DE19844285A1

DE19844285A1 - Anordnung und Verfahren zur verlustminimierten und exergieerhaltenden Langzeitspeicherung von Wärme

Info

Publication number: DE19844285A1
Application number: DE19844285A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Reif
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-09-18
Filing date: 1998-09-18
Publication date: 2000-03-23

Abstract

Ziel der erfinderischen Lösung ist, die bei Langzeitspeichern übliche kontinuierliche Absenkung der Temperatur des gesamten nutzbaren Speichermediums zu vermeiden oder wesentlich zu vermindern. Erfinderisch wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Gesamtspeicher aus Speicherelementen besteht, die ringförmig um einen Kernspeicher angeordnet sind. DOLLAR A Die Einspeicherung beginnt beim Kernspeicher und setzt sich von innen nach außen fort. Die äußere Ringzone wird mit Wärme niedrigen Niveaus aufgeladen. Dadurch ist die Temperaturdifferenz zur Umgebung gering und somit auch der Verlustwärmestrom. DOLLAR A Die Entspeicherung beginnt in der äußeren Ringzone und wird von außen nach innen fortgesetzt. Auf diese Weise wird die Kernzone faktisch von Wärmeschilden umgeben und die Temperatur in den Kernzonen bleibt weitgehend auf dem Niveau der Einspeicherungstemperatur. DOLLAR A Ist während der Einspeicherungsphase ein Wärmeanfall vorhanden, jedoch das erzielbare Temperaturniveau unter dem der Speicherkerntemperatur, so kann die verfügbare Wärme zur Anhebung des Temperaturniveaus den Randzonenspeicherelementen zugeführt werden und Wärmeverluste damit teilweise oder vollständig ausgeglichen werden.

Description

Anfall von Sonnenenergie und Gebrauch von Wärme sind in der Regel zeitlich nicht übereinstimmend. Für den Ausgleich des Tagesganges werden sogenannte Pufferspeicher verwendet. Soll der solare Wärmeeinsatz jedoch nach den Sommermonaten auch für Heizzwecke erfolgen, sind Langzeitwärmespeicher nötig. Seit vielen Jahren werden die unterschiedlichsten Versuche unternommen und laufen noch. Langzeitspeicher können als Behälter-, Becken-, Kavernen-, Aquifer- oder Erdspeicher ausgebildet werden. Allen diesen Speicherformen und gegebenenfalls mit speziellen Einspeicherungsverfahren ist gemeinsam, daß bei den unvermeidlichen Wärmeverlusten über den Fortlauf der Speicherzeit eine kontinuierliche Absenkung der Speichertemperatur erfolgt. Es besteht während der Speicherzeit eine stetige Wärmeleitung aus allen Speicherbereichen an die Außenflächen des Speichers. Dieses weisen im besonderen der Forschungsbericht der Universität Stuttgart, 1989, BMFT Vorhaben 03 E 8187 A, der VDI Bericht 1168, Energiespeicher, 1994 und der Statusbericht 1998 "Saisonale Wärmespeicherung" des BMBF aus.

Nachfolgend wird die Erfindung am Beispiel einer Solaranlage mit Wärmespeicher unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

In Fig. 1 - Draufsicht - und Fig. 2 - Schnitt - sind der Aufbau des Gesamtspeichers aus Speicherelementen 1 bis 37 dargestellt. Die Behälter stehen auf Wärmedämmplatten 75 und werden auch von solchen Dämmplatten abgedeckt. Als Umfassungshülle werden ebenfalls Dämmplatten verwendet. Alle Speicherelemente 1 bis 37 sind mit Wasser gefüllt und dichtschließend. Durch die oberen Deckflächen der Speicherelemente führen jeweils zwei Rohrleitungen; jeweils eine Rohrleitung 80 zum Unterbereich und jeweils eine Rohrleitung 81 zum Oberbereich. Alle Rohrleitungen zu den Unterbereichen der Speicherelemente sind miteinander verbunden. Alle zu den Oberbereichen führenden Leitungen führen über je ein Magnetventil 38 bis 74. Jeweils eine Leitung 77 ist hydraulisch über ein Magnetventil mit der zentralen Verbindungsleitung 76 verbunden.

Die Einspeicherung von Wärme erfolgt folgendermaßen: Bei vorhandener Sonneneinstrahlung auf die Kollektoranlage wird das auf 60°C erwärmte Wasser mittels einer Umwälzpumpe durch die zentrale Verbindungsleitung 76 über das geöffnete Magnetventil 38 über die obere Speicherleitung 81 in die Kern-Speicherzelle gefördert. Gleichzeitig wird das kalte Wasser über die untere Speicherleitung 80 der Wärmequelle zugeführt. Alle übrigen Magnetventile sind geschlossen. Ist die Kern-Speicherzelle thermisch gefüllt, d. h. im unteren Bereich des Speichers erreicht die Temperatur einen Wert nahe 60°C, so schließt das Magnetventil 38 und gleichzeitig öffnet Magnetventil 39.

Die Steuervorgänge werden durch eine Steuerlogik ausgelöst. Nach Beladung des Kernspeicherelementes wird das Speicherelement 2 geladen. Danach folgen die Speicherelemente 3 bis 7 und bilden somit eine Wärmeschiid um den Kernspeicher. Da der Temperaturgradient zwischen Kernspeicher und den umfassenden Speicherelementen gering ist und die Wärmeleitung durch den konstruktiven Aufbau ebenfalls gering ist, ist der Wärmeverlust gering und damit die Temperaturabsenkung ebenfalls.

Nach der Beladung der als Ringzone zu bezeichnenden Speicherelemente 2 bis 7 erfolgt die Beladung der nächsten Ringzone-Speicherelemente 8 bis 19, bis letztendlich die Randzonenelemente beladen sind.

Die Einspeicherung erfolgt üblicherweise in den Sommermonaten. In Zeiten geringer Strahlungsintensität wird z. B. auch ein Temperaturniveau von 35°C genutzt. Die Einspeicherung erfolgt dann in das Speicherelement 19, wenn dieses eine Temperatur von 30°C, das Speicherelement 37 eine Speichertemperatur von 25°C und das Speicherelement 7 eine Temperatur von 55°C aufweist.

Bei der Ausspeicherung erfolgt die Strömungsrichtung in den Speicherelementen von unten nach oben über die Leitung 77, das Magnetventil, die Verbindungsleitung 76 zu den Verbrauchern, über die Umwälzpumpe zur Verbindungsleitung 78 der Speicher unten. Die Rücklauftemperatur liegt im Bereich von 25°C.

Bei der Ausspeicherung werden zuerst die außenliegenden Speicherelemente thermisch entladen. Im vorliegenden Fall also das Speicherelement 37: Das zugehörige Magnetventil 74 ist geöffnet, alle anderen geschlossen. Da die Ausspeicherung mit Beginn der Heizperiode einsetzt, reicht auch eine geringere Speichertemperatur von 45°C der äußeren Speicherelemente. Die niedrigere Speichertemperatur ist bedingt einerseits durch niedrigere Kollektortemperaturen am Ende der Einspeicherung und andererseits durch Wärmeverluste wegen der Außenposition der Speicherelemente. Nach Ausspeicherung der Randzonenspeicherelemente werden der Reihe nach die innenliegenden Speicherelemente thermisch bis auf Rücklauftemperatur des Heiznetzes entleert. Als letzter wird der Kernspeicher genutzt.

Tritt während der Heizperiode Wärmeanfall auf, aber die Nutztemperatur liegt tiefer als die notwendige Heiztemperatur, so erfolgt eine Einspeicherung in die Speicherelemente, deren Temperatur niedriger als die Temperatur der Wärmequelle ist. Somit wird eine Erhöhung des Wärmeschutzschildes erreicht. Um während der Heizperiode mit einer einfachen Zu- und Rücklaufleitung sowohl ein- als ausspeichern zu können, muß das Ein- und Ausspeichern alternierend in Minutentakten erfolgen.

Bezugszeichenliste

1

. . .

37

Speicherelemente

38

. . .

74

Magnetventile

75

Dämmplatte

76

zentrale Verbindungsleitung Speicher oben

77

Einzelleitungen Speicher oben

78

zentrale Verbindungsleitung Speicher unten

79

Temperaturfühler zur Messung der Rücklauftemperatur

80

Rohrleitung zum Unterbereich des Speicherelements

81

Rohrleitung zum Oberbereich des Speicherelements

82

Temperaturfühler zur Messung der Ein- und Ausspeicherungstemperatur

83

Temperaturfühler im Speicherzellenoberteil

84

Temperaturfühler im Speicherzellenunterteil

Claims

1. Wärmespeicher bestehend aus einer Anzahl von einzelnen zylindrischen oder kubischen Speicherbehältern, deren flächenmäßige Anordnung eine Kernzone und Ringzonen ergeben.

2. Speicherverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Einspeicherung zuerst die Kernzone und von innen nach außen die Ringzonen folgend beladen werden und bei der Ausspeicherung zuerst die Speicherelemente der Randzonen entladen werden, danach von außen nach innen folgend die Speicherelemente nacheinander und als letztes das Kernspeicherelement, wobei jeweils nur ein Speicherelement durch Öffnung einer Armatur hydraulisch mit der Wärmequelle oder dem Wärmeverbraucher verbunden ist.