren Energieverlusten aufrechterhalten werden kann.The lower partition can improve insulation of the energy-storing component of the heat storage and exchanger (in particular its geothermal collector), so that its temperature level can be maintained for longer and/or with lower energy losses.
Das System kann die Wärmepumpe umfassen.The system may include the heat pump.
Der Fluidstrom durch die erste Fluidleitung des Wärmespeicher und -tauschers kann dazu eingerichtet sein, den Wärmespeicher und -tauscher thermisch an eine Seite, z. B. an eine warme oder kalte Seite, der Wärmepumpe zu koppeln.The fluid flow through the first fluid line of the heat storage and exchanger can be designed to thermally connect the heat storage and exchanger to one side, e.g. B. to couple to a warm or cold side of the heat pump.
Der Fluidstrom durch die erste Fluidleitung des zweiten Wärmespeicher und -tauschers kann dazu eingerichtet sein, den zweiten Wärmespeicher und -tauscher thermisch an eine Seite, z. B. an eine komplementäre kalte oder warme Seite, der Wärmepumpe zu koppeln.The fluid flow through the first fluid line of the second heat storage and exchanger can be designed to thermally connect the second heat storage and exchanger to one side, e.g. B. to couple to a complementary cold or warm side of the heat pump.
Die Wärmepumpe kann dazu eingerichtet sein, eine Leistung von mindestens 3 kW oder von mindestens 5 kW bereitzustellen.The heat pump can be set up to provide an output of at least 3 kW or at least 5 kW.
Das System kann eine Solaranlage aufweisen.The system can have a solar system.
Der Wärmespeicher und -tauscher des Systems kann mindestens einen zusätzlichen Wärmetauscher aufweisen, wobei einer der mindestens einen zusätzlichen Wärmetauscher dazu eingerichtet ist, die Solaranlage thermisch an den Speicherbehälter und/oder das thermische Speichermedium des Wärmespeicher und -tauschers zu koppeln, insbesondere in Reihe mit einem Erdwärmekollektor.The system's heat storage and exchanger can provide at least one additional heat have exchangers, wherein one of the at least one additional heat exchanger is set up to thermally couple the solar system to the storage container and / or the thermal storage medium of the heat storage and exchanger, in particular in series with a geothermal heat collector.
Ein zusätzlicher Wärmetauscher des zweiten Wärmespeicher und -tauschers kann dazu eingerichtet sein, die Solaranlage thermisch an den Speicherbehälter und/oder das thermische Speichermedium des zweiten Wärmespeicher und -tauschers zu koppeln.An additional heat exchanger of the second heat storage and exchanger can be set up to thermally couple the solar system to the storage container and/or the thermal storage medium of the second heat storage and exchanger.
Der zweite Wärmespeicher und -tauscher kann eines oder alle der oben im Zusammenhang mit dem Wärmespeicher und -tauscher des ersten Aspekts beschriebenen Merkmale aufweisen.The second heat storage and exchanger may have any or all of the features described above in connection with the heat storage and exchanger of the first aspect.
Bei einem fünften Aspekt weist ein System einen ersten Wärmespeicher und -tauscher, einen zweiten Wärmespeicher und -tauscher, eine Wärmepumpe und ein Steuergerät auf. Der erste Wärmespeicher und -tauscher weist eine erste Fluidleitung, eine zweite Fluidleitung, einen Wärmetauscher und einen Speicherbehälter auf. Der Wärmetauscher ist dazu eingerichtet, Wärme zwischen der ersten Fluidleitung und der zweiten Fluidleitung zu übertragen. Der Speicherbehälter ist dazu eingerichtet, ein thermisches Speichermedium aufzunehmen. Zumindest ein Abschnitt des Wärmetauschers ist in dem Speicherbehälter angeordnet, um ein Übertragen von Wärme zwischen dem Wärmetauscher und dem thermischen Speichermedium zu ermöglichen. Der erste Wärmespeicher und -tauscher weist ein Volumen für sein thermisches Speichermedium von mindestens 2 m3 auf und ist zumindest teilweise unterirdisch angeordnet. Der zweite Wärmespeicher und -tauscher weist eine erste Fluidleitung, eine zweite Fluidleitung und einen Speicherbehälter, der dazu eingerichtet ist, ein thermisches Speichermedium aufzunehmen, auf. Der zweite Wärmespeicher und -tauscher ist dazu eingerichtet, ein Übertragen von Wärme zwischen seiner ersten Fluidleitung und seinem thermischen Speichermedium sowie zwischen seiner zweiten Fluidleitung und seinem thermischen Speichermedium zu ermöglichen. Die Wärmepumpe ist dazu eingerichtet, eine Leistung von mindestens 5 kW bereitzustellen. Ein Fluidstrom durch die erste Fluidleitung des ersten Wärmespeicher und -tauschers oder des zweiten Wärmespeicher und -tauschers ist dazu eingerichtet, den ersten Wärmespeicher und -tauscher thermisch an eine kalte Seite der Wärmepumpe zu koppeln. Der Fluidstrom durch die erste Fluidleitung des anderen Wärmespeicher und -tauschers ist dazu eingerichtet, den anderen Wärmespeicher und -tauscher thermisch an eine warme Seite der Wärmepumpe zu koppeln. Das Steuergerät ist dazu eingerichtet, einen Betriebszustand der Wärmepumpe, den Fluidstrom durch die erste Fluidleitung des ersten Wärmespeichers und den Fluidstrom durch die erste Fluidleitung des zweiten Wärmespeichers gemeinsam in Abhängigkeit von einem ersten Parameter zu steuern, wobei der erste Parameter mit einer elektrischen Leistung verknüpft ist, die von einer photovoltaischen Anlage bereitgestellt wird. Die zweite Fluidleitung des ersten Wärmespeicher und -tauschers und/oder des zweiten Wärmespeicher und -tauschers ist an eine Solaranlage gekoppelt.In a fifth aspect, a system has a first heat storage and exchanger, a second heat storage and exchanger, a heat pump and a control device. The first heat storage and exchanger has a first fluid line, a second fluid line, a heat exchanger and a storage container. The heat exchanger is designed to transfer heat between the first fluid line and the second fluid line. The storage container is designed to hold a thermal storage medium. At least a portion of the heat exchanger is disposed in the storage container to enable transfer of heat between the heat exchanger and the thermal storage medium. The first heat storage and exchanger has a volume for its thermal storage medium of at least 2 m 3 and is at least partially arranged underground. The second heat storage and exchanger has a first fluid line, a second fluid line and a storage container that is designed to accommodate a thermal storage medium. The second heat storage and exchanger is designed to enable heat to be transferred between its first fluid line and its thermal storage medium and between its second fluid line and its thermal storage medium. The heat pump is set up to provide an output of at least 5 kW. A fluid flow through the first fluid line of the first heat storage and exchanger or the second heat storage and exchanger is designed to thermally couple the first heat storage and exchanger to a cold side of the heat pump. The fluid flow through the first fluid line of the other heat storage and exchanger is designed to thermally couple the other heat storage and exchanger to a warm side of the heat pump. The control device is set up to control an operating state of the heat pump, the fluid flow through the first fluid line of the first heat storage and the fluid flow through the first fluid line of the second heat storage together as a function of a first parameter, the first parameter being linked to an electrical power , which is provided by a photovoltaic system. The second fluid line of the first heat storage and exchanger and/or the second heat storage and exchanger is coupled to a solar system.
Der andere Wärmespeicher und -tauscher kann sich auf den Wärmespeicher und -tauscher oder auf den zweiten Wärmespeicher und -tauscher beziehen; insbesondere auf denjenigen der beiden, bei dem der Fluidstrom durch seine erste Fluidleitung nicht dazu eingerichtet ist, ihn thermisch an die kalte Seite der Wärmepumpe zu koppeln.The other heat storage and exchanger may refer to the heat storage and exchanger or to the second heat storage and exchanger; in particular on that of the two in which the fluid flow through its first fluid line is not designed to thermally couple it to the cold side of the heat pump.
Das thermische Speichermedium des zweiten Wärmespeicher und -tauschers kann in dem Speicherbehälter des zweiten Wärmespeicher und -tauschers angeordnet sein. Das in dem Speicherbehälter des zweiten Wärmespeicher und -tauschers angeordnete thermische Speichermedium kann dazu eingerichtet sein, ein zweites Elektrolyt für die elektrochemische Zelle bereitzustellen. Der zweite Wärmespeicher und -tauscher kann dazu eingerichtet sein, das thermische Speichermedium der elektrochemischen Zelle fluidgekoppelt bereitzustellen.The thermal storage medium of the second heat storage and exchanger can be arranged in the storage container of the second heat storage and exchanger. The thermal storage medium arranged in the storage container of the second heat storage and exchanger can be designed to provide a second electrolyte for the electrochemical cell. The second heat storage and exchanger can be designed to provide the thermal storage medium of the electrochemical cell in a fluid-coupled manner.
Das System kann die elektrochemische Zelle umfassen, wobei das thermische Speichermedium des ersten Wärmespeicher und -tauschers und das thermische Speichermedium des zweiten Wärmespeicher und -tauschers an die elektrochemische Zelle fluidgekoppelt sind; insbesondere, wobei das thermische Speichermedium des ersten Wärmespeicher und - tauschers und das thermische Speichermedium des zweiten Wärmespeicher und -tauschers an unterschiedliche Halbzellen der elektrochemischen Zelle fluidgekoppelt sind.The system may include the electrochemical cell, wherein the thermal storage medium of the first heat storage and exchanger and the thermal storage medium of the second heat storage and exchanger are fluidly coupled to the electrochemical cell; in particular, wherein the thermal storage medium of the first heat storage and exchanger and the thermal storage medium of the second heat storage and exchanger are fluidly coupled to different half cells of the electrochemical cell.
Gemäß einem sechsten Aspekt umfasst ein Verfahren zum Erzeugen eines unterirdischen Wärmespeichers ein Anordnen zumindest eines Teils eines Wärmespeicher und -tauschers im Erdreich. Der Wärmespeicher und -tauscher weist eine erste Fluidleitung, eine zweite Fluidleitung, einen Wärmetauscher und einen Speicherbehälter auf. Der Wärmetauscher ist dazu eingerichtet, Wärme zwischen der ersten Fluidleitung und der zweiten Fluidleitung zu übertragen. Der Speicherbehälter ist dazu eingerichtet, ein thermisches Speichermedium aufzunehmen. Zumindest ein Abschnitt des Wärmetauschers ist in dem Speicherbehälter angeordnet, um ein Übertragen von Wärme zwischen dem Wärmetauscher und dem thermischen Speichermedium zu ermöglichen.According to a sixth aspect, a method for producing an underground heat storage includes arranging at least a portion of a heat storage and exchanger in the ground. The heat storage and exchanger has a first fluid line, a second fluid line, a heat exchanger and a storage container. The heat exchanger is designed to transfer heat between the first fluid line and the second fluid line. The storage container is designed to hold a thermal storage medium. At least a portion of the heat exchanger is disposed in the storage container to enable transfer of heat between the heat exchanger and the thermal storage medium.
Das Verfahren kann weiterhin ein thermisches Koppeln des Wärmespeicher und -tausches an das Erdreich umfassen.The method can further include thermally coupling the heat storage and exchange to the ground.
Das Verfahren kann weiterhin ein Einrichten des Wärmetauschers als Gegenstromwärmetauscher umfassen.The method may further include setting up the heat exchanger as a countercurrent heat exchanger.
Das Verfahren kann weiterhin ein Koppeln der ersten Fluidleitung an eine Wärmepumpe umfassen.The method may further include coupling the first fluid line to a heat pump.
Das Verfahren kann weiterhin ein thermisches Koppeln des Wärmespeicher und -tauschers an ein erstes Wärmenetz, insbesondere an ein erstes Nahwärmenetz umfassen, um Wärme oder Kälte wahlweise aus dem Wärmespeicher und -tauscher in das Nahwärmenetz zu speichern oder aus dem Nahwärmenetz in den Wärmespeicher und -tauscher zu entnehmen. Insbesondere kann der Wärmespeicher und -tauscher in Reihe mit dem Erdwärmekollektor und/oder mit dem Erdreich an das erste Wärmenetz, insbesondere an das erste Nahwärmenetz, gekoppelt werden.The method can further include thermally coupling the heat storage and exchanger to a first heating network, in particular to a first local heating network, in order to store heat or cold either from the heat storage and exchanger into the local heating network or from the local heating network into the heat storage and exchanger refer to. In particular, the heat storage and exchanger can be coupled in series with the geothermal collector and/or with the ground to the first heating network, in particular to the first local heating network.
Das Verfahren kann weiterhin ein Koppeln einer ersten Fluidleitung eines zweiten Wärmespeicher und -tauschers an die Wärmepumpe umfassen.The method may further include coupling a first fluid line of a second heat storage and exchanger to the heat pump.
Der zweite Wärmespeicher und -tauscher kann eines oder alle der oben im Zusammenhang mit dem zweiten Wärmespeicher und -tauscher des vierten Aspekts beschriebenen Merkmale aufweisen.The second heat storage and exchanger may have any or all of the features described above in connection with the second heat storage and exchanger of the fourth aspect.
Das Verfahren kann weiterhin ein Koppeln des zweiten Wärmespeicher und -tauschers an ein zweites Wärmenetz, insbesondere an ein zweites Nahwärmenetz umfassen, insbesondere wobei das zweite (Nah)Wärmenetz im Mittel eine geringere Temperatur aufweist als das erste (Nah)Wärmenetz. Insbesondere kann der zweite Wärmespeicher und -tauscher in Reihe mit seinem Erdwärmekollektor und/oder mit dem ihn umgebenden Erdreich an das zweite Wärmenetz, insbesondere an das zweite Nahwärmenetz, gekoppelt werden.The method can further include coupling the second heat storage and exchanger to a second heating network, in particular to a second local heating network, in particular wherein the second (local) heating network has a lower average temperature than the first (local) heating network. In particular, the second heat storage and exchanger can be coupled in series with its geothermal energy collector and/or with the soil surrounding it to the second heating network, in particular to the second local heating network.
Beispielsweise kann das erste (Nah)Wärmenetz ein Hochtemperatur-(Nah)Wärmenetz sein, und das zweite (Nah)Wärmenetz ein Niedertemperatur-(Nah)Wärmenetz (in anderen Worten, ein (Nah)Kälte-Netz).For example, the first (local) heating network may be a high-temperature (local) heating network, and the second (local) heating network may be a low-temperature (local) heating network (in other words, a (local) cooling network).
Eine thermische Isolierung, insbesondere eine thermisch isolierende Trennwand, kann zwischen einem Bereich des ersten (Nah)Wärmenetzes (z. B. des Hochtemperatur-(Nah)Wärmenetzes) und einem Bereich des zweiten (Nah)Wärmenetzes (z. B. des Niedertemperatur-(Nah)Wärmenetzes oder des (Nah)Kälte-Netzes) angeordnet sein. Insbesondere kann die thermische Isolierung zumindest teilweise unterirdisch angeordnet sein oder die thermische isolierende Trennwand kann eine unterirdische thermisch isolierende Trennwand sein. Beispielsweise kann die thermische Isolierung oder die thermisch isolierende Trennwand zwischen einem Erdwärmekollektor (oder einer unterirdischen Fluidleitung) des ersten (Nah)Wärmenetzes (z. B. des Hochtemperatur-(Nah)Wärmenetzes) und einem Erdwärmekollektor (oder einer unterirdischen Fluidleitung) des zweiten (Nah)Wärmenetzes (z. B. des Niedertemperatur-(Nah)Wärmenetzes oder des (Nah)Kälte-Netzes) angeordnet sein.A thermal insulation, in particular a thermally insulating partition, can be between an area of the first (local) heating network (e.g. the high-temperature (local) heating network) and an area of the second (local) heating network (e.g. the low-temperature (local) heating network or the (local) cooling network). In particular, the thermal insulation can be arranged at least partially underground or the thermal insulating partition can be an underground thermal insulating partition. For example, the thermal insulation or the thermally insulating partition between a geothermal collector (or an underground fluid line) of the first (local) heat network (e.g. the high-temperature (local) heat network) and a geothermal collector (or an underground fluid line) of the second ( Local heating network (e.g. the low-temperature (local) heating network or the (local) cooling network).
Das Verfahren kann weiterhin ein Koppeln der zweiten Fluidleitung an eine Solaranlage umfassen.The method may further include coupling the second fluid line to a solar system.
Das Verfahren kann weiterhin ein Einrichten eines Steuergerätes umfassen, um einen ersten Parameter zu empfangen oder zu ermitteln, wobei der erste Parameter mit einer Verfügbarkeit von elektrischer Leistung verknüpft ist.The method may further include setting up a control device to receive or determine a first parameter, the first parameter being linked to an availability of electrical power.
Das Verfahren kann weiterhin ein Einrichten des mindestens einen Steuergeräts umfassen, um einen Fluidstrom durch die erste Fluidleitung in Abhängigkeit von dem ersten Parameter zu steuern.The method may further include setting up the at least one control device to control a fluid flow through the first fluid line depending on the first parameter.
Der Wärmespeicher und -tauscher kann mindestens einen zusätzlichen Wärmetauscher aufweisen.The heat storage and exchanger can have at least one additional heat exchanger.
Das Verfahren kann weiterhin ein Koppeln eines Wärmetauschers des mindestens einen zusätzlichen Wärmetauschers an einen Erdwärmekollektor umfassen.The method may further include coupling a heat exchanger of the at least one additional heat exchanger to a geothermal heat collector.
Der mindestens eine zusätzliche Wärmetauscher kann eines oder alle Merkmale des oben im Zusammenhang mit dem Wärmespeicher und -tauscher des ersten Aspekts beschriebenen mindestens einen zusätzlichen Wärmetauschers aufweisen.The at least one additional heat exchanger may have one or all of the features of the at least one additional heat exchanger described above in connection with the heat storage and exchanger of the first aspect.
In Ausführungsformen, bei denen das Verfahren das Koppeln der ersten Fluidleitung an eine Wärmepumpe umfasst, kann das Verfahren weiterhin ein Koppeln einer ersten Fluidleitung eines zweiten Wärmespeicher und -tauschers an die Wärmepumpe umfassen. Insbesondere kann bei entsprechenden Ausführungsformen die erste Fluidleitung des Wärmespeicher und -tauschers an eine kalte Seite der Wärmepumpe gekoppelt werden und die erste Fluidleitung des zweiten Wärmespeicher und -tauschers an eine warme Seite der Wärmepumpe gekoppelt werden. Alternativ kann die erste Fluidleitung des Wärmespeicher und -tauschers an die warme Seite der Wärmepumpe gekoppelt werden und die erste Fluidleitung des Wärmespeicher und -tauschers an die warme Seite der Wärmepumpe gekoppelt werden.In embodiments where the method includes coupling the first fluid line to a heat pump, the method may further include coupling a first fluid line of a second heat storage and exchanger to the heat pump. In particular, in corresponding embodiments, the first fluid line of the heat storage and exchanger can be coupled to a cold side of the heat pump and the first fluid line of the second heat storage and exchanger can be coupled to a warm side of the heat pump. Alternatively, the first fluid line of the heat storage and exchanger can be coupled to the warm side of the heat pump and the first fluid line of the heat storage and exchanger can be coupled to the warm side of the heat pump.
Das Verfahren kann weiterhin das Durchführen eines oder aller Verfahrensschritte, die einen Bezug zu dem Wärmespeicher und -tauscher aufweisen, entsprechend an dem zweiten Wärmespeicher und -tauscher umfassen.The method can further include carrying out one or all of the method steps that relate to the heat storage and exchanger, correspondingly on the second heat storage and exchanger.
Gemäß einem siebten Aspekt weist ein Verfahren zum Betreiben eines Systems aufweisend einen Wärmespeicher und -tauscher mindestens zwei Betriebsmodi auf, und das Verfahren umfasst ein wahlweises Ausführen eines der mindestens zwei Betriebsmodi. Der erste Betriebsmodus umfasst ein Betreiben der Wärmepumpe mit einer ersten Wärmepumpenleistung und ein Erzeugen eines Fluidstroms durch die erste Fluidleitung, um Wärme zwischen der Wärmepumpe und dem thermischen Speichermedium zu übertragen. Der zweite Betriebsmodus umfasst ein Betreiben der Wärmepumpe mit einer zweiten Wärmepumpenleistung, die höchstens ein Viertel der ersten Wärmepumpenleistung beträgt, und ein Erzeugen eines stärkeren Fluidstroms durch die zweite Fluidleitung als durch die erste Fluidleitung, um Wärme mittels der zweiten Fluidleitung zu übertragen. Der Wärmespeicher und -tauscher kann ein oder alle Merkmale des Wärmespeicher und -tauschers des ersten Aspekts aufweisen.According to a seventh aspect, a method for operating a system comprising a heat storage and exchanger has at least two operating modes, and the method includes selectively executing one of the at least two operating modes. The first operating mode includes operating the heat pump with a first heat pump output and generating a fluid flow through the first fluid line to transfer heat between the heat pump and the thermal storage medium. The second operating mode includes operating the heat pump with a second heat pump output that is at most a quarter of the first heat pump output, and generating a stronger fluid flow through the second fluid line than through the first fluid line in order to transfer heat via the second fluid line. The heat storage and exchanger may have any or all of the features of the heat storage and exchanger of the first aspect.
Bei einigen Ausführungsformen wird bei dem wahlweisen Ausführen eines der mindestens zwei Betriebsmodi eine Auswahl zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus automatisch anhand eines ersten Parameters ausgeführt. Insbesondere kann der erste Parameter mit einer Verfügbarkeit von elektrischer Leistung verknüpft sein.In some embodiments, when selectively executing one of the at least two operating modes, a selection between the first and second operating modes is automatically made based on a first parameter. In particular, the first parameter can be linked to the availability of electrical power.
Das Verfahren kann ein wahlweises Führen des Fluidstroms durch die zweite Fluidleitung zu einer Solaranlage, zu einem Erdwärmekollektor oder zu der Solaranlage und dem Erdwärmekollektor umfassen.The method may include selectively guiding the fluid flow through the second fluid line to a solar system, to a geothermal collector or to the solar system and the geothermal collector.
Das Verfahren kann weiterhin im ersten und/oder im zweiten Betriebsmodus ein Steuern einer Stärke des Fluidstroms durch die zweite Fluidleitung in Abhängigkeit von einer ersten Temperaturdifferenz umfassen. Insbesondere kann eine erste Temperatur der ersten Temperaturdifferenz mit dem Speicherbehälter und/oder dem thermischen Speichermedium verknüpft sein. Insbesondere kann eine zweite Temperatur der ersten Temperaturdifferenz mit einer Solaranlage verknüpft sein.The method may further include controlling a strength of the fluid flow through the second fluid line as a function of a first temperature difference in the first and/or second operating mode. In particular, a first temperature of the first temperature difference can be linked to the storage container and/or the thermal storage medium. In particular, a second temperature of the first temperature difference can be linked to a solar system.
Das Verfahren kann weiterhin ein wahlweises Entnehmen von Wärme aus dem Wärmespeicher und -tauscher oder einem an den Wärmespeicher und -tauscher gekoppelten Erdwärmekollektor umfassen, insbesondere in Abhängigkeit von einer Temperatur, die mit dem Speicherbehälter und/oder dem thermischen Speichermedium verknüpft ist; und/oder in Abhängigkeit von einer Temperatur, die mit dem Erdwärmekollektor verknüpft ist.The method may further comprise selectively removing heat from the heat storage and exchanger or a geothermal collector coupled to the heat storage and exchanger, in particular depending on a temperature that is linked to the storage container and / or the thermal storage medium; and/or depending on a temperature linked to the geothermal collector.
Das Verfahren kann weiterhin ein Steuern einer thermischen Kopplung zwischen dem Erdwärmekollektor und dem Speicherbehälter und/oder dem thermischen Speichermedium in Abhängigkeit von einer zweiten Temperaturdifferenz umfassen. Insbesondere kann eine erste Temperatur der zweiten Temperaturdifferenz mit dem Speicherbehälter und/oder dem thermischen Speichermedium verknüpft sein; und/oder eine zweite Temperatur der zweiten Temperaturdifferenz mit dem Erdwärmekollektor verknüpft sein.The method may further include controlling a thermal coupling between the geothermal collector and the storage container and/or the thermal storage medium depending on a second temperature difference. In particular, a first temperature of the second temperature difference can be linked to the storage container and/or the thermal storage medium; and/or a second temperature of the second temperature difference may be linked to the geothermal collector.
Das System kann einen zweiten Wärmespeicher und -tauscher aufweisen.The system can have a second heat storage and exchanger.
Der zweite Wärmespeicher und -tauscher kann eines oder alle der oben im Zusammenhang mit dem zweiten Wärmespeicher und -tauscher des vierten Aspekts beschriebenen Merkmale aufweisen.The second heat storage and exchanger may have any or all of the features described above in connection with the second heat storage and exchanger of the fourth aspect.
Das Verfahren kann weiterhin ein Durchführen der Verfahrensschritte, die einen Bezug zu dem Wärmespeicher und -tauscher aufweisen, entsprechend an dem zweiten Wärmespeicher und -tauscher umfassen. Insbesondere kann bei entsprechenden Ausführungsformen die erste Fluidleitung des Wärmespeicher und -tauschers an eine kalte Seite der Wärmepumpe gekoppelt sein; und die erste Fluidleitung des zweiten Wärmespeicher und -tauschers an eine warme Seite der Wärmepumpe gekoppelt sein. Alternativ kann die erste Fluidleitung des ersten Wärmespeicher und -tauschers an die warme Seite der Wärmepumpe gekoppelt sein und die erste Fluidleitung des zweiten Wärmespeicher und -tauschers an die warme Seite der Wärmepumpe gekoppelt sein.The method can further comprise carrying out the method steps that relate to the heat storage and exchanger accordingly on the second heat storage and exchanger. In particular, in corresponding embodiments, the first fluid line of the heat storage and exchanger can be coupled to a cold side of the heat pump; and the first fluid line of the second heat storage and exchanger may be coupled to a warm side of the heat pump. Alternatively, the first fluid line of the first heat storage and exchanger can be coupled to the warm side of the heat pump and the first fluid line of the second heat storage and exchanger can be coupled to the warm side of the heat pump.
Gemäß einem achten Aspekt ist ein Computerprogramm dazu eingerichtet, ein elektronisches Steuersystem dazu zu veranlassen, das Verfahren gemäß dem siebten Aspekt auszuführen.According to an eighth aspect, a computer program is configured to cause an electronic control system to carry out the method according to the seventh aspect.
Gemäß einem weiteren Aspekt weist ein Nahwärmenetz einen ersten Wärmespeicher und -tauscher, einen zweiten Wärmespeicher und -tauscher und einen Erdwärmekollektor auf.According to a further aspect, a local heating network has a first heat storage and exchanger, a second heat storage and exchanger and a geothermal heat collector.
Der erste Wärmespeicher und -tauscher ist ein Wärmespeicher und -tauscher wie oben im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt beschrieben. Alternativ weist das Nahwärmenetz ein System auf, wie oben beschrieben, und der erste Wärmespeicher und - tauscher ist der Wärmespeicher und -tauscher des Systems.The first heat storage and exchanger is a heat storage and exchanger as described above in connection with the first aspect. Alternatively, the local heating network has a system as described above, and the first heat storage and exchanger is the heat storage and exchanger of the system.
Der zweite Wärmespeicher und -tauscher ist ein Wärmespeicher und -tauscher wie oben im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt beschrieben. Alternativ weist das Nahwärmenetz ein System auf, wie oben beschrieben, und der erste Wärmespeicher und - tauscher ist der Wärmespeicher und -tauscher des Systems. Der zweite Wärmespeicher und -tauscher ist von dem ersten Wärmespeicher und -tauscher räumlich getrennt, beispielsweise um mindestens 50 m oder um mindestens 100 m oder um mindestens 200 m.The second heat storage and exchanger is a heat storage and exchanger as in the above Described in connection with the first aspect. Alternatively, the local heating network has a system as described above, and the first heat storage and exchanger is the heat storage and exchanger of the system. The second heat storage and exchanger is spatially separated from the first heat storage and exchanger, for example by at least 50 m or by at least 100 m or by at least 200 m.
Der Erdwärmekollektor ist thermisch an den ersten Wärmespeicher und - tauscher und den zweiten Wärmespeicher und -tauscher gekoppelt, und dazu eingerichtet, Wärme oder Kälte in ein umgebendes Erdreich einzuspeichern und zumindest einen Teil der eingespeicherten Wärme oder Kälte dem Erdreich zu einem späteren Zeitpunkt zu entnehmen.The geothermal heat collector is thermally coupled to the first heat storage and exchanger and the second heat storage and exchanger, and is designed to store heat or cold in a surrounding soil and to remove at least part of the stored heat or cold from the soil at a later point in time.
Das nach Wärmenetz kann weiterhin eine Leitung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, den ersten Wärmespeicher und -tauscher und den zweiten Wärmespeicher und -tauscher thermisch aneinander zu koppeln. Ein erster Bereich der Leitung kann eine thermische Isolierung aufweisen. Ein zweiter Bereich der Leitung kann eine geringere oder keine thermische Isolierung aufweisen, um den Erdwärmekollektor zu formen.The heat network can also have a line that is designed to thermally couple the first heat storage and exchanger and the second heat storage and exchanger to one another. A first area of the line can have thermal insulation. A second portion of the conduit may have less or no thermal insulation to form the geothermal collector.
Gemäß einem weiteren Aspekt weist ein Nahwärmenetz-System ein Nahwärmenetz wie oben beschrieben auf, und weiterhin ein zweites Nahwärmenetz.According to a further aspect, a local heating network system has a local heating network as described above, and further a second local heating network.
Das zweite Nahwärmenetz weist Folgendes auf: Einen ersten Niedertemperatur-Wärmespeicher, einen zweiten Niedertemperatur-Wärmespeicher und einen zweiten Erdwärmekollektor.The second local heating network has the following: a first low-temperature heat storage, a second low-temperature heat storage and a second geothermal collector.
Der erste Niedertemperatur-Wärmespeicher ist ein Wärmespeicher und -tauscher wie oben im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt beschrieben. Alternativ weist das Nahwärmenetz ein System auf, wie oben beschrieben, und der erste Niedertemperatur-Wärmespeicher ist der zweite Wärmespeicher und -tauscher des Systems.The first low-temperature heat storage is a heat storage and exchanger as described above in connection with the first aspect. Alternatively, the local heating network has a system as described above, and the first low-temperature heat storage is the second heat storage and exchanger of the system.
Das thermische Speichermedium des ersten Niedertemperatur-Wärmespeichers weist eine geringere Temperatur aufweist als das thermische Speichermedium des ersten Wärmespeicher und -tauschers.The thermal storage medium of the first low-temperature heat storage has a lower temperature than the thermal storage medium of the first heat storage and exchanger.
Der zweite Niedertemperatur-Wärmespeicher ist ein Wärmespeicher und -tauscher wie oben im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt beschrieben. Alternativ weist das Nahwärmenetz ein System auf, wie oben beschrieben, und der erste Niedertemperatur-Wärmespeicher ist der zweite Wärmespeicher und -tauscher des Systems.The second low-temperature heat storage is a heat storage and exchanger as described above in connection with the first aspect. Alternatively, the local heating network has a system as described above, and the first low-temperature heat storage is the second heat storage and exchanger of the system.
Der zweite Niedertemperatur-Wärmespeicher ist dem ersten Niedertemperatur-Wärmespeicher räumlich getrennt, beispielsweise um mindestens 50 m oder um mindestens 100 m oder um mindestens 200 m.The second low-temperature heat storage is spatially separated from the first low-temperature heat storage, for example by at least 50 m or by at least 100 m or by at least 200 m.
Das thermische Speichermedium des zweiten Niedertemperatur-Wärmespeichers weist eine geringere Temperatur aufweist als das thermische Speichermedium des zweiten Wärmespeicher und -tauschers.The thermal storage medium of the second low-temperature heat storage has a lower temperature than the thermal storage medium of the second heat storage and exchanger.
Der zweiten Erdwärmekollektor ist thermisch an den ersten Niedertemperatur-Wärmespeicher und den zweiten Niedertemperatur-Wärmespeicher gekoppelt, und dazu eingerichtet, zweite Wärme oder Kälte in ein umgebendes Erdreich einzuspeichern und zumindest einen Teil der eingespeicherten zweiten Wärme oder Kälte dem Erdreich zu einem späteren Zeitpunkt zu entnehmen.The second geothermal collector is thermally coupled to the first low-temperature heat storage and the second low-temperature heat storage, and is designed to store second heat or cold in a surrounding soil and to remove at least a portion of the stored second heat or cold from the soil at a later point in time .
Bei einigen Ausführungsformen weist das Nahwärmenetz-System weiterhin eine thermisch isolierende Trennwand auf, die dazu eingerichtet ist, einen Bereich des Nahwärmenetzes von einem Bereich des zweiten Nahwärmenetzes thermisch zu isolieren. Insbesondere kann die thermisch isolierende Trennwand zumindest teilweise unterirdisch angeordnet sein.In some embodiments, the local heating network system further comprises a thermally insulating partition wall that is configured to thermally isolate a region of the local heating network from a region of the second local heating network. In particular, the thermally insulating partition can be arranged at least partially underground.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen in schematischer Darstellung:
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1 : einen Wärmespeicher und -tauscher gemäß einem Beispiel; -
2a : einen Wärmespeicher und -tauscher gemäß einem weiteren Beispiel; -
2b : einen Wärmespeicher und -tauscher gemäß einem weiteren Beispiel; -
3 : einen Wärmespeicher und -tauscher gemäß einem weiteren Beispiel; -
4 : ein System mit einem Wärmespeicher und -tauscher gemäß einem Beispiel; -
5a : ein System mit einem Wärmespeicher und -tauscher und einen Betriebsmodus eines Verfahrens zum Betreiben des Systems gemäß einem Beispiel; -
5b : ein System mit einem Wärmespeicher und -tauscher und einen Betriebsmodus eines Verfahrens zum Betreiben des Systems gemäß einem weiteren Beispiel; -
5c : ein System mit einem Wärmespeicher und -tauscher und einen Betriebsmodus eines Verfahrens zum Betreiben des Systems gemäß einem weiteren Beispiel; -
5d : ein System mit einem Wärmespeicher und -tauscher und einen Betriebsmodus eines Verfahrens zum Betreiben des Systems gemäß einem weiteren Beispiel; -
5e : ein System mit einem Wärmespeicher und -tauscher und einen Betriebsmodus eines Verfahrens zum Betreiben des Systems gemäß einem weiteren Beispiel; -
5f : ein System mit einem Wärmespeicher und -tauscher und einen Betriebsmodus eines Verfahrens zum Betreiben des Systems gemäß einem weiteren Beispiel; -
5g : ein System mit einem Wärmespeicher und -tauscher und einen Betriebsmodus eines Verfahrens zum Betreiben des Systems gemäß einem weiteren Beispiel; -
5h : ein System mit einem Wärmespeicher und -tauscher und einen Betriebsmodus eines Verfahrens zum Betreiben des Systems gemäß einem weiteren Beispiel; -
5i : ein System mit einem Wärmespeicher und -tauscher und einen Betriebsmodus eines Verfahrens zum Betreiben des Systems gemäß einem weiteren Beispiel. -
6 : ein System mit einem Wärmespeicher und -tauscher, das an ein Nahwärmenetz gekoppelt ist; -
7a : einen Wärmespeicher und -tauscher gemäß einem weiteren Beispiel; -
7b : einen Wärmespeicher und -tauscher gemäß einem weiteren Beispiel; -
7c : einen Wärmespeicher und -tauscher gemäß einem weiteren Beispiel; -
7d : einen Wärmespeicher und -tauscher gemäß einem weiteren Beispiel; -
7e : einen Wärmespeicher und -tauscher gemäß einem weiteren Beispiel; und -
8 : einen Wärmespeicher und -tauscher gemäß einem weiteren Beispiel.
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1 : a heat storage and exchanger according to an example; -
2a : a heat storage and exchanger according to another example; -
2 B : a heat storage and exchanger according to another example; -
3 : a heat storage and exchanger according to another example; -
4 : a system with a heat storage and exchanger according to an example; -
5a : a system with a heat storage and exchanger and an operating mode of a method for operating the system according to an example; -
5b : a system with a heat storage and exchanger and an operating mode of a method for operating the system according to a further example; -
5c : a system with a heat storage and exchanger and an operating mode Method for operating the system according to another example; -
5d : a system with a heat storage and exchanger and an operating mode of a method for operating the system according to a further example; -
5e : a system with a heat storage and exchanger and an operating mode of a method for operating the system according to a further example; -
5f : a system with a heat storage and exchanger and an operating mode of a method for operating the system according to a further example; -
5g : a system with a heat storage and exchanger and an operating mode of a method for operating the system according to a further example; -
5h : a system with a heat storage and exchanger and an operating mode of a method for operating the system according to a further example; -
5i : a system with a heat storage and exchanger and an operating mode of a method for operating the system according to a further example. -
6 : a system with a heat storage and exchanger coupled to a local heating network; -
7a : a heat storage and exchanger according to another example; -
7b : a heat storage and exchanger according to another example; -
7c : a heat storage and exchanger according to another example; -
7d : a heat storage and exchanger according to another example; -
7e : a heat storage and exchanger according to another example; and -
8th : a heat storage and exchanger according to another example.
BESCHREIBUNG DER FIGURENDESCRIPTION OF THE FIGURES
Der Wärmespeicher und -tauscher 100 weist einen Speicherbehälter 106 für ein thermisches Speichermedium 108 auf, sowie einen Wärmetauscher 104, der teilweise in dem Speicherbehälter 106 angeordnet ist.The heat storage and
Durch den integrierten Wärmetauscher 104 ist der Wärmespeicher und -tauscher 100 insbesondere auch für das Nachrüsten bestehender Systeme geeignet.Thanks to the
Der Speicherbehälter 106 ist hinreichend groß dimensioniert, um eine solch große Menge (z. B. Volumen) des thermischen Speichermediums 108 aufzunehmen, dass dieses eine Wärmekapazität bereitstellt, um damit einen Wärmebedarf eines Gebäudes über einen längeren Zeitraum, wie mehrere Tage, Wochen oder Monate, hinweg zu decken. Beispielsweise kann der Speicherbehälter 106 auf den Wärmebedarf eines Einfamilienhauses ausgelegt sein, und sein Volumen je nach Größe des Einfamilienhauses ca. 2 m3, 5 m3, 10 m3, 15 m3 oder 20 m3 betragen. In alternativen Ausführungsformen wird für ein größeres Einzelgebäude oder einen Gebäudekomplex ein größerer Speicherbehälter 106 oder eine Mehrzahl von Speicherbehältern 106 bereitgestellt.The
Somit ermöglicht der Speicherbehälter 106 mit dem damit enthaltenen thermischen Speichermedium 108, mithilfe von Energie in Form von Wärme, die in Zeiten guter Verfügbarkeit (bei Tag, im Sommer, oder in Perioden warmen und/oder sonnigen Wetters) eingespeichert wird, den Bedarf eines Gebäudes nach Wärme in einem Zeitraum schlechter Verfügbarkeit (bei Nacht, im Winter, oder in Perioden kalten und/oder sonnenarmen Wetters) ganz oder teilweise zu decken.Thus, the
Der Speicherbehälter 106 ist dafür ausgelegt, in das Erdreich eingebracht zu werden. Entsprechend besteht seine Wandung aus einem undurchsichtigen, flüssigkeitsdichten und bevorzugt korrosionsbeständigen Material wie Stahl. Alternativ oder zusätzlich ist eine Wandung aus Beton vorgesehen, um die Wandung mechanisch zu verstärken.The
Der Speicherbehälter 106 stellt einen Bereich für das thermische Speichermedium 108 bereit. Beispielsweise stellt der Speicherbehälter 106 eine Sollfüllhöhe 116 für das thermische Speichermedium 108 bereit.The
Fluidleitungen 102a, 102b erstrecken sich bis oberhalb des Bereichs des Speicherbehälters 106 für das thermische Speichermedium 108, d. h. bis oberhalb der Sollfüllhöhe 116. Mit anderen Worten liegen Bereiche der Fluidleitungen 102a, 102b, die außerhalb des Speicherbehälters 106 angeordnet sind (z. B. Zu-/Ableitungen oder Anschlusselemente der Fluidleitungen 102a, 102b), in vertikaler Richtung höher als der Bereich des Speicherbehälters 106 für das Speichermedium 108 bzw. höher als die Sollfüllhöhe 116. Somit sind die Fluidleitungen 102a, 102b von oben und auch dann oberirdisch zugänglich, wenn der Speicherbehälter 106 unterirdisch angeordnet ist.
Die unterirdische Anordnung bedeutet nicht zwangsläufig, dass der gesamte Speicherbehälter 106 unterhalb der Erdoberfläche angeordnet ist. Bei einigen Ausführungsformen ist lediglich der untere Bereich des Speicherbehälters 106 unterhalb der Erdoberfläche angeordnet, beispielsweise die untersten 60 %, 70 %, 80 %, 90 % oder 95 % seiner Höhenerstreckung. Bevorzugt schließt die Oberseite des Speicherbehälters 106 mit der Erdoberfläche ab oder ist leicht oberhalb der Erdoberfläche angeordnet, sodass die Zu-/Ableitungen oder Anschlusselemente der Fluidleitungen 102a, 102b oberirdisch zugängig sind.The underground arrangement does not necessarily mean that the
In der gezeigten Ausführungsform liegen die Bereiche der Fluidleitungen 102a, 102b, die außerhalb des Speicherbehälters 106 angeordnet sind (z. B. Zu-/Ableitungen oder Anschlusselemente der Fluidleitungen 102a, 102b), in vertikaler Richtung höher als der gesamte Speicherbehälter 106.In the embodiment shown, the areas of the
Der Speicherbehälter 106 wird aufgrund seiner Dimensionierung (mind. 1 m3, insbesondere 2 m3 für das thermische Speichermedium) und Materialzusammensetzung (undurchsichtig, flüssigkeitsdicht und bevorzugt korrosionsbeständig) im Folgenden auch als Zisternenspeicher 106 bezeichnet.The
Bei dem Speicherbehälter 106 der
Dadurch kann der Wärmespeicher und -tauscher 100 bequem in eine Grube hinabgelassen werden, insbesondere für eine unterirdische Anordnung.This allows the heat storage and
Bei dem dargestellten Speicherbehälter ist die Querschnittsfläche rund, bei alternativen Ausführungsformen elliptisch. Das Nichtvorhandensein von Ecken, Vorsprüngen oder Ausbuchtungen in der Querschnittsfläche erleichtert das Hinablassen in die Grube weiter.In the storage container shown, the cross-sectional area is round, in alternative embodiments it is elliptical. The absence of corners, projections or bulges in the cross-sectional area further facilitates descent into the pit.
Durch die unterirdische Anordnung minimiert der Wärmespeicher und -tauscher 100 seinen Platzbedarf (d. h. den Bedarf an Grundfläche) in dem mit Wärme zu versorgenden Gebäude bzw. auf dem Grundstück, in dem er installiert wird. Der Wärmespeicher und -tauscher 100 kann als unterirdischer Wärmespeicher und -tauscher 100 beispielsweise eine Nachrüstkomponente für ein bestehendes System bilden.Due to the underground arrangement, the heat storage and
Der Wärmetauscher 104 der Ausführungsform der
Die Anordnung des Wärmetauschers 104 in dem Speicherbehälter 106 ermöglicht eine große Rohrlänge des (insbes. Doppelrohr-)Wärmetauschers, und somit einen effektiven Wärmeübertrag zwischen der ersten und zweiten Fluidleitung 102, 102b. Insbesondere ist das Raumangebot im Speicherbehälter 106 größer als bei einer konventionellen Anordnung eines Wärmetauschers in einer Wärmepumpe. Anstelle eines Doppelrohrwärmetauschers kann ein Mehrfachrohrwärmetauscher (d. h., mit mehr als zwei Leitungen, die koaxial in thermischem Kontakt miteinander angeordnet sind), ein Plattenwärmetauscher oder ein Rohrbündelwärmetauscher verbaut sein, um ebenso von dem größeren Platzangebot zu profitieren. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Doppelrohrwärmetauscher 104 spiralförmig mit einer Höhe von 2 m und einem Durchmesser von 0,5 m, es sind aber (angepasst an den jährlichen Energiebedarf des zu versorgenden Gebäudes) Durchmesser von 1 m, 2 m, 3 m oder 4 m möglich.The arrangement of the
Ein erster Abschnitt 144 des Wärmetauschers 104 ist unterhalb der Sollfüllhöhe 116 angeordnet (d. h. ist in dem Bereich des Speicherbehälters 106 für das thermische Speichermedium 108 angeordnet) und steht über seine äußere Wandung, die zugleich die äußere Wandung der zweiten Fluidleitung 102b bildet, in thermischem Kontakt mit dem Bereich des Speicherbehälters 106 für das thermische Speichermedium 108. Der Bereich des Speicherbehälters 106 für das thermische Speichermedium 108 umgibt die zweite Fluidleitung 102b, und bei Ausführungsformen mit einem Doppelrohrwärmetauscher die erste Fluidleitung 102a. In anderen Worten ist durch die Anordnung des Wärmetauschers 104 (insbes. seines ersten Abschnitts 144) in dem Speicherbehälter 106 (insbes. in dem Bereich des Speicherbehälters 106 für das thermische Speichermedium 108) ein Dreifachwärmetauscher aus erster Fluidleitung 102a, zweiter Fluidleitung 102b und Speicherbehälter 106 (insbes. dem Bereich des Speicherbehälters 106 für das thermische Speichermedium 108 bzw. unterhalb der Sollfüllhöhe 116) gebildet. Diese Anordnung ermöglicht den Austausch von Wärme zwischen einem Fluid in der ersten Fluidleitung 102a, einem Fluid in der zweiten Fluidleitung 102b und dem thermischen Speichermedium 108.A
Auch beim Wärmeübertrag zwischen der zweiten Fluidleitung 102b (und mittelbar der ersten Fluidleitung 102a) und dem thermischen Speichermedium 108 ermöglicht die Anordnung des Wärmetauschers 104 im Speicherbehälter 106 einen effektiven Wärmeübertrag, wie oben im Zusammenhang mit dem Wärmeübertrag zwischen der ersten Fluidleitung 102a und der zweiten Fluidleitung 102b beschrieben.Even with heat transfer between the
Der Wärmetauscher 104 erstreckt sich nach oben durch den Bereich des Speicherbehälters 106 für das thermische Speichermedium 108 bis oberhalb der Sollfüllhöhe 116 des Speicherbehälters 106 für das thermische Speichermedium 108. Somit steht ein erster Bereich 144 (z. B. unterhalb der Sollfüllhöhe 116 des Speicherbehälters 106 für das thermische Speichermedium 108) des Wärmetauschers 104 in thermischem Kontakt mit dem thermischen Speichermedium 108, während ein zweiter Bereich 138 (z. B. oberhalb der Sollfüllhöhe 116 des Speicherbehälters 106 für das thermische Speichermedium 108) des Wärmetauschers 104 nicht mit dem thermischen Speichermedium 108 (oder dem dafür vorgesehenen Bereich des Speicherbehälters 106) in thermischem Kontakt steht, d. h. davon beabstandet bzw. durch Luft davon isoliert ist. Der erste Abschnitt 144 entspricht dem Mittelbereich des Wärmetauschers 144, der zweite Bereich 138 entspricht den beiden Endbereichen 138 des Wärmetauschers 104.The
Als Referenzgröße für das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des thermischen Kontakts zwischen einem Abschnitt des Wärmetauschers 104 und dem thermischen Speichermedium 108 kann die Wärmeleitfähigkeit zwischen der ersten Fluidleitung 102a und der zweiten Fluidleitung 102b betrachtet werden. Ist die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Abschnitt des Wärmetauschers 104 und dem thermischen Speichermedium 108 (z. B. pro Länge) geringer (z. B. einfach geringer, oder um einen Faktor 2,3, 5 oder 10 geringer) als die Wärmeleitfähigkeit zwischen der ersten Fluidleitung 102a und der zweiten Fluidleitung 102b, so ist ein thermischer Kontakt nicht vorhanden. Dies führt dazu, dass sich die Temperaturen von Fluiden in der ersten Fluidleitung 102a und der zweiten Fluidleitung 102b stärker aneinander angleichen als (z. B. jeweils) an die Temperatur des thermischen Speichermediums 108.The thermal conductivity between the
Da bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Wärmetauscher 104 in seinem Mitelbereich 144 (d. h. in seinem ersten Abschnitt 144) mit dem thermischen Speichermedium 108 im thermischen Kontakt steht, gleicht sich die Temperatur von Fluiden, die die Fluidleitungen 102a, 102b durchströmen, dort weitgehend an die Temperatur des thermischen Speichermediums 108 an. In zumindest einem Endbereich 138 (d. h. in seinem zweiten Abschnitt 138) steht der Wärmetauscher 104 hingegen nicht in thermischem Kontakt mit dem thermischen Speichermedium 108. Folglich nähert sich die Temperatur eines Fluids, das eine der Fluidleitungen 102a, 102b durchströmt, nach dem Durchströmen des Mittelbereichs 144 des Wärmetauschers 104, in diesem Endbereich 138 an die Temperatur des Fluids in der anderen Fluidleitung 102a, 102b an.Since in the illustrated embodiment the
Bevorzugt wird der Wärmetauscher 104 als Gegenstromwärmetauscher betrieben. Somit gleicht sich in dem Endbereich 138 die Temperatur des ausströmenden Fluids in der einen Fluidleitung 102a, 102b an die Temperatur des einströmenden Fluids in der anderen Fluidleitung 102a, 102b an. Typischerweise ist die Temperaturspreizung zwischen diesen Fluiden größer als die Temperaturdifferenz des ausströmenden Fluids zu dem thermischen Speichermedium 108. Somit wird das ausströmende Fluid in dem Endbereich 138 des Wärmetauschers 104 ohne thermischen Kontakt zu dem thermischen Speichermedium 108 stärker gekühlt oder erhitzt als dies der Fall wäre, wenn der thermische Kontakt des Wärmetauschers 104 zu dem thermischen Speichermedium 108 über die gesamte Länge des Wärmetauschers 104 hinweg bestünde. Bei beispielhaften Ausführungsformen wird das ausströmende Fluid aus der zweiten Fluidleitung 102b zum Kühlen an eine photovoltaische Anlage geleitet, während das einströmende Fluid in die erste Fluidleitung 102a von einer kalten Seite einer Wärmepumpe kommend die benötigte Kälte bereitstellt. Bei solchen Ausführungsformen wird durch den Endbereich 138 des Wärmetauschers 104 eine geringere Temperatur des ausströmenden Fluids aus der zweiten Fluidleitung 102b und somit eine verbesserte Kühlung der photovoltaischen Anlage erreicht.The
Das Ausmaß der Temperaturangleichung der Fluidleitungen 102a, 102b (bzw. der darin enthaltenen Fluide) in dem Endbereich 138 des Wärmetauschers kann durch Steuern der Strömungsgeschwindigkeit zumindest eines der Fluide (insbesondere beider Fluide) in seiner Fluidleitung 102a, 102b (insbesondere in den beiden Fluidleitungen 102a, 102b) gesteuert werden. Durch eine hohe Strömungsgeschwindigkeit wird eine nennenswerte Temperaturangleichung zwischen den Fluidleitungen 102a, 102b (bzw. den darin enthaltenen Fluiden) vermieden. Das ausströmende Fluid weist im Wesentlichen die Temperatur des thermischen Speichermediums 108 auf. Durch eine geringe Strömungsgeschwindigkeit wird eine starke Temperaturangleichung zwischen den Fluidleitungen 102a, 102b (bzw. den darin enthaltenen Fluiden) bewirkt, und das ausströmende Fluid weist im Wesentlichen die Temperatur der anderen Fluidleitung (bzw. des darin enthaltenen Fluids) auf. Bevorzugt wird ein Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur des ausströmenden Fluids bereitgestellt, und die Strömungsgeschwindigkeit eines der Fluide (oder der beiden Fluide) durch die zugehörige(n) Fluidleitung(en) 102a, 102b wird bezüglich der von dem Temperatursensor erfassten Temperatur (insbesondere zum Erreichen einer vorgegebenen Soll-Temperatur) geregelt.The extent of temperature equalization of the
Das thermische Speichermedium 108 besteht zu einem Großteil (beispielsweise hinsichtlich seines Volumens) aus Wasser. Zudem ist ein Frostschutzmittel enthalten, sodass der Gefrierpunkt des thermischen Speichermediums 108 unterhalb demjenigen von Wasser liegt, beispielsweise bei höchstens -1° oder höchstens -2°, für Tieftemperaturanwendungen auch unterhalb von -20°C oder -35°C. Bei alternativen Ausführungsformen, insbesondere für die Verwendung als Hochtemperatur-Wärmespeicher, finden thermische Speichermedien 108 Anwendung, die einen Schmelzpunkt im Bereich von 10°C bis 70°C haben (z. B. 10°C, 20°C oder 30°C), wie beispielsweise Paraffine. Dadurch kann auch bei der Verwendung als Hochtemperatur-Wärmespeicher die Wärmekapazität des Speichermediums 108 durch Ausnutzung seiner latenten Wärme am Phasenübergang vergrößert werden.The
Bei einigen Ausführungsformen ermöglicht die Wandung des Speicherbehälters 106 eine thermische Kopplung des thermischen Speichermediums 108 an ein den thermischen Speicherbehälter 106 umgebendes Medium. Konkret wird der Speicherbehälter 106 im Erdreich angeordnet, dass das umgebende Medium bildet.In some embodiments, the wall of the
Durch das in dem thermischen Speichermedium 108 enthaltene Frostschutzmittel und seinen Gefrierpunkt unterhalb desjenigen von Wasser ist sichergestellt, dass bei einem Absinken der Temperatur (insbesondere unter den Gefrierpunkt von Wasser) zunächst Wasser im umgebenden Medium gefriert, bevor das thermische Speichermedium 108 gefriert. Somit ist das thermische Speichermedium 108 effektiv vor dem Gefrieren geschützt, bzw. der Speicherbehälter 106 ist durch Frostschäden aufgrund einer Volumenausdehnung des thermischen Speichermediums 108 beim Gefrieren geschützt.The antifreeze contained in the
Um einen noch stärkeren Frostschutz zu gewährleisten, ist bei einigen Ausführungsformen in dem thermische Speichermedium 108 ein Frostschutzmittel wie Glykol in einer Konzentration von bis zu 50% enthalten, um den Gefrierpunkt des thermische Speichermedium 108 weiter abzusenken, wie beispielsweise auf -20°C oder -35°C.In order to ensure even greater frost protection, in some embodiments, an antifreeze such as glycol is contained in the
Bevorzugt wird der Wärmespeicher und -tauscher 100 (bzw. der Wärmetauscher 104) als Gegenstromwärmetauscher verwendet, d. h. ein Fluidstrom durch die erste Fluidleitung 102a ist entgegengesetzt zu einem Fluidstrom durch die zweite Fluidleitung 102b gerichtet. Dies verbessert die Effektivität des Wärmeübertragens zwischen der ersten Fluidleitung 102a und der zweiten Fluidleitung 102b weiter.The heat storage and exchanger 100 (or the heat exchanger 104) is preferably used as a countercurrent heat exchanger, i.e. H. a fluid flow through the
Die Höhe h des für das thermische Speichermedium (nicht dargestellten) vorgesehenen Bereichs des Speicherbehälters 106 ähnelt der entsprechenden Höhe bei dem Wärmespeicher und -tauscher 100 der
Zur Verwendung des Wärmespeicher und -tauschers 100 als unterirdischer Wärmespeicher wird der für das thermische Speichermedium vorgesehene Bereich des Speicherbehälters 106 im Erdreich angeordnet, während der Dom 142 zumindest teilweise oberirdisch angeordnet ist. Somit sind die Fluidleitung 102a, 102b zum Verbinden oberirdisch zugängig.To use the heat storage and
In dem Speicherbehälter 106 der
Der zusätzliche Wärmetauscher 118 ermöglicht eine effektive und steuerbare thermische Kopplung des Wärmespeicher und -tauschers 100 bzw. des darin angeordneten thermischen Speichermediums an ein den Speicherbehälter 106 umgebendes Medium, konkret an das Erdreich bei unterirdischer Anordnung des Speicherbehälters 106. Hierfür ist ein Erdwärmekollektor in dem Erdreich angeordnet, und eine Fluidleitung des Erdwärmekollektors ist mit den Zu-/Ableitungen 120 verbunden. Über ein Ventil und/oder eine Umwälzpumpe wird der Strom eines Fluids (beispielsweise einer Sole) durch den zusätzlichen Wärmetauscher 118 und seriell durch die Fluidleitung des Erdwärmekollektors gesteuert, und somit die thermische Kopplung des Wärmespeicher und -tauschers 100 an das Erdreich.The
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel tritt die Fluidleitung des zusätzlichen Wärmetauschers 118 seitlich durch den Speicherbehälter 106. In anderen Worten sind die Zu-/Ableitungen 120 seitlich von dem Speicherbehälter 106 angeordnet. In alternativen Ausführungsformen tritt die Fluidleitung des zusätzlichen Wärmetauschers 118 nach oben (wie die Fluidleitungen 102a, 102b) durch den Speicherbehälter 106. In solchen Ausführungsformen sind die Zu-/Ableitungen 120 oberhalb des für das thermische Speichermedium 108 vorgesehenen Bereichs des Speicherbehälters 106 angeordnet. Entsprechend den oben beschriebenen Zu-/Ableitungen 112, 114 können sie dabei oberhalb des Speichermediums 108 teilweise horizontal verlaufen. Eine entsprechende Anordnung kann das Anschließen der Zu-/Ableitungen 120 an den Erdwärmekollektor erleichtern.In the exemplary embodiment shown, the fluid line of the
Der Wärmetauscher 104 der
Die thermische Isolierung 140 definiert somit den Endbereich 138 des Wärmetauschers 104 ohne thermischen Kontakt zu dem thermischen Speichermedium 108, mit den im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel der
Durch das Vorsehen der thermischen Isolierung 140 kann somit Ausmaß und Position des Endbereichs 138 des Wärmetauschers 104 ohne thermischen Kontakt zu dem thermischen Speichermedium 108 (und somit die Temperaturangleichung der Fluidleitungen 102a, 102b bzw. der darin enthaltenen Fluide) gezielt und unabhängig vom Verlauf der Fluidleitungen 102a, 102b eingestellt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist ein Endbereich 138 des Wärmetauschers die thermische Isolierung 140 auf. Bei alternativen Ausführungsformen sind beide Endbereiche 138 mit der thermischen Isolierung ausgestattet.By providing the thermal insulation 140, the extent and position of the
Der Wärmespeicher und -tauscher 100 der
Das Druckausgleichsgefäß 130a, 130b, 1300 weist einen Druckausgleichsack 130a für eine Ausdehnungsflüssigkeit 136 auf, ein Steigrohr 130b und ein Druckausgleichbehälter 130c.The
Im Betrieb ist der Druckausgleichsack 130a mit der Ausdehnungsflüssigkeit 136 gefüllt, wenn sich das thermische Speichermedium im flüssigen Aggregatzustand befindet. Der Druckausgleichbehälter 1300 stellt in diesem Zustand ein Gasvolumen bereit, das der Volumenzunahme des thermischen Speichermediums beim Gefrieren (z. B. 8% im Falle von Wasser) zumindest entspricht.During operation, the
Gefriert im Betrieb das thermische Speichermedium, so nimmt sein Volumen zu, im Falle von Wasser um etwa 8%. Dabei drückt das thermische Speichermedium den Druckausgleichsack 130a zusammen und einen Teil der zuvor darin enthaltenen Ausdehnungsflüssigkeit 136 durch das Steigrohr 130b in den Druckausgleichbehälter 1300. Die Ausdehnungsflüssigkeit 136 verdrängt dort das Gas des Gasvolumens. Im Ergebnis kann sich das thermische Speichermedium ausdehnen, ohne dass eine Gefahr besteht, dass der Speicherbehälter 106 dadurch beschädigt wird.If the thermal storage medium freezes during operation, its volume increases, in the case of water by around 8%. The thermal storage medium compresses the
Der Wärmespeicher und -tauscher 100 der
Wie in
Durch die Umwälzvorrichtung 150 wird Eisbildung verringert und die Wärmeleitung in dem Speicherbehälter 106 verbessert. Die Umwälzvorrichtung 150 verzögert eine Schichtungsumkehr, die sonst auftritt, wenn bei Verwendung eines Wasser umfassenden (d. h. wässrigen) thermischen Speichermediums dessen Temperatur 4°C durchläuft. Da die Dichte des wässrigen thermischen Speichermediums um 4°C ihr Maximum erreicht, befindet sich bei einer (z. B. mittleren) Temperatur des Speicherbehälters (oder des darin enthaltenen thermischen Speichermediums) bei Temperaturen oberhalb bzw. unterhalb von 4°C wärmeres bzw. kälteres thermisches Speichermedium im oberen Bereich des thermischen Speicherbehälters. Im unteren Bereich des thermischen Speicherbehälters befindet sich hingegen kälteres bzw. wärmeres thermisches Speichermedium. Beim Durchlaufen der Temperatur von 4°C findet die Schichtungsumkehr statt. Durch die Umwälzvorrichtung 150 wird eine Schichtbildung des thermischen Speichermediums reduziert, und somit die Schichtungsumkehr verzögert und letztlich die Eisbildung verringert.The
Der Wärmespeicher und -tauscher 100 der
In der dargestellten Ausführungsform wird der Strömungskanal 146, 148 von zwei zueinander konzentrischen Rohren 146, 148 gebildet.In the embodiment shown, the
Das äußere Rohr 148 umschließt einen Abschnitt des Wärmetauschers 104, sowie einen Abschnitt der erzeugten Strömung 152 und die Umwälzvorrichtung 150 selbst. Somit begrenzt es die erzeugte Strömung 152 nach außen und gibt ihr eine Richtung zum Wärmetauscher 104 hin vor, indem es verhindert, dass die Strömung 152 sich allzu weit vom Wärmetauscher 104 entfernt. Das äußere Rohr 148 ist mit dem Doppelrohrwärmetauscher 104 konzentrisch.The
In der dargestellten Ausführungsform umfasst der Strömungskanal 146,148 zudem ein inneres Rohr 146, dieses ist jedoch optional und entfällt bei einigen Ausführungsformen. Das innere Rohr 146 begrenzt die erzeugte Strömung 152 weiter, nämlich nach innen, und gibt ihr somit ebenfalls eine Richtung zum Wärmetauscher 104 hin vor. Das innere Rohr 146 ist mit dem Doppelrohrwärmetauscher 104 konzentrisch und zudem mit dem äußeren Rohr 148.In the illustrated embodiment, the flow channel 146,148 also includes an
Der Strömungskanal 146, 148 verbessert die Effektivität der Umwälzvorrichtung 150, indem es die von ihr erzeugte Strömung 152 auf den Wärmetauscher 104 richtet, d. h. sie begrenzt und ihr die Richtung zum Wärmetauscher 104 hin vorgibt. Dadurch wird in sämtlichen Ausführungsformen der Wärmeübertrag zwischen Wärmetauscher 104 und Speicherbehälter bzw. thermischem Speichermedium verbessert; entsprechend kann die Umwälzvorrichtung 150 und optional der Strömungskanal 146, 148 im Zusammenhang mit sämtlichen beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen sein.The
Zudem kann die Umwälzvorrichtung besonders effektiv Eisbildung am Wärmetauscher 104 verzögern bzw. vermeiden. Eisbildung ist am Wärmetauscher 104 besonders unerwünscht, da sie zu einem reduzierten Wärmeleitung (insbesondere zwischen Wärmetauscher 104 und thermischem Speicherbehälter 106 bzw. dem thermischen Speichermedium) führen kann oder gar zu Frostschäden an dem Wärmetauscher 104.In addition, the circulation device can delay or prevent ice formation on the
Der Wärmespeicher und -tauscher 100 der
Der Wärmespeicher und -tauscher 100 der
Der Wärmespeicher und -tauscher 100 der
Das thermische Speichermedium 108 im Speicherbehälter 106 des Wärmespeicher und -tauschers 100 weist einen Temperaturverlauf auf, bei dem die Temperatur von unten nach oben zunimmt (Temperaturschichtung). Somit entsprechen die unterschiedlichen Höhen, auf denen die zusätzlichen Wärmetauscher 118, 122, 126 im Speicherbehälter 106 angeordnet sind, unterschiedlichen Temperaturen des thermischen Speichermediums 108 im Speicherbehälter 106.The
Der unterste zusätzliche Wärmetauscher 118 dient der thermischen Kopplung an einen Erdwärmekollektor oder an das umgebende Erdreich.The lowest
Der mittlere zusätzliche Wärmetauscher 122 dient der Entnahme von Wärme bei einer ersten, geringeren Temperatur, beispielsweise für ein Heizungssystem.The middle
Der obere zusätzliche Wärmetauscher 126 dient der Entnahme von Wärme bei einer zweiten, höheren Temperatur, beispielsweise für Brauchwasser.The upper
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die zusätzlichen Wärmetauscher 118, 122, 126 bzw. ihre Zu-/Ableitungen 120, 124, 128 seitlich aus dem Speicherbehälter 106 geführt. Bei alternativen Ausführungsformen sind die zusätzlichen Wärmetauscher 118, 122, 126 bzw. ihre Zu-/Ableitungen 120,124,128 nach oben aus dem Speicherbehälter 106 geführt, wie im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen von
Bei einigen Ausführungsformen weist der Endbereich 138 des Wärmetauschers eine thermische Isolierung 140 auf, wie oben beschrieben. Im Betrieb strömt ein Fluid in der ersten Fluidleitung 102a durch diesen Endbereich 138 zu der Zu-/Ableitung 114 aus dem Speicherbehälter 106 (in der
Der Wärmespeicher und -tauscher 100 weist zudem im obersten Abschnitt des Speicherbehälters 106 einen Abschnitt 138' der ersten Fluidleitung 102a auf (nicht dargestellt), der thermisch an den Bereich des Speicherbehälters 106 für das thermische Speichermedium 108 gekoppelt, jedoch von der zweiten Fluidleitung 102b thermisch isoliert ist. In diesem Bereich ist der Doppelrohrwärmetauscher 104 nicht ausgebildet. Vielmehr steht die erste Fluidleitung 102a mit dem thermischen Speichermedium 108 im direkten thermischen Kontakt und bildet mit diesem einen Wärmetauscher, ist jedoch von der zweiten Fluidleitung 102b thermisch isoliert. Dafür sind die erste Fluidleitung 102a und die zweite Fluidleitung 102b in diesem Ab-schnitt 138' voneinander beabstandet (z. B. durch ein Isoliermaterial oder durch das thermische Speichermedium 108). Bevorzugt sind die erste Fluidleitung 102a und die zweite Fluidleitung 102b in dem Abschnitt 138' getrennt voneinander von jeweils einer ihrer Zu-/Ableitungen 112, 114 in den Speicherbehälter geführt, und erst in dem Speicherbehälter 106 zu dem Wärmetauscher 104 zusammengeführt.The heat storage and
Entsprechend überträgt die erste Fluidleitung 102a die darin (oder in dem von ihr geführten Fluid) enthaltene Wärme direkt nach ihrem Eintritt in den Speicherbehälter 106 an das thermische Speichermedium 108 im obersten Bereich des Speicherbehälters 106. Typischerweise führt dabei die erste Fluidleitung 102a in diesem Bereich 138' ein Fluid, das von der warmen Seite einer Wärmepumpe kommend in den Speicherbehälter 106 einströmt. Somit findet der Wärmeübertrag bei maximaler Temperatur statt, d. h. im Wesentlichen bei der Temperatur der warmen Seite der Wärmepumpe bzw. bei der Temperatur, mit der das Fluid von der Wärmepumpe kommend in den Speicherbehälter einströmt; insbesondere ohne einen nennenswerten Temperaturverlust durch Wärmeübertrag von der ersten Fluidleitung 102a an die zweite Fluidleitung 102b.Correspondingly, the
Ein oberer Bereich 132a der Mantelfläche (oberer Mantelbereich) des Speicherbehälters 106 weist eine thermische Isolierung 134 auf. In einem unteren Bereich 132b der Mantelfläche (unterer Mantelbereich) des Speicherbehälters 106 ist die thermische Isolierung nicht vorhanden. In anderen Worten ist der obere Mantelbereich 132a gegenüber einem den Speicherbehälter 106 umgebenen Medium stärker thermisch isoliert als der untere Mantelbereich 134a, typischerweise mindestens dreimal stärker (d. h. mit einem mindestens dreifach geringerem thermischen Leitwert).An
Die Höhenerstreckung h1 des oberen Mantelbereichs 132a ist etwa doppelt so groß wie die Höhenerstreckung h2 des unteren Mantelbereichs 132b. In anderen Worten beträgt die Höhenerstreckung h1 (h2) des oberen (bzw. unteren) Mantelbereichs 132a (132b) etwa zwei Drittel (etwa ein Drittel) der Höhenerstreckung h des für das thermische Speichermedium vorgesehenen Bereichs des Speicherbehälters 106.The height extent h1 of the
Die schwächere oder im Wesentlichen nicht vorhandene thermische Isolierung des unteren Mantelbereichs 132b führt zu einer thermischen Kopplung des unteren Mantelbereichs 132b an das den Speicherbehälter 106 umgebende Medium, typischerweise an das den Speicherbehälter 106 umgebende Erdreich.The weaker or substantially non-existent thermal insulation of the
Somit wird das den Speicherbehälter 106 umgebende Medium bzw. Erdreich als zusätzliches thermische Speichermedium für Wärme bei geringer Temperatur nutzbar gemacht.The medium or soil surrounding the
Der obere Bereich des Speicherbehälters 106, in dem das thermische Speichermedium eine höhere Temperatur aufweist, ist jedoch durch den oberen Mantelbereich 132a und die Isolierung 134 thermisch isoliert, um eine hinreichend hohe Temperatur im oberen Bereich des Speicherbehälters 106 beispielsweise für Brauchwasser sicherzustellen.However, the upper area of the
Der Wärmespeicher und -tauscher 100 der
Das System 200 umfasst den Wärmespeicher und -tauscher 100, einen zweiten Wärmespeicher und -tauscher 210, ein Steuergerät 202, eine Wärmepumpe 204, eine Solaranlage 206, 208.The
Der Wärmespeicher und -tauscher 100 ähnelt demjenigen der
Gemäß der Darstellung der
Bei alternativen Ausführungsformen ähnelt der zweite Wärmespeicher und -tauscher 210 zumindest einem der Wärmespeicher und -tauscher 100 der
Das System 200 wird zumindest zeitweise (z. B. während Sommer bzw. Winter) derart betrieben, dass einer der Wärmespeicher und -tauscher 100, 210 als Niedertemperatur-Wärmespeicher (d. h. als Kältespeicher) betrieben wird, und der andere Wärmespeicher und -tauscher 100, 210 als Hochtemperatur-Wärmespeicher. Bei einer derartigen Nutzung wird die Temperaturspreizung zwischen Kältespeicher und Hochtemperatur-Wärmespeicher möglichst groß gehalten, z. B. indem bei Betrieb der Wärmepumpe 204 von dieser Wärme in den Hochtemperatur-Wärmespeicher und Kälte in den Kältespeicher abgegeben wird. Durch die Verwendung der beiden Wärmespeicher und -tauscher 100, 210 in dem System 200 als Wärme- und Kältespeicher ist, wie oben beschrieben, der Wirkungsgrad des Systems 200 verbessert gegenüber einem konventionellen System zur Wärmegewinnung, bei dem die von der Wärmepumpe abgegebene Kälteenergie als Abfallprodukt an die Umwelt, z.B. Luft oder Grundwasser, abgegeben wird. Ebenso ist der Wirkungsgrad des Systems 200 verbessert gegenüber einem konventionellen Klimaanlagensystem, bei dem die von der Wärmepumpe abgegebene Wärmeenergie als Abfallprodukt an die Umwelt abgegeben wird.The
Das System 200 ermöglicht zudem eine zeitweise, insbesondere am Übergang von Winter zu Sommer bzw. von Sommer zu Winter, Nutzung beider Wärmespeicher und -tauscher 100, 210 als Kältespeicher bzw. (Hochtemperatur-)Wärmespeicher. Dabei wird gegen Ende des Winters möglichst viel Kälte in beide Wärmespeicher und -tauscher 100, 210 eingebracht, um im Sommer zum Kühlen bereitzustehen. Gegen Ende des Sommers wird möglichst viel Wärme in beide Wärmespeicher und -tauscher 100, 210 eingebracht, um während des Winters für das Heizen zur Verfügung zu stehen.The
Der Wärmespeicher und -tauscher 100 ist mittels der ersten Fluidleitung 102a thermisch an eine kalte Seite 214 der Wärmepumpe 204 gekoppelt.The heat storage and
Der Wärmespeicher und -tauscher 100 ist mittels der zweiten Fluidleitung 102b thermisch an die Solaranlage 206, 208 gekoppelt.The heat storage and
Der Wärmespeicher und -tauscher 100 ist mittels des zusätzlichen Wärmetauschers 118 thermisch an einen Erdwärmekollektor 224 im Erdreich 230 gekoppelt. Alternativ oder zusätzlich wird die thermische Kopplung zwischen dem Wärmespeicher und -tauscher 100 und dem Erdreich 230 durch die Wandung des Wärmespeicher und -tauschers 100 bewirkt.The heat storage and
Alternativ oder zusätzlich zur thermischen Kopplung des Wärmespeicher und -tauschers 100 an Erdwärmekollektor 224 und/oder Erdreich 230 koppelt der zusätzliche Wärmetauscher 118 bei einigen Ausführungsformen den Wärmespeicher und -tauscher 100 an ein (insbesondere Nah-) Wärmenetz. Dafür ist der zusätzliche Wärmetauscher 118 direkt an das (Nah-) Wärmenetz gekoppelt (d. h. statt an den Erdwärmekollektor 224 und/oder das Erdreich 230), oder in Reihe mit dem Erdwärmekollektor 224 und/oder dem Erdreich 230. Letztere Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft zur Verwirklichung eines (Nah-)Wärmenetzes über mehrere Gebäude oder Grundstücke hinweg, die in Umgebung zueinander, d. h. in einem Quartier, angeordnet sind. Dabei wird in jedem Gebäude bzw. auf jedem Grundstück ein System 200 zu dessen Versorgung installiert. Die Wärmespeicher und -tauscher 100 der Systeme werden mittels der (z. B. in Reihe mit den) zugeordneten Erdwärmekollektoren 224 miteinander verbunden, um einen gemeinsamen Wärmespeicher (insbesondere einen Niedertemperatur-Wärmespeicher bzw. Kältespeicher) großer Kapazität zu realisieren. Entsprechend werden die Wärmespeicher und -tauscher 210 der Systeme 200 mittels der zugeordneten Erdwärmekollektoren 228 miteinander verbunden, um einen weiteren gemeinsamen Wärmespeicher (insbesondere einen Hochtemperatur-Wärmespeicher) großer Kapazität zu realisieren.Alternatively or in addition to the thermal coupling of the heat storage and
Der zweite Wärmespeicher und -tauscher 210 ist mittels seiner ersten Fluidleitung 212a thermisch an eine warme Seite 216 der Wärmepumpe 204 gekoppelt.The second heat storage and
Der zweite Wärmespeicher und -tauscher 210 ist mittels seiner zweiten Fluidleitung 212b thermisch an die Solaranlage 206, 208 gekoppelt.The second heat storage and
Die dargestellte Solaranlage 206, 208 besteht aus einer photovoltaischen Anlage 206 und einer photothermischen Anlage 208. In alternativen Ausführungsbeispielen weist die Solaranlage keine photovoltaische Anlage 206 oder photothermische Anlage 208 auf, oder sie weist mehrere photovoltaische Anlagen 206 oder photothermische Anlagen 208 auf. Die photovoltaischen Anlage 206 und die photothermischen Anlage 208 können als monolithische Einheit miteinander integriert sein (z. B. kann eine einzige Anlage die Funktion als photovoltaische Anlage 206 und photothermische Anlage 208 übernehmen) oder räumlich voneinander getrennt sein.The solar system 206, 208 shown consists of a photovoltaic system 206 and a photothermal system 208. In alternative exemplary embodiments, the solar system has no photovoltaic system 206 or photothermal system 208, or it has several photovoltaic systems 206 or photothermal systems 208. The photovoltaic system 206 and the photothermal system 208 can be integrated with one another as a monolithic unit (e.g. a single system can take on the function of a photovoltaic system 206 and a photothermal system 208) or be spatially separated from one another.
Optional ist der zweite Wärmespeicher und -tauscher 210 mittels des zusätzlichen Wärmetauschers 218 thermisch an einen Erdwärmekollektor 228 im Erdreich 232 gekoppelt. Alternativ oder zusätzlich wird die thermische Kopplung zwischen dem zweiten Wärmespeicher und -tauscher 210 und dem Erdreich 232 durch die Wandung des Wärmespeicher und -tauschers 100 bewirkt, bevorzugt durch einen unteren Mantelbereich des Speicherbehälters 220, wie entsprechend im Zusammenhang mit der
Zusätzlich zu den als durchgezogene Linie dargestellten Fluidleitungen weist das System 200 Steuerungsleitungen auf, die das Steuergerät 202 mit den anderen Komponenten verbinden. Die Steuerungsleitungen sind als gestrichelte Linien dargestellt. Die Steuerungsleitungen sind dazu eingerichtet, elektrische Signale zu übertragen und dadurch das Steuern der mit dem Steuergerät 202 verbundenen Komponenten durch das Steuergerät 202 zu ermöglichen.In addition to the fluid lines shown as a solid line, the
Insbesondere ist das Steuergerät 202 mit der photovoltaischen Anlage 206 und der Wärmepumpe 204 verbunden.In particular, the
Durch seine Verbindung mit der photovoltaischen Anlage 206 empfängt das Steuergerät 202 Informationen hinsichtlich der aktuell von der photovoltaischen Anlage 206 produzierten elektrischen Leistung.Through its connection to the photovoltaic system 206, the
Durch seine Verbindung mit der Wärmepumpe 204 steuert das Steuergerät 202 den Betriebszustand der Wärmepumpe 204, d. h. die aktuelle Leistung der Wärmepumpe. Insbesondere kann das Steuergerät 202 die Wärmepumpe 204 aus- oder einschalten.Through its connection to the
Das Steuergerät 202 stellt zudem einen Eingang bereit, um zusätzlich zu der aktuell von der photovoltaischen Anlage 206 produzierten elektrischen Leistung weitere Informationen hinsichtlich der Verfügbarkeit von elektrischer Leistung zu erhalten. Diese Informationen beziehen sich unter anderem auf die Verfügbarkeit von elektrischer Leistung aus Windkraft.The
Optional beziehen sich die Informationen auf einen Verbrauch von elektrischer Leistung, beispielsweise in einem dem System 200 zugeordneten Gebäude. In derartigen Ausführungsformen bezieht sich die Verfügbarkeit von elektrischer Leistung auf die Differenz zwischen bereitgestellter elektrischer Leistung, beispielsweise von der photovoltaischen Anlage 206 und/oder einer Windkraftanlage, und dem Verbrauch von elektrischer Leistung.Optionally, the information relates to a consumption of electrical power, for example in a building assigned to the
Das Steuergerät 202 stellt zudem einen Eingang bereit, um Information hinsichtlich eines Wärmebedarfs zu erhalten, beispielsweise hinsichtlich eines mit Wärme zu versorgenden Gebäudes oder Gebäudekomplexes.The
Zudem ist das Steuergerät 202 mit Temperatursensoren verbunden, die die Temperatur der photovoltaischen Anlage 206, der photothermischen Anlage 208, des Erdreichs 230, des Erdreichs 232, des (insbes. thermischen Speichermedium des) Wärmespeicher und -tauschers 100 und des (insbes. thermischen Speichermediums des) zweiten Wärmespeicher und -tauschers 210 ermitteln und an das Steuergerät 202 übermitteln. Ist ein Wärmespeicher und -tauscher als Mehrzonenwärmetauscher ausgelegt, weist er mehrere Temperatursensoren auf, die dazu eingerichtet sind, die Temperatur auf unterschiedlichen Höhen seines Speicherbehälter zu ermitteln und an das Steuergerät 202 zu übermitteln.In addition, the
Zudem ist das Steuergerät 202 mit Ventilen und Flussreglern verbunden, die als Kreise an Verbindungspunkten zwischen Fluidleitung dargestellt sind. Das Steuergerät regelt mittels der Ventile und Flussregler Richtung und Fluss der Fluidströmung durch die jeweilige Fluidleitung. Zudem steuert das Steuergerät 202 Umwälzpumpen (nicht dargestellt) und auch dadurch die Flüsse der Fluidströmungen durch die Fluidleitungen.In addition, the
Insbesondere steuert das Steuergerät 220 den Fluss (beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit) durch zumindest eine der Fluidleitungen 102a, 102b, um die Temperatur eines Fluids beim Ausströmen aus einer der beiden Fluidleitungen 102a, 102b zu steuern, beispielsweise wie im Zusammenhang mit dem Endbereich 138 der
Bei dem ersten Betriebsmodus 500a der
- - dass ein geschlossener Fluidstrom durch die Solaranlage 206, 208, die
zweite Fluidleitung 102b undden Wärmetauscher 104 erzeugt wird; - - dass die
Wärmepumpe 204 im eingeschalteten Betriebszustand ist; - - dass ein geschlossener Fluidstrom durch die
kalte Seite 214der Wärmepumpe 204 und die erste Fluidleitung 102a erzeugt wird; und - - dass ein geschlossener Fluidstrom durch die
warme Seite 216der Wärmepumpe 204 und die erste Fluidleitung 212a erzeugt wird.
- - that a closed fluid flow is generated through the solar system 206, 208, the
second fluid line 102b and theheat exchanger 104; - - that the
heat pump 204 is in the switched-on operating state; - - that a closed fluid flow is generated through the
cold side 214 of theheat pump 204 and thefirst fluid line 102a; and - - that a closed fluid flow is generated through the
warm side 216 of theheat pump 204 and thefirst fluid line 212a.
Dieser erste Betriebsmodus ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Solaranlage 206, 208 eine höhere Temperatur aufweist als der Wärmespeicher und -tauscher 100 bzw. sein thermisches Speichermedium. In diesem Falle wird Wärme aus der Solaranlage 206, 208 in den Wärmespeicher und -tauscher 100 übertragen. Die Solaranlage dient somit als photothermische Anlage 208. Zudem kühlt der Wärmespeicher und -tauscher 100 die Solaranlage 206, 208, was den Wirkungsgrad der photovoltaischen Anlage 206 erhöht.This first operating mode is particularly advantageous when the solar system 206, 208 has a higher temperature than the heat storage and
Das Kühlen der photovoltaischen Anlage 206 wird dabei weiter verbessert, indem das Fluid, das durch die zweite Fluidleitung 102b zu der photovoltaischen Anlage 206 gelangt, in dem Wärmetauscher 104 in effektivem Wärmeaustausch mit dem kalten Fluid von der kalten Seite 214 der Wärmepumpe 204 steht, das die erste Fluidleitung 102a durchströmt.The cooling of the photovoltaic system 206 is further improved in that the fluid that reaches the photovoltaic system 206 through the
Da der Wärmetauscher 104 an seinem Ende (aus Sicht des Fluidstroms durch die zweite Fluidleitung 102b) einen Bereich aufweist, der thermisch von dem thermischen Speichermedium des Wärmespeicher und -tauschers 100 isoliert ist, wird der Fluidstrom durch die zweite Fluidleitung 102b unter die Temperatur des (insbesondere thermischen Speichermediums des) Wärmespeicher und -tauschers 100 gekühlt, was die Kühlung der photovoltaischen Anlage 206 weiter verbessert.Since the
Bei der dargestellten Ausführungsform ist die warme Seite 216 der Wärmepumpe thermisch an den zweiten Wärmespeicher und -tauscher 210, insbesondere an seine erste Fluidleitung 212a, gekoppelt. Somit wird die Wärme von der warmen Seite 216 der Wärmepumpe 204 in den zweiten Wärmespeicher und -tauscher 210 eingespeichert und für Zeiten schlechter Verfügbarkeit nutzbar gemacht.In the illustrated embodiment, the
Somit ist dieser erste Betriebsmodus insbesondere auch dann vorteilhaft, wenn die Verfügbarkeit von elektrischer Leistung für den Betrieb der Wärmepumpe 204 gut ist, insbesondere also dann, wenn die aktuell von der photovoltaischen Anlage 206 bereitgestellte elektrische Leistung einen vordefinierten kritischen Wert übersteigt oder elektrische Leistung nach einem anderen der oben beschriebenen Kriterien gut verfügbar ist.This first operating mode is therefore particularly advantageous when the availability of electrical power for operating the
Hier und im Folgenden werden Betriebsmodi, bei denen die Wärmepumpe 204 im eingeschalteten Betriebszustand ist, als aktiv bezeichnet. Aktive Betriebsmodi zeichnen sich beispielsweise dadurch aus, dass die Wärmepumpe mit einer Leistung von mindestens 10%, mindestens 20% oder mindestens 30 % ihrer Maximalleistung betrieben wird, oder dadurch, dass die Wärmepumpe mit einer Leistung von mindestens 10%, mindestens 20% oder mindestens 30 % einer Peakleistung der photovoltaischen Anlage 206 betrieben wird.Here and below, operating modes in which the
Bei sämtlichen Betriebsmodi wird, wenn die Verfügbarkeit von elektrischer Leistung für den Betrieb der Wärmepumpe 204 gut ist (wie oben für den ersten Betriebsmodus dargestellt) stets ein aktiver Betriebsmodus gewählt, insbesondere also dann, wenn die aktuell von der photovoltaischen Anlage 206 bereitgestellte elektrische Leistung einen aktuellen Verbrauch elektrischer Energie und/oder einen vordefinierten kritischen Wert übersteigt. Somit wird dann Energie als Wärme in den zweiten Wärmespeicher und -tauscher 210 eingespeichert, wenn sie als elektrische Leistung besonders gut oder gar im Überschuss verfügbar ist. Alternativ wird der aktive Betriebsmodus gewählt, wenn elektrische Leistung nach einem anderen der oben beschriebenen Kriterien gut verfügbar ist.In all operating modes, if the availability of electrical power for operating the
Bei dem zweiten Betriebsmodus 500p der
- - dass ein geschlossener Fluidstrom durch die Solaranlage 206, 208, die
zweite Fluidleitung 102b undden Wärmetauscher 104 erzeugt wird; und - - dass die
Wärmepumpe 204 im ausgeschalteten Betriebszustand ist.
- - that a closed fluid flow is generated through the solar system 206, 208, the
second fluid line 102b and theheat exchanger 104; and - - That the
heat pump 204 is in the switched off operating state.
In anderen Worten entspricht der geschlossene Fluidstrom durch die zweite Fluidleitung 102b bei dem zweiten Betriebsmodus demjenigen bei dem ersten Betriebsmodus, allerdings bei abgeschalteter Wärmepumpe 204. In anderen Worten entspricht der zweite Betriebsmodus 500p als passiver Betriebsmodus dem ersten Betriebsmodus 500a als aktivem Betriebsmodus.In other words, the closed fluid flow through the
Alternativ zu dargestellten Ausführungsform, bei der der Fluidstrom durch den ersten Wärmespeicher und -tauscher 100 gelenkt wird, wird der Fluidstrom bei einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt) durch den zweiten Wärmespeicher und -tauscher 210 gelenkt. Dies lässt sich durch Umstellen der Ventile 508a, 508b erreichen.As an alternative to the illustrated embodiment, in which the fluid flow is directed through the first heat storage and
Hier und im Folgenden werden Betriebsmodi, bei denen die Wärmepumpe 204 im ausgeschalteten Betriebszustand ist, als passiv bezeichnet. Passive Betriebsmodi zeichnen sich beispielsweise dadurch aus, dass die Wärmepumpe mit einer Leistung betrieben wird, die höchstens der Hälfte, höchstens einem Drittel, höchstens einem Viertel, oder höchstens einem Fünftel der Leistung im entsprechenden aktiven Betriebsmodus entspricht. Beispielsweise wird die Wärmepumpe mit einer Leistung von höchstens 9%, höchstens 6% oder höchstens 3 % ihrer Maximalleistung betrieben, oder mit einer Leistung von höchstens 9%, höchstens 6% oder höchstens 3 % einer Peakleistung der photovoltaischen Anlage 206.Here and below, operating modes in which the
Beim zweiten Betriebsmodus sowie bei sämtlichen anderen Betriebsmodi wird ein passiver Betriebsmodus immer dann gewählt, wenn die Verfügbarkeit von elektrischer Leistung für den Betrieb der Wärmepumpe 204 schlecht ist, insbesondere also dann, wenn die aktuell von der photovoltaischen Anlage 206 bereitgestellte elektrische Leistung einen aktuellen Verbrauch elektrischer Energie und/oder einen zweiten vordefinierten kritischen Wert unterschreitet. Somit wird eine Leistungsaufnahme durch die Wärmepumpe 204 gering gehalten, wenn elektrische Leistung schlecht verfügbar ist.In the second operating mode and in all other operating modes, a passive operating mode is always selected when the availability of electrical power for operating the
Wie der erste Betriebsmodus 500a ist dieser zweite Betriebsmodus 500p insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Solaranlage 206, 208 eine höhere Temperatur aufweist als der Wärmespeicher und -tauscher 100 bzw. sein thermisches Speichermedium, um die oben in Zusammenhang mit dem ersten Betriebsmodus beschriebenen Vorteile zu erzielen.Like the
Darüber hinaus ist der zweite Betriebsmodus dann vorteilhaft, wenn die Temperatur der Solaranlage 206, 208 dem Gefrierpunkt von Wasser entspricht oder darunter liegt, während die Temperatur des Wärmespeicher und -tauschers 100 bzw. seines thermisches Speichermediums darüber liegt. Bei entsprechenden Temperaturen kann sich Schnee oder Eis auf der Solaranlage 206, 208 bilden. Durch Betrieb des Systems im zweiten Betriebsmodus, beispielsweise in regelmäßigen zeitlichen Abständen, können Schnee oder Eis abgetaut werden. Dadurch kann mehr Licht auf die Solaranlage 206, 208 gelangen, und sie kann mehr elektrische Leistung und/oder Wärme bereitstellen.In addition, the second operating mode is advantageous if the temperature of the solar system 206, 208 corresponds to or is below the freezing point of water, while the temperature of the heat storage and
Der erste Betriebsmodus 500a' nach dem Ausführungsbeispiel der
Bei entsprechenden Ausführungsformen kann somit der Erdwärmekollektor 224 bzw. das Erdreich 230 als zusätzlicher Wärmespeicher genutzt werden.In corresponding embodiments, the
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durchläuft das Fluid den Erdwärmekollektor 224, bevor es den oberen Bereich des Speicherbehälters 106 durchläuft. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Temperatur des Fluids beim Einspeisen in den Erdwärmekollektor 224 bzw. nach Durchlaufen der Solaranlage 206, 208 (Vorlauftemperatur) die Temperatur im (insbes. oberen Bereich des) Speicherbehälter 106 übersteigt. Entsprechend erhält das Steuergerät 202 Informationen über die Vorlauftemperatur und die Temperatur im (oberen Bereich des) Speicherbehälter 106. Übersteigt die Vorlauftemperatur die Temperatur im (oberen Bereich des) Speicherbehälter 106, wählt das Steuergerät 202 den Betriebsmodus 500a' und dieser wird ausgeführt.In the illustrated embodiment, the fluid passes through the
Bei alternativen Ausführungsformen (nicht gezeigt) durchläuft das Fluid den Erdwärmekollektor 224, nachdem es den unteren Bereich des Speicherbehälters 106 durchlaufen hat. Entsprechende Ausführungsformen sind dann vorteilhaft, wenn die Temperatur des Erdwärmespeichers unterhalb der Temperatur des (insbes. unteren Bereichs des) Speicherbehälters 106 liegt. Das Steuergerät 202 wählt einen solchen Betriebsmodus, und er wird ausgeführt, wenn die Vorlauftemperatur unterhalb der Temperatur im (insbes. unteren Bereich des) Speicherbehälters 106 liegt.In alternative embodiments (not shown), the fluid passes through the
Bei dem dritten Betriebsmodus 530 steuert das Steuergerät 202 die Wärmepumpe 204 und die Fluidströme durch die Fluidleitungen derart,
- - dass die
Wärmepumpe 204 im eingeschalteten Betriebszustand ist; - - dass ein geschlossener Fluidstrom durch die
kalte Seite 214der Wärmepumpe 204 und die erste Fluidleitung 102a erzeugt wird; und - - dass ein geschlossener Fluidstrom durch die
warme Seite 216der Wärmepumpe 204 und die erste Fluidleitung 212a erzeugt wird.
- - that the
heat pump 204 is in the switched-on operating state; - - that a closed fluid flow is generated through the
cold side 214 of theheat pump 204 and thefirst fluid line 102a; and - - that a closed fluid flow is generated through the
warm side 216 of theheat pump 204 and thefirst fluid line 212a.
Der dritte Betriebsmodus 510 erlaubt somit, Wärme von dem Wärmespeicher und - tauscher 100 in den Wärmespeicher und -tauscher 210 zu übertragen. Somit kann eine hinreichend hohe Temperatur des zweiten Wärmespeicher und -tauschers 210 bzw. seines thermisches Speichermediums sichergestellt werden, insbesondere in dessen oberen Bereich, in dem der Wärmetauscher 126 Wärme für Brauchwasser entnimmt. Die Temperatur für Brauchwasser ist somit regelmäßig hinreichend hoch, um eine Bildung von Legionellen zu vermeiden.The
Bei der dargestellten Ausführungsform wird zudem Wärme von der warmen Seite 216 der Wärmepumpe 204 oder Kälte von der kalten Seite 214 der Wärmepumpe 204 mittels der Fluidleitung in 506b auf ein Gebäude 502 übertragen, um dieses zu heizen oder zu kühlen. Bei alternativen Ausführungsformen wird auf den Wärmeübertrag oder Kälteübertrag an das Gebäude 502 verzichtet. Ob Wärme oder Kälte oder keines von beidem an das Gebäude 502 übertragen werden soll, wird von dem Steuergerät 202 anhand einer Ist-Temperatur des Gebäudes 502 und einer Soll-Temperatur für das Gebäude 502, die ein Nutzer einstellt, bestimmt. Mit anderen Worten dient das System je nach Soll-Temperatur und Ist-Temperatur des Gebäudes zum Heizen oder Kühlen. Das Steuergerät 202 steuert die Ausführung des Betriebsmodus entsprechend.In the illustrated embodiment, heat from the
Ein entsprechender Wärme- oder Kälteübertrag an das Gebäude 502 ist optional bei allen anderen aktiven Betriebsmodi, beispielsweise bei den vorstehend im Zusammenhang mit
Bei dem dritten Betriebsmodus handelt es sich um einen aktiven Betriebsmodus, der dann ausgeführt wird, wenn die Verfügbarkeit von elektrischer Leistung zum Betreiben der Wärmepumpe 204 gut ist. Die Verfügbarkeit von elektrischer Leistung wird wie oben beschrieben von dem Steuergerät 202 bestimmt.The third operating mode is an active operating mode that is carried out when the availability of electrical power to operate the
Bei dem vierten Betriebsmodus 520 steuert das Steuergerät 202 die Wärmepumpe 204 und die Fluidströme durch die Fluidleitungen derart,
- - dass ein geschlossener Fluidstrom durch die Solaranlage 206, 208 und
die kalte Seite 214der Wärmepumpe 204 erzeugt wird; - - dass die
Wärmepumpe 204 im eingeschalteten Betriebszustand ist; und - - dass ein geschlossener Fluidstrom durch die
warme Seite 216der Wärmepumpe 204 und die erste Fluidleitung 212a erzeugt wird.
- - that a closed fluid flow is generated through the solar system 206, 208 and the
cold side 214 of theheat pump 204; - - that the
heat pump 204 is in the switched-on operating state; and - - that a closed fluid flow is generated through the
warm side 216 of theheat pump 204 and thefirst fluid line 212a.
Auch bei diesem Betriebsmodus wird optional Wärme oder Kälte an das Gebäude 502 übertragen, wie oben im Zusammenhang mit dem Betriebsmodus der
Der vierte Betriebsmodus 520 ermöglicht das Bereitstellen von Wärme aus der Solaranlage 206, 208 zum Heizen des Gebäudes 502 oder zum Einspeichern in den zweiten Wärmespeicher und -tauscher 210. Alternativ zum Einspeichern in den zweiten Wärmespeicher und -tauscher 210 kann die Wärme in den Wärmespeicher und -tauscher 100 eingespeichert werden.The
Alternativ zum (insbesondere ausschließlichen) Einspeichern der Wärme in das Speichermedium des zweiten Wärmespeicher und -tauschers 210 kann der zweite Wärmespeicher und -tauscher 210 mit dem Erdwärmekollektor 228 in Reihe geschaltet werden, sodass die Wärme in den Erdwärmekollektor 228 und den zweiten Wärmespeicher und -tauscher 210 eingespeichert wird.As an alternative to (in particular exclusively) storing the heat in the storage medium of the second heat storage and
Entsprechend kann beim Einspeichern in den Wärmespeicher und -tauscher 100 der Erdwärmekollektor 224 in Reihe geschaltet werden.Accordingly, the
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel des vierten Betriebsmodus 520 wird die Wärme der Solaranlage 206, 208 als Wärmequelle entnommen. Bei alternativen Ausführungsformen wird die Wärme einem der Erdwärmekollektoren 224, 228 als Wärmequelle entnommen. Bei solchen Ausführungsformen wird ein geschlossener Fluidstrom durch den Erdwärmekollektor 224 oder 228 und die kalte Seite 214 der Wärmepumpe 204 erzeugt, anstelle des geschlossenen Fluidstroms durch die Solaranlage 206, 208 und die kalte Seite 214 der Wärmepumpe 204. Bevorzugt wird wahlweise Erdwärmekollektor 224, Erdwärmekollektor 228 oder Solaranlage 206, 208 als Wärmequelle verwendet, je nachdem, welches dieser Elemente die höchste Temperatur aufweist. Die Auswahl wird automatisiert von dem Steuergerät 202 anhand von mit diesen Elementen verknüpften Temperatursensoren vorgenommen.In the illustrated embodiment of the
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Wärme durch die Fluidleitung 506a mittels der Wärmepumpe 204 und die Fluidleitung 506b dem Gebäude 502 zugeführt. Bei alternativen Ausführungsformen wird stattdessen die Wärme durch die Fluidleitung 504 dem Gebäude 502 zugeführt, d. h. ohne Verwendung der Wärmepumpe 204 (und der Fluidleitungen 506a, 506b). Derartige alternative Ausführungsformen stellen einen passiven Betriebsmodus bereit, der dem dargestellten aktiven Betriebsmodus ansonsten entspricht. Der passive Betriebsmodus ist vorteilhaft, wenn die Temperatur der Solaranlage 206, 208 (oder die Temperatur eines der Erdwärmekollektor in 224, 228) die Temperatur des Wärmespeicher und -tauschers 100, bzw. seines Speichermediums, übersteigt und/oder wenn die Verfügbarkeit von elektrischer Leistung schlecht ist.In the illustrated embodiment, the heat is supplied to the
Bei dem fünften Betriebsmodus 530 steuert das Steuergerät 202 die Fluidströme durch die Fluidleitungen derart,
- - dass ein geschlossener Fluidstrom durch
den Wärmetauscher 126und das Gebäude 502 erzeugt wird.
- - that a closed fluid flow is generated through the
heat exchanger 126 and thebuilding 502.
Entsprechend kann Wärme für das Gebäude 502, beispielsweise für Brauchwasser, aus dem zweiten Wärmespeicher und -tauscher 210 entnommen werden.Accordingly, heat for the
Bei alternativen Ausführungsformen des fünften Betriebsmodus 530 wird die Wärme für das Gebäude 502 mittels des Wärmetauschers 122 dem zweiten Wärmespeicher und -tauscher 210 oder mittels des Wärmetauschers 118 dem Wärmespeicher und -tauscher 100 oder mittels des Erdwärmekollektors 224 oder mittels des Erdwärmekollektors 228 dem Erdreich 230 oder 232 entnommen.In alternative embodiments of the
Welcher Wärmetauscher 118, 122, 126 oder Erdwärmekollektor 224, 228 verwendet wird, wird durch das Steuergerät 202 auf Grundlage von Temperaturen an den jeweiligen Wärmetauschern 118, 122, 126 und anhand einer angefragten Temperatur bestimmt, sowie anhand der Wahl eines aktiven oder passiven Betriebsmodus.Which
Zunächst bestimmt das Steuergerät 202 anhand der Verfügbarkeit elektrischer Leistung, ob ein aktiver oder passiver Betriebsmodus gewählt werden soll.First, the
Bei Wahl eines passiven Betriebsmodus bzw. bei schlechter Verfügbarkeit von elektrischer Leistung, wählt das Steuergerät 202 den Wärmetauscher 118, 122, 126 oder Erdwärmekollektor 224, 228, dessen Temperatur die angefragte Temperatur um den geringsten Betrag übersteigt. Findet sich kein Wärmetauscher 118, 122, 126 oder Erdwärmekollektor 224, 228, dessen Temperatur die angefragte Temperatur übersteigt, so wählt das Steuergerät 202 den Wärmetauscher 118, 122, 126 oder Erdwärmekollektor 224, 228 mit der höchsten Temperatur oder wechselt in einen aktiven Betriebsmodus.When selecting a passive operating mode or when there is poor availability of electrical power, the
Bei Wahl eines aktiven Betriebsmodus bzw. bei guter Verfügbarkeit von elektrischer Leistung wählt das Steuergerät 202 den Wärmetauscher 118, 122, 126 oder Erdwärmekollektor 224, 228, und koppelt ihn an die kalte Seite der Wärmepumpe 204, bei dem die warme Seite 216 der Wärmepumpe 204 im Betrieb (insbesondere mit der günstig zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung) die angefragte Temperatur um den geringsten Betrag übersteigt.When selecting an active operating mode or when there is good availability of electrical power, the
Dieses Vorgehen stellt sicher, dass Wärme aus dem Wärmetauscher 118, 122, 126 oder Erdwärmekollektor 224, 228 mit der geringsten möglichen Temperatur entnommen wird und verbessert somit die Energieeffizienz des Systems.This procedure ensures that heat is removed from the
Beispiele für entsprechende Varianten 530', 530'', 530''' des fünften Betriebsmodus 530 sind in der
Bei dem Beispiel 530' der
Eine Fußbodenheizung im Gebäude fragt aufgrund einer Benutzerauswahl eine Temperatur von 35° bei dem Steuergerät 202 an.An underfloor heating system in the building requests a temperature of 35° from the
Bei dem Beispiel 530' wird aufgrund der guten Verfügbarkeit elektrischer Leistung ein aktiver Betriebsmodus gewählt.In example 530', an active operating mode is selected due to the good availability of electrical power.
Bei dem dargestellten Beispiel ist die von der photovoltaischen Anlage 206 günstig zur Verfügung gestellte elektrische Leistung nicht ausreichend, um bei Betrieb der Wärmepumpe 204 mit dieser Leistung und einem Fluid aus dem Speicherbehälter 106 mit einer Temperatur von -2° an der kalten Seite 214 der Wärmepumpe 204 die warme Seite 216 auf die Solltemperatur von 35° zu erhitzen. Allerdings ist die von der photovoltaischen Anlage 206 günstig zur Verfügung gestellte elektrische Leistung ausreichend, um bei Betrieb der Wärmepumpe 204 mit dieser Leistung und einem Fluid aus dem Erdreich 230 mit einer Temperatur von 5° an der kalten Seite 214 der Wärmepumpe 204 die warme Seite 216 auf die Solltemperatur von 35° zu erhitzen.In the example shown, the electrical power cheaply provided by the photovoltaic system 206 is not sufficient to operate the
Somit wählt das Steuergerät 202 den Erdwärmekollektor 224 und koppelt ihn an die kalte Seite 214 der Wärmepumpe 204. Aus der warmen Seite 216 der Wärmepumpe 204 wird das Gebäude 502 beheizt.The
Bei dem Beispiel 530'' der
Eine Fußbodenheizung im Gebäude fragt aufgrund einer Benutzerauswahl eine Temperatur von 18° bei dem Steuergerät 202 an.An underfloor heating system in the building requests a temperature of 18° from the
Bei dem Beispiel 530'' wird aufgrund der schlechten Verfügbarkeit elektrischer Leistung ein passiver Betriebsmodus gewählt.In example 530'', a passive operating mode is selected due to the poor availability of electrical power.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist weder die Temperatur des Wärmespeicher und -tauschers 100 noch die Temperatur des Erdreichs 230 ausreichend, um die Soll-Temperatur von 18° bereitzustellen. Allerdings ist die Temperatur des Erdreichs 232 ausreichend, um die Soll-Temperatur von 18° bereitzustellen.In the exemplary embodiment shown, neither the temperature of the heat storage and
Somit wählt das Steuergerät 202 den Erdwärmekollektor 228 und koppelt ihn zum Heizen an das Gebäude 502.The
Bei dem Beispiel 530''' der
Eine Fußbodenheizung im Gebäude fragt aufgrund einer Benutzerauswahl eine Temperatur von 25° bei dem Steuergerät 202 an.An underfloor heating system in the building requests a temperature of 25° from the
Bei dem Beispiel 530'' wird aufgrund der schlechten Verfügbarkeit elektrischer Leistung ein passiver Betriebsmodus gewählt.In example 530'', a passive operating mode is selected due to the poor availability of electrical power.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist weder die Temperatur des Wärmespeicher und -tauschers 100 noch die Temperatur des Erdreichs 230, 232 ausreichend, um die Soll-Temperatur von 25° bereitzustellen. Allerdings ist die Temperatur des zweiten Wärmespeicher und -tauschers 210 ausreichend, um die Soll-Temperatur von 25° bereitzustellen.In the exemplary embodiment shown, neither the temperature of the heat storage and
Somit wählt das Steuergerät 202 den zweiten Wärmespeicher und -tauscher 210 und koppelt ihn zum Heizen an das Gebäude 502.The
Bevorzugt wird beim Heizen in einem passiven Betriebsmodus aus einem der Wärmespeicher und -tauscher 100, 210 der dem Wärmespeicher und -tauscher 100, 210 zugeordnete Erdwärmekollektor 224, 228 dem Wärmespeicher und -tauscher 100, 210 vorgeschaltet, insbesondere dann, wenn die Temperatur des zugeordneten Erdwärmekollektors 224, 228 oberhalb der Rücklauftemperatur des Fluids aus dem Gebäude 502 liegt.When heating in a passive operating mode, the
Entsprechend wird im dargestellten Beispiel der Erdwärmekollektor 228 dem zweiten Wärmespeicher und -tauscher 210 vorgeschaltet. Dies resultiert in einem Vorheizen des Fluids aus dem Gebäude, bevor es durch den zweiten Wärmespeicher und -tauscher 210 geleitet wird. Das Fluid entnimmt somit einen Teil der Wärme zum Heizen des Gebäudes 502 dem System bei niedrigerer Temperatur (aus dem Erdwärmekollektor 228) statt bei höherer Temperatur (aus dem zweiten Wärmespeicher und -tauscher 210). Die Wärmeentnahme bei geringerer Temperatur verbessert die Energieeffizienz des Systems weiter.Accordingly, in the example shown, the
Der Fachmann versteht, dass die vorstehenden Beispiele lediglich verschiedene Betriebsweisen des Systems veranschaulichen sollen, ohne dass dabei eine Einschränkung der Lehre beabsichtigt ist. Beispielsweise können in Ausführungsbeispielen unterschiedliche thermische Speicher kombiniert werden, bspw. durch Mischen von flüssigen Wärmeleitmedien, welche mit unterschiedlichen thermischen Speichern thermisch gekoppelt sind, insbesondere mittels eines Mischventils, um eine angefragte Temperatur bereitzustellen.Those skilled in the art will understand that the foregoing examples are intended merely to illustrate various modes of operation of the system, without intending to limit the teachings. For example, in exemplary embodiments, different thermal stores can be combined, for example by mixing liquid heat-conducting media that are thermally coupled to different thermal stores, in particular by means of a mixing valve, in order to provide a requested temperature.
Das Nahwärmenetz (bzw. das zweite Nahwärmenetz) dient zum Speichern von Wärme oder Kälte mit einer größeren Wärmekapazität als derjenigen, die ein einziger Wärmespeicher und -tauscher 100 oder ein einziges System 200 bereitstellen würde. Das Nahwärmenetz (bzw. das zweite Nahwärmenetz) werden daher im Folgenden auch als Speichersystem (bzw. komplementäres Speichersystem) bezeichnet.The local heating network (or the second local heating network) serves to store heat or cold with a greater heat capacity than that which a single heat storage and
Das Nahwärmenetz (d. h. Speichersystem) umfasst eine Mehrzahl der Systeme 200. Jedes der Systeme 200 ist einem Gebäude oder Grundstück 602 zugeordnet, z. B. darin oder darauf angeordnet.The local heating network (ie storage system) includes a plurality of
Die Systeme 200 umfassen einen Wärmespeicher und -tauscher 100 sowie optional einen zweiten Wärmespeicher und -tauscher 210, z. B. einen zweiten Wärmespeicher und -tauscher 210 wie oben im Zusammenhang mit
Optional umfassen die Systeme 200 Erdwärmekollektoren 224, die einem der Wärmespeicher und -tauscher 100, 210 zugeordnet sind oder zwei Erdwärmekollektoren 224, 228 die den beiden Wärmespeicher und -tauschern 100, 210 zugeordnet sind.Optionally, the
Die Wärmespeicher und -tauscher 100 sind mittels der Leitungen 604, optional in Reihe mit den Erdwärmekollektoren 224, zu einem Speichersystem verbunden. Somit ist die Wärmespeicherkapazität des Speichersystems gegenüber derjenigen der einzelnen Systeme 200 erhöht. Je nach Ausführungsformen ist das Speichersystem ein Niedertemperatur-Speichersystem (Kälte-Speichersystem) aus Niedertemperatur-Wärmespeichern 100 (Kältespeichern 100), beispielsweise entsprechend der
Somit kann jedes der Grundstücke 602 auch dann mit Wärme (bzw. Kälte) aus dem Nahwärmenetz versorgt werden, wenn aufgrund eines zeitweise auf dem Grundstück 602 erhöhten Wärmebedarfs (bzw. Kältebedarfs) oder aufgrund einer reduzierten Energie- oder Wärmegewinnung (z. B. eines Ausfalls der Solaranlage) auf dem Grundstück 602, die Kapazität des lokalen, auf dem Grundstück 602 angeordneten Wärmespeicher und -tauschers 100 bereits erschöpft wäre.Thus, each of the
Die Erdwärmekollektoren 224, die in der Umgebung der Wärmespeicher und -tauscher 100 angeordnet und thermisch an diese gekoppelt sind, erhöhen die Wärmespeicherkapazität des Speichersystems weiter. Bei einigen Ausführungsformen sind zusätzliche Erdwärmekollektoren 224', 224'' beabstandet von den Wärmespeicher und -tauschern 100 angeordnet, z. B. zwischen den Grundstücken 602 oder abseits der Grundstücke 602, und mittels der Leitungen 604 an das Speichersystem angekoppelt.The
Der zusätzliche Erdwärmekollektor 224' ist als Abschnitt der Leitung 604 mit reduzierter thermischer Isolierung implementiert, verglichen mit anderen Bereichen der Leitung 604, die mit voller thermischer Isolierung ausgebildet sind, um einen möglichst verlustfreien Transport von Wärme bzw. Kälte zu ermöglichen. Durch die reduzierte thermische Isolierung ist die Leitung 224', 604 thermisch an das umgebende Erdreich gekoppelt und implementiert so den Erdwärmekollektor 224'.The additional geothermal collector 224 'is implemented as a section of the
Der zusätzliche Erdwärmekollektor 224'' ähnelt den im Zusammenhang mit
Entsprechend dem beschriebenen (d. h. Niedertemperatur- oder Hochtemperatur)Speichersystem sind die zweiten Wärmespeicher und -tauscher 210 mittels der Leitungen 606 zu einem zweiten Nahwärmenetz, d. h. zu einem komplementären (d. h. Hochtemperatur- oder Niedertemperatur-)Speichersystem verbunden, um ein komplementäres Speichersystem mit erhöhter Wärmespeicherkapazität zu verwirklichen. Die zweiten Wärmespeicher und -tauscher 210 können den Wärmespeicher und -tauschern 100 der
Wie für den Wärmespeicher und -tauscher 100 und den Erdwärmekollektor 224 beschrieben, ist bei einigen Ausführungsformen der zweite Wärmespeicher und -tauscher 210 an einen Erdwärmekollektor 228 gekoppelt. In der
Bei einigen Ausführungsformen sind zudem thermisch isolierende Trennwände 608 vorgesehen, um den zweiten Wärmespeicher und -tauscher 210 von dem Wärmespeicher und -tauscher 100 und/oder dem Erdwärmekollektor 224 thermisch zu isolieren, wie für das Grundstück oben rechts in
Bei bevorzugten Ausführungsformen werden entsprechende thermisch isolierende Trennwände verwendet, um den Erdwärmekollektor 224 oder den Erdwärmekollektor 228 zu definieren. Bei derartigen Ausführungsformen begrenzt eine seitlich umlaufende thermisch isolierende Trennwand den Erdwärmekollektor 224 (oder den Erdwärmekollektor 228) seitlich. Optional begrenzt eine obere und/oder untere thermisch isolierende Trennwand den Erdwärmekollektor 224 (oder den Erdwärmekollektor 228) in seiner vertikalen Erstreckung.In preferred embodiments, corresponding thermally insulating partitions are used to define the
In bevorzugten Ausführungsformen des Systems 200 der
Bei bevorzugten Ausführungsformen weist zumindest eines der Systeme 200 eine Solaranlage 206, 208 auf. Bei einigen Ausführungsformen ist eine lokal begrenzte (z. B. auf einem der Grundstücke 602 oder abseits der Grundstücke 602) Solaranlage 206, 208 vorgesehen, die eine hinreichende Peak-Leistung bereitstellt, um mehrere Grundstücke 602 zu versorgen. Bei alternativen Ausführungsformen sind die Solaranlagen 206, 208 verteilt, d. h jedes der Systeme 200 weist jeweils eine Solaranlage 206, 208 auf.In preferred embodiments, at least one of the
In
In
In
Die Anordnung des Wärmespeicher und -tauschers 100 in der
Dem Wärmespeicher und -tauscher 100 der
Einer der Wärmespeicher- und tauscher 100a ist an den zugeordnete Wärmespeicher 702 gekoppelt, wie oben beschrieben. Insbesondere ist der Hochtemperatur-Wärmespeicher (bzw. der Niedertemperatur-Wärmespeicher) an den zugeordneten Wärmespeicher 702 gekoppelt, um eine Optimierung für das Heizen (bzw. das Kühlen) des Gebäudes 700 zu gewährleisten.One of the heat storage and
Der zugeordnete Wärmespeicher 702 ist in dem Gebäude 700 angeordnet und bevorzugt als Mehrzonen-Wärmespeicher ausgelegt.The associated
Zwischen den Wärmespeicher- und tauschern 100a, 100b, insbesondere zwischen deren Speicherbehältern 106, ist eine thermisch isolierende Trennwand 608 angeordnet. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die thermisch isolierende Trennwand 608 zwischen den Wärmespeicher- und tauschern 100a, 100b ebenfalls unterirdisch im Erdreich angeordnet. Bei alternativen Ausführungsformen (nicht gezeigt) sind die Wärmespeicher- und tauscher 100a, 100b aneinander anliegend und/oder in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, ohne Erdreich zwischen ihnen. Bei entsprechenden Ausführungsformen ist die thermisch isolierende Trennwand 608 ebenfalls in dem gemeinsamen Gehäuse und somit bevorzugt zumindest teilweise unterirdisch angeordnet. Bei Ausführungsformen, bei denen das System die mit den Wärmespeicher- und tauschern 100a, 100b assoziierten Erdwärmekollektoren 224, 228 aufweist, wie beispielsweise im Zusammenhang mit
Die thermisch isolierende Trennwand 608 ermöglicht eine effektive thermische Isolierung der Wärmespeicher- und tauscher 100a, 100b und/oder der Erdwärmekollektoren 224, 228, selbst bei einem knappen Platzangebot. Dies ist insbesondere in Wohngebieten mit hohen Grundstückspreisen vorteilhaft, zum Beispiel für Einfamilien- oder Reihenhäuser, oder auch im Umfeld kleiner oder mittlerer Gewerbe, da das System mit der thermisch isolierten Trennwand 608 z. B. auch in einem kleineren Hof untergebracht werden kann.The thermally insulating
Die Kombination des Wärmespeicher und -tauschers 100 mit dem zugeordneten Wärmetauscher 702 verbessert beispielsweise die abwechselnde Nutzung des Wärmespeicher und -tauschers 100 als Wärmespeicher (z. B. während des Winters) und als Kältespeicher (z. B. am Übergang von Winter zu Sommer), wie oben beschrieben. Im Winter können Wärmespeicher und -tauscher 100 und zugeordneter Wärmetauscher 702 bei einer höchstmöglichen Temperatur gehalten werden. Am Übergang von Winter zu Sommer kann der Wärmespeicher und - tauscher 100 bei einer geringstmöglichen Temperatur gehalten werden, und beispielsweise auch einfrieren (d. h. als Eisspeicher genutzt werden), während der zugeordnete Wärmetauscher 702 bei einer höheren Temperatur gehalten wird, beispielsweise für Brauchwasser und/oder Heizwasser für das Gebäude 700. Bei entsprechenden Ausführungsformen ist die Speicherung von Kälte in dem Wärmespeicher und -tauscher 100 durch die Ausnutzung der latenten Wärme am Phasenübergang verbessert.The combination of the heat storage and
Bei alternativen Ausführungsformen (nicht dargestellt) sind der Wärmespeicher und - tauscher 100 und der zugeordnete Wärmespeicher 702 der
Bei einigen Ausführungsformen ähnelt der Wärmespeicher- und tauscher 100 demjenigen der
Bei dem System 200 der
Vorzugsweise umfasst das Elektrolyt redox-aktive chemische Verbindungen, insbesondere Ionen einer Metallverbindung, vorzugsweise Ionen einer Vanadium-, Natrium-, Zink-, oder Eisenverbindung, und/oder redox-aktive organische Verbindungen, vorzugsweise Viologene, Chinonen, Lignine oder Ligninsulfate.The electrolyte preferably comprises redox-active chemical compounds, in particular ions of a metal compound, preferably ions of a vanadium, sodium, zinc or iron compound, and/or redox-active organic compounds, preferably viologens, quinones, lignins or lignin sulfates.
Beispielsweise können die Elektrolyte durch in Wasser gelöste Vanadium(oxid)-Ionen oder durch eine Kochsalzlösung in Verbindung mit Aminoxyl-Radikalen, wie 2,2,6,6-Tetramethylpiperidinyloxyl (TEMPO), und einem Viologen bereitgestellt werden. Der Fachmann versteht jedoch, dass die vorgenannten Beispiele lediglich exemplarisch sind und grundsätzlich andere Elektrolyte verwendet werden können.For example, the electrolytes can be provided by vanadium (oxide) ions dissolved in water or by a saline solution in combination with aminoxyl radicals such as 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyl (TEMPO) and a viologen. However, the person skilled in the art understands that the aforementioned examples are merely exemplary and that fundamentally other electrolytes can be used.
Pumpen, die in den Wärmespeicher- und tauschern 100, 210, der elektrochemischen Zelle 800, oder in Elektrolyt-Leitungen 802a, 802b dazwischen angeordnet sind, strömen die Elektrolyte aus den Wärmespeicher- und tauschern 100, 210 durch die Elektrolyt-Leitungen 802a, 802b zu der elektrochemischen Zelle 800. Der innere Aufbau (nicht gezeigt) der elektrochemischen Zelle 800 umfasst mehrere elektrochemische Halbzellen, eine Membran dazwischen und den elektrochemischen Halbzellen zugeordnete Elektroden. Die Elektrolytleitungen 802a, 802b führen zu unterschiedlichen elektrochemischen Halbzellen, die durch die Membran getrennt sind, d. h. die Elektrolyte werden mittels der Elektrolytleitungen 802a, 802b durch diese unterschiedlichen elektrochemischen Halbzellen geströmt. Erzeugter Strom kann an den zugeordneten Elektroden entnommen werden.Pumps, which are arranged in the heat storage and
Die elektrochemische Zelle 800 ist thermisch an zumindest einen der Wärmespeicher- und tauscher 100, 210 gekoppelt. Bei der dargestellten Ausführungsform erfolgt die Kopplung wahlweise mittels der Ventile 806 an die Fluidleitungen 808a, 808b und somit wahlweise an die Wärmespeicher- und tauscher 100, 210. Bei alternativen Ausführungsformen ist jedoch lediglich die Kopplung an einen der Wärmespeicher- und tauscher 100, 210, insbesondere die Kopplung mittels der Fluidleitung 808b an den Hochtemperatur-Wärmespeicher 210, vorhanden.The
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel koppeln die Fluidleitungen 808a, 808b die elektrochemische Zelle 800 unmittelbar an den Wärmespeicher- und tauscher 100, 210. Bei alternativen Ausführungsformen erfolgt die Kopplung wahlweise mittels der Wärmepumpe 204, d. h. die Fluidleitungen 808a, 808b werden wahlweise anstatt an den Wärmespeicher- und tauscher 100, 210 an die kalte Seite 214 der Wärmepumpe 204 gekoppelt. Bei Auswahl der Kopplung an die kalte Seite 214 der Wärmepumpe 204 wird die warme Seite 216 der Wärmepumpe 204 thermisch an den Wärmespeicher- und tauscher 100, 210 gekoppelt.In the exemplary embodiment shown, the
Im Detail erfolgt die thermische Kopplung mittels eines an die elektrochemische Zelle 800 thermisch angekoppelten Wärmetauschers 804. Dieser kann außenseitig an zumindest eine der elektrochemischen Halbzellen thermisch angekoppelt sein. Bevorzugt ist der Wärmetauscher 804 jedoch in mindestens einer der elektrochemischen Halbzellen angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen sind Teil-Wärmetauscher in mehreren elektrochemischen Halbzellen angeordnet, und die Teil-Wärmetauscher sind zu dem Wärmetauscher 804 zusammengeschalten, beispielsweise in Reihe.In detail, the thermal coupling takes place by means of a
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die elektrochemische Zelle 800 räumlich getrennt von den Wärmespeicher- und tauschern 100, 210 angeordnet. Bei alternativen Ausführungsformen (nicht dargestellt) ist jedoch die elektrochemische Zelle 800 in dem Wärmespeicher- und tauscher 100 oder dem Wärmespeicher- und tauscher 210 angeordnet, so dass ein hochintegriertes System für eine schnelle und kostengünstige Montage bereitgestellt wird.In the exemplary embodiment shown, the
Durch die doppelte Kopplung zumindest eines der Wärmespeicher- und tauscher 100, 210 an die elektrochemische Zelle 800, einerseits mittels der Elektrolytleitung 802a, 802b, andererseits mittels der thermischen Kopplung durch die Fluidleitung 808a, 808b, nutzt das System 200 die elektrochemische Zelle 800 doppelt. Einerseits dient sie zur Stromgewinnung mithilfe der Elektrolyte der Wärmespeicher- und tauscher 100, 210. Andererseits wird die in der elektrochemischen Zelle 800 anfallende Abwärme in den Wärmespeicher- und tauscher 100, 210 zur (z. B. späteren) Nutzung eingespeichert. Umgekehrt nutzt das System den Wärmespeicher- und tauscher 100, 210 bzw. das darin enthaltene thermische Speichermedium doppelt, einerseits als Elektrolyt für die elektrochemische Zelle 800, andererseits als Energiespeicher zur Aufnahme der durch die elektrochemische Zelle 800 erzeugten Abwärme.Due to the double coupling of at least one of the heat storage and
Sollte eine Temperatur des Elektrolyts im Speicherbehälter erwartungsgemäß Temperaturwerte außerhalb optimaler Betriebstemperaturen der elektrochemischen Zelle 800 erreichen, kann auch eine Wärmekopplung zwischen den Elektrolytleitungen und/oder der Zufuhrleitungen mit Wärmeverbrauchern, wie Heizungsleitungen, erfolgen, um in der elektrochemischen Zelle 800 geeignete Betriebstemperaturen zu erhalten. Alternativ oder zusätzlich kann eine maximale Speichertemperatur des Speicherbehälters auf eine kompatible Temperatur des Elektrolyts begrenzt werden, beispielsweise falls oberhalb der maximalen Speichertemperatur chemische Prozesse eine effektive Speicherung elektrischer Energie verhindern würden, und die Steuerung kann den Betrieb der Wärmepumpe entsprechend begrenzen.If, as expected, a temperature of the electrolyte in the storage container reaches temperature values outside the optimal operating temperatures of the
Alternativ zur elektrolytischen Zelle oder zusätzlich dazu umfasst der oben beschriebene Wärmespeicher- und tauscher oder das oben beschriebe System bei einigen Ausführungsformen (nicht gezeigt) ferner eine thermoelektrochemische Zelle, welche mit dem (ersten) Wärmespeicher- und tauscher 100 und/oder dem zweiten Wärmespeicher- und tauscher 210 zur Erzeugung von elektrischer Energie koppelbar ist.As an alternative to the electrolytic cell or in addition thereto, in some embodiments (not shown) the heat storage and exchanger or system described above further comprises a thermoelectrochemical cell which is connected to the (first) heat storage and
Eine thermoelektrochemische Zelle kann eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Elektroden nutzen, um thermische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Zum Beispiel kann die thermoelektrische Zelle auf einem temperaturabhängigen Redox-Paar basieren, wie auf einem Ferri-/Ferrocyanid Paar, sodass unterschiedliche Temperaturniveaus an den Elektroden, wie 20 °C und 60 °C, zur Stromerzeugung genutzt werden können.A thermoelectrochemical cell can use a temperature difference between two electrodes to convert thermal energy into electrical energy. For example, the thermoelectric cell can be based on a temperature-dependent redox couple, such as a ferric/ferrocyanide couple, so that different temperature levels at the electrodes, such as 20 °C and 60 °C, can be used to generate electricity.
Eine entsprechende Elektrolytlösung zum Betrieb der thermoelektrischen Zelle kann in dem Speicherbehälter des ersten Wärmespeicher- und tauschers 100 und/oder des zweiten Wärmespeicher- und tauschers 210 gespeichert werden, oder die thermoelektrochemische Zelle kann über Wärmetauscher mit dem ersten Wärmespeicher- und tauscher 100 und/oder dem zweiten Wärmespeicher- und tauscher 210 koppelbar sein.A corresponding electrolyte solution for operating the thermoelectric cell can be stored in the storage container of the first heat storage and
Zum Beispiel können die Elektroden der thermoelektrochemischen Zelle jeweils mit dem ersten und dem zweiten Wärmespeicher- und tauscher 100, 210 gekoppelt werden, um eine Temperaturdifferenz in der thermoelektrochemischen Zelle zu erzeugen. Die Temperaturdifferenz kann anschließend eine Potentialdifferenz erzeugen, die an den Elektroden abgegriffen werden kann. Somit können die durch das Umspeichern in den Wärmespeicher- und tauschern 100, 210 vorgehaltenen unterschiedlichen Temperaturniveaus in der thermoelektrochemischen Zelle zur Stromerzeugung genutzt werden.For example, the electrodes of the thermoelectrochemical cell may be coupled to the first and second heat storage and
Ferner kann die gespeicherte thermische Energie in dem (ersten) Wärmespeicher- und tauscher 100 auch zur Regeneration einer Elektrolytlösung genutzt werden, um Strom, bspw. gemäß dem Wirkprinzip von thermisch regenerierbaren elektrochemischen Zyklen (TREC) oder thermisch regenerierbaren Batterien (TRB), zu erzeugen. In anderen Worten kann das System eine TREC-Zelle oder eine thermisch regenerierbare Batterie umfassen und die Steuerung kann eingerichtet sein, um abhängig von einer Verfügbarkeit von elektrischer Energie, die TREC-Zelle oder die thermisch regenerierbare Batterie wahlweise mit der Wärmepumpe oder dem (ersten) Wärmespeicher- und tauscher 100 zu koppeln, um die TREC-Zelle oder die thermisch regenerierbare Batterie zu regenerieren.Furthermore, the stored thermal energy in the (first) heat storage and
LISTE DER BEZUGSZEICHENLIST OF REFERENCE SYMBOLS
- 100, 100a, 100b100, 100a, 100b
- Wärmespeicher und -tauscherHeat storage and exchanger
- 102a, 102b102a, 102b
- erste, zweite Fluidleitungfirst, second fluid line
- 104104
- WärmetauscherHeat exchanger
- 106106
- Speicherbehälterstorage container
- 108108
- thermisches Speichermediumthermal storage medium
- 110110
- gestrichelt hervorgehobener Bereich (mit innerer Struktur des Wärmetauschers)Area highlighted in dashed lines (with internal structure of the heat exchanger)
- 112112
- Zu-/Ableitung der ersten FluidleitungSupply/discharge of the first fluid line
- 114114
- Zu-/Ableitung der zweiten FluidleitungSupply/discharge of the second fluid line
- 116116
- Sollfüllhöhe des Speicherbehälters für das thermische SpeichermediumTarget filling level of the storage container for the thermal storage medium
- 118, 122, 126118, 122, 126
- zusätzlicher Wärmetauscheradditional heat exchanger
- 120, 124, 128120, 124, 128
- Zu-/Ableitung des zusätzlichen WärmetauschersSupply/discharge of the additional heat exchanger
- 130a, 130b, 130c130a, 130b, 130c
- DruckausgleichsbehälterPressure compensation tank
- 132a132a
- obere Mantelbereichupper mantle area
- 132b132b
- unterer Mantelbereichlower mantle area
- 134, 140134, 140
- thermische Isolierungthermal insulation
- 138138
- zweiter Bereich des Wärmetauschers, Endbereich des Wärmetauscherssecond area of the heat exchanger, end area of the heat exchanger
- 142142
- DomCathedral
- 144144
- erster Bereich des Wärmetauschersfirst area of the heat exchanger
- 146, 148146, 148
- Strömungskanal, RohreFlow channel, pipes
- 150150
- UmwälzvorrichtungCirculation device
- 152152
- von der Umwälzvorrichtung erzeugte Strömungflow generated by the circulation device
- 200200
- Systemsystem
- 202202
- SteuergerätControl unit
- 204204
- WärmepumpeHeat pump
- 206206
- photovoltaische Anlage (Solaranlage)photovoltaic system (solar system)
- 208208
- solarthermische Anlage (Solaranlage)solar thermal system (solar system)
- 210210
- zweiter Wärmespeichersecond heat storage
- 212a212a
- erste Fluidleitung des zweiten Wärmespeichersfirst fluid line of the second heat storage
- 212b212b
- zweite Fluidleitung des zweiten Wärmespeicherssecond fluid line of the second heat storage
- 214214
- kalte Seite der Wärmepumpecold side of the heat pump
- 216216
- warme Seite der Wärmepumpewarm side of the heat pump
- 218218
- zusätzlicher Wärmetauscher des zweiten Wärmespeichersadditional heat exchanger of the second heat storage
- 220220
- Speicherbehälter des zweiten WärmespeichersStorage container of the second heat storage
- 222222
- Wärmetauscher des zweiten WärmespeichersHeat exchanger of the second heat storage
- 224, 228224, 228
- ErdwärmekollektorGeothermal collector
- 230, 232230, 232
- Erdreichsoil
- 500a, 500a'500a, 500a'
- erster Betriebsmodusfirst operating mode
- 502502
- GebäudeBuilding
- 504504
- Fluidleitungen zu/von GebäudeFluid lines to/from building
- 506a506a
- Fluidleitungen zu/von WärmepumpeFluid lines to/from heat pump
- 508a, 508b508a, 508b
- VentileValves
- 500p500p
- zweiter Betriebsmodussecond operating mode
- 512512
- VentileValves
- 510510
- dritter Betriebsmodusthird operating mode
- 520520
- vierter Betriebsmodusfourth operating mode
- 530, 530', 530'', 530'''530, 530', 530'', 530'''
- fünfter Betriebsmodusfifth operating mode
- 600600
- NahwärmenetzLocal heating network
- 602602
- Gebäude, GrundstückBuilding, property
- 604, 606604, 606
- Leitungencables
- 608608
- thermisch isolierende Trennwandthermally insulating partition
- 224', 224''224', 224''
- zusätzlicher Erdwärmekollektoradditional geothermal collector
- 700700
- GebäudeBuilding
- 702702
- zugeordneter Wärmespeicherassigned heat storage
- 800800
- elektrochemische Zelleelectrochemical cell
- 802a, 80b802a, 80b
- ElektrolytleitungElectrolyte line
- 804804
- Wärmetauscher der elektrochemischen ZelleElectrochemical cell heat exchanger
- 806806
- Flusssteuerung (Ventil oder Umwälzpumpe)Flow control (valve or circulation pump)
- 808a, 808b808a, 808b
- FluidleitungFluid line
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