DE19929718A1 - Wärmespeichermatte - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine flexible Wärmespeichermatte, die nach dem Sorptionsprinzip arbeitet und eine verbesserte Wärme- und Strömungsführung für Wärmeträger- und Arbeitsmittelstrom aufweist. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Wärmespeichermatte 1 besteht aus einer Deckbahn 2 und ist mit einer Vliesschicht 3, einem Gitterwerk 5, einer Zwischenschicht 9 und einer Bodenbahn 6 versehen, wobei sich sowohl zwischen der Vliesschicht 3 als auch der Zwischenschicht 9 und dem Gitterwerk 5 das Adsorbens 11 in Netzgebilden 4; 4' befindet und durch diese Anordnung vorteilhafte Bedingungen für den Stoff- und Wärmeaustausch eingestellt werden. DOLLAR A Die Wärmespeichermatte kann in der Bau- und Gebäudetechnik unter Einbeziehung in gestaltende Deckungs- und Fassadenelemente, die gleichzeitig zur Speicherung von Wärme und Bereitstellung von Nutzwärme dienen, eingesetzt werden. Sie kann ebenso auf dem Gebiet der Medizintechnik zur medizinischen Versorgung für Notfall- und Therapiezwecke angewendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine flexible Wärmespeichermatte, die nach dem Sorptionsprinzip arbeitet und eine verbesserte Wärme- und Strömungsführung für Wärmeträger- und Arbeitsmittelstrom aufweist.

Sie kann als Speicher für hochwertige Wärmeenergie überall dort verwendet werden, wo kurzfristig Nutzwärme gespeichert und bereitgestellt werden muß und die Lastwechselperioden zwischen La­ de- und Entladezustand ohne diffusen Temperaturverlauf möglichst stufenartig und schnell erfolgen sollen.

Es ist eine Reihe von Veröffentlichungen zur Speicherung von Wärmeenergie wie Sonnenenergie und Niedrigtemperaturwärme, bei­ spielsweise aus DE-OS 32 12 608, DE-PS 30 22 583, DE-OS 43 40 812 und US 4 594 856 für die sorptive Wärmespeicherung oder auch von Kältemitteln (DE-PS 27 20 561 und DE-PS 30 06 733) bekannt. In Firmenschriften (vgl. Fa. Dornier-Prinz Solartechnik: "Sonnenener­ gie optimal nutzen. . .") und in der wissenschaftlichen Literatur, wie z. B. Passos et al.: "Simulation of an Intermittend Adsorptive Cooling System" in Solar Energy 42 103 (1989), oder Lävemann et al. "Klimatisierung und Energiespeicherung über Sorption" in In­ ternat. Sonnenforum 1992, Berlin, DGS-Verlag München 1992, werden die Eigenschaften ausführlich beschrieben.

Bekannt sind ebenfalls Verfahren zur Betreibung von reversib­ len Sorptionsprozessen in Vorrichtungen für die Wärmespeicherung, die aus einer Vielzahl von nebeneinander liegenden Kammern beste­ hen und mit einem adsorbierenden Feststoff gefüllt sind, an einer ihrer Stirnseiten oder beidseitig über einen gemeinsamen Dampfraum periodisch wechselnd mit Verdampfern und Kondensatoren kommunizie­ ren und über Kammerzwischenwände wechselnd mit einem kühlenden und heizenden Wärmeträgermedium in Wärmeaustausch treten (z. B. DE 33 24 745). Es ist vorgesehen, daß die Zwischenwände selbst das Wärmetauschermedium in den Hohlwänden oder Hohlleitungen aufneh­ men, wobei zusätzlich angebrachte Wärmekontaktflächen in Form von Rippen den überwiegenden Teil des Wärmeflusses zwischen den Kam­ mern übernehmen und dem Wärmeträgermedium zuführen. Die Vorrich­ tungen gestatten bereits einen periodisch-alternierenden Lastwech­ sel bei der Übertragung von Nutzwärme an einen Verbraucher, indem ein zeitlich und räumlich ablaufender Adsorptions-/Desorptions­ wechsel unter hoher Wärmetönung erreicht wird. Aufgrund mäßiger Wärmeübertragung in einer Querrichtung durch die nur schlecht die Wärme leitenden silikatischen Feststoff-Sorbentien erreichen sie jedoch noch unbefriedigende thermische Wirkungsgrade.

Wärmespeicher aus mit innen liegenden, integrierten und wär­ mespeichernden, aus mikroporösen Materialien bestehenden Innenräu­ men sind in mehreren Ausführungen bekannt. Grundsätzlich sind die Vorrichtungen, die hohe Speicherleistungen erreichen, so ausge­ staltet, daß die zu speichernde Wärmeenergie verlustarm in den In­ nenraum eintritt, wobei die Wärme mit hohem Wirkungsgrad an das den Innenraum durchströmende Wärmeträgermedium übertragen und mög­ lichst nicht irreversibel wieder an die Umgebung abgegeben wird (z. B. DE-OS 34 18 005, DE-OS 36 43 668). Voraussetzung für die Funktion und gleichzeitig Konstruktionsprinzip einer derartigen Solarspeicherpackung ist, daß

• - der pro Flächeneinheit der Einstrahlung erreichbare Wärmeumsatz maximal ist,
• - das umbaute Volumen des innen liegenden Wärmespeichers auf ein hohes Temperaturniveau gehoben wird und wärmeisoliert ist, sowie gleichzeitig
• - ein optimales Verhältnis von Wärmeübertragungsfläche zum Spei­ chervolumen zum Erreichen einer hohen Energiespeicherdichte vor­ liegt, und
• - die Wärmeführung in einer Längs- und in den Querrichtungen so gestaltet ist, daß sich ausbildende Temperaturgefälle schnell aus­ gleichen.

Diesen Anforderungen genügen die bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Zuführung von Wärmeenergie, zur Umsetzung periodi­ scher Wärmeflüsse in ein optimal großes Wärmespeichervermögen und dessen Umsetzung in hohe Energienutzungsleistungen mittels des Wärmeträgers nicht. Ihr gemeinsamer Nachteil besteht darin, daß vor allem bei Vergrößerung der Abmessungen in einer der vorgesehe­ nen geometrischen Hauptausdehnungen, beim alternierenden Lastwech­ sel zeitliche Zwischenperioden auftreten, in denen der Temperatur­ verlauf diffus ist und nicht überwiegend stufenartig erfolgt.

Das technische Problem besteht insbesondere darin, daß in ei­ ner möglichst dicht gepackten und deshalb komplizierten Leitungs­ führung für Wärmeträger- und Arbeitsmittel nicht ausreichend kurze Strecken für den Ausgleich von Sorptionsstoff- und Wärmegradienten einstellbar sind. Die Gründe dafür sind in einem durch Kornabmes­ sungen und Porengeometrie eingeschränkten Diffusionsvermögen des Arbeitsmittels und im schlechten Wärmeleitvermögen der Arbeits­ mittelstrukturen zu sehen.

Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung einer Speichermatte für Wärmeenergie nach dem Sorptionsprinzip, die

• - bei einfachem konstruktiven, paketartigem Aufbau ein vergrößer­ tes Wärmeleitvermögen ihrer inneren Bauelemente aufweist und eine Vergrößerung in den Abmessungen in einer bevorzugten Richtung der Längsausdehnung und den Richtungen der Querausdehnung gestattet,
• - vorzugsweise in einer Längsrichtung, aber auch in einer Quer­ richtung in der jeweiligen Adsorptions- oder Desorptionsperiode einen erhöhter Stoff- und Wärmeausgleich gewährleistet,
• - eine angenähert stufenförmige und sprunghafte Temperaturänderung durch schnellen Wärmeübergang auch in den Zwischenperioden des Lastwechsels sichert, und
• - eine gesonderte Leitungsführung für das Arbeitsmittel überflüs­ sig macht.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen und den anliegenden Zeichnungen dargestellte Wärmespeichermatte gelöst. Die Matte schließt einen Sorbensraum ein, in dem ein Speichermate­ rial gemeinsam mit einer Arbeitsmittelführung sowie mit einem zu­ gehörigen Träger einen flexiblen, an bekannte bauliche Gestal­ tungselemente anzupassenden Verbund bildet, und somit ein günsti­ ger Ausgleich stofflicher Gradienten durch gerichtete Diffusion des Arbeitsmittels bei gleichzeitig günstiger Wärmeleitung und Wärmeübertragung an das Adsorbens erfolgen kann.

Die Erfindung wird an einem Beispiel näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 Wärmespeichermatte;

Fig. 2 Schema ihres schichtweisen Aufbaus.

Die Wärmespeichermatte 1 nach Fig. 1 in Form einer Matratze besteht, räumlich aufeinanderfolgend, aus einer Deckbahn 2, ver­ sehen mit einer faserartigen Vliesschicht 3, einem Gitterwerk 5, einer Zwischenschicht 9 und einer Bodenbahn 6, an der sich Rippen 7 befinden, die mit der Zwischenschicht 9 in Verbindung stehen, einen Wärmeträgerraum 8 bildend, wobei sowohl zwischen der Vlies­ schicht 3 und dem Gitterwerk 5 als auch zwischen der Zwischen­ schicht 9 und dem Gitterwerk 5 beidseitig zu diesem in alternie­ render Folge die miteinander verbundenen Sorbensräume 10; 10' an­ geordnet sind, in denen sich das Adsorbens 11 in Netzgebilden 4; 4' befindet, im Wärmeträgerraum 8 mindestens zwei gegenüberlie­ gende Wärmeträgerführungen 12; 12' angeordnet und jeweils zwei gegenüberliegenden Randdichtungen 14; 14' benachbart sind, minde­ stens eine Arbeitsmittelführung 16 in die Vliesschicht 3 und die Sorbensräume 10 hineinragt, die Vliesschicht 3, das Gitterwerk 5 und die Zwischenschicht 9 eine Verlappung 13 darstellen, die sich innerhalb der Deckbahn 2 und der Bodenbahn 6 befindet und an bei­ den formschlüssig anliegt, die Deckbahn 2 mit der Bodenbahn 6 ei­ ne Randdichtung 14 bildet, die die Verlappung 13 formschlüssig einschließt und die Verlappung 13 ihrerseits gemeinsam mit der Randdichtung 14 eine formschlüssige Verpressung 15 bildet. Die sackartigen und fluiddurchlässigen Netzgebilde 4 enthalten das Ad­ sorbens 11 in gekörnter, granulierter oder pellettierter Form, liegen in Abständen in einer Querrichtung auf einem Gitterwerk 5 auf und füllen den Sorbensraum 10 aus. Unterhalb des Gitterwerkes 5 befinden sich in Sorbensräumen 10' ebenfalls derartige, mit dem gleichen Adsorbens 11 gefüllte Netzgebilde 4, die jedoch in zweck­ mäßiger Weise alternierend versetzt zu denjenigen des Sorbensrau­ mes 10 angeordnet sind. Unterhalb des Sorbensraumes 10' befindet sich der aus der Bodenbahn 6 und der Zwischenschicht 9 gebildete Wärmeträgerraum 8, in dem periodisch angeordnete, wulstartige Rip­ pen 7 räumliche Abstände zwischen der Bodenbahn 6 und der Zwi­ schenschicht 9 aufrechterhalten. Im Wärmeträgerraum 8 sind minde­ stens zwei gegenüberliegende Wärmeträgerführungen 11; 11' angeord­ net, die jeweils auch zwei gegenüberliegenden Randdichtungen 14; 14' der Wärmespeichermatte 1 benachbart sind. In die Vliesschicht 3 und in mindestens einen der Sorbensräume 10 ragt auch mindestens eine Arbeitsmittelführung 16 hinein.

Die Vliesschicht 3, das Gitterwerk 5 und die Zwischenschicht 9 bilden eine gegen Fluide dichte Verlappung 13, die sich inner­ halb der Deckbahn 2 und der Bodenbahn 6 befindet und an beiden formschlüssig anliegt. Die Deckbahn 2 ist mit der Bodenbahn 6 über die Randdichtung 14 verbunden, die die Verlappung 13 formschlüssig einschließt, wobei die Verlappung 13 gemeinsam mit der Randdich­ tung 14 eine formschlüssige Verpressung 15 bildet.

In verschiedenen Ausführungsvarianten der Wärmespeichermatte 1 ergeben sich Abwandlungen, die selbstverständlich zum Rahmen der Erfindung gehören. So kann die Vliesschicht 3 in Verbindung mit mindestens einer Arbeitsmittelführung 16 auch an der Zwischen­ schicht 9 angeordnet sein. Bei großer Querausdehnung der Matte können in größeren Abständen mehrere Arbeitsmittelführungen 16 in die Vliesschicht 3 und in mehrere Sorbensräume 10; 10' eingebracht werden. Auch kann der Wärmeträgerraum 8 unterteilt und mit jeweils paarweisen Wärmeträgerführungen 12; 12' versehen werden.

Gemäß Fig. 2 sind die Rippen 7 mäanderartig auf der Bodenbahn 6 angeordnet und befinden sich zwischen den Wärmeträgerführungen 12; 12'. Innerhalb der Rippen 7 befinden sich Öffnungen für den Durchtritt. Die Rippen 7 sind dabei nicht zwangsläufig an der Zwi­ schenschicht 9 befestigt. Die Deckbahn 2, die Zwischenschicht 9 und die Bodenbahn 6 bestehen vorzugsweise aus einem an ihren innen liegenden Schichten metallisch laminierten Kunststoff. Die Vlies­ schicht 3 stellt bevorzugt eine Sinterschicht aus Metallfasern dar, die zusätzlich im Hinblick auf eine gute Verteilung des Ar­ beitsmittels in Längs- und Querrichtung lyophilisiert sein kann. Zum besseren Halt ursprünglich nicht miteinander verwirkter Fasern kann eine zusätzliche Deckschicht aus einem perforierten Material auf die Vliesschicht 3, in den Sorbensraum 10 reichend, aufge­ bracht werden. Auch die Netzgebilde 4; 4' und das Gitterwerk 5 be­ stehen vorzugsweise aus metallischen Gewirken. Durch die peri­ odisch angeordneten Stellen der Berührung verschiedener Metall­ oberflächen besteht ein hervorragender Kontakt für die Vorgänge der Wärmeübertragung. Die nachteilig schlechte Wärmeleitfähigkeit sorbierender mineralischer Materialien kann so durch Vorteile der Wärmeführung kompensiert werden. Gleichzeitig gewährleistet die gewählte wellenförmige Anordnung der Wärmespeichermatte 1 in der Querrichtung begrenzte Möglichkeiten zur Verformung und damit eine Flexibilität ihres Einsatzes. Die in Längsrichtung angeordneten wulstartigen, aber ebenfalls flexiblen Rippen 7 bedingen eine gute Längsstabilität der Matte bei einer befriedigenden Biegefestig­ keit.

Als bevorzugte Materialien werden metallisch laminierte Bu­ tylkautschuke oder Silikonkautschuke verwendet. Diese gewährlei­ sten auch die erforderlich Temperaturfestigkeit der Matte. Die Me­ tallschichten können Folien oder Gewirke sein.

Die gewählte Anordnung der Verlappung 13 und der Randdichtung 14 mit der Verpressung 15, die zweckmäßig durch doppeltes Vernähen einzelner Schichten unter gleichzeitigem Verkleben und Pressen er­ folgt, sichert die geforderte Vakuumfestigkeit der Wärmespeicher­ matte 1 und auch eine gewisse Überdruckfestigkeit, besonders dann, wenn im letzten Fall die Berührungsstellen zwischen der Vlies­ schicht 3 und dem Gitterwerk 5 in Abständen räumlich und flexibel miteinander verbunden sind. Das Vakuum und gegebenenfalls ein leichter Überdruck werden an die Arbeitsmittelführung 16 angelegt. Der Wärmeträger wird durch die Wärmeträgerführungen 12; 12' unter Normaldruck bzw. leichtem Überdruck geführt. Auf der Deckbahn 2 kann zusätzlich eine Funktionsschicht 17 aufgebracht sein, die ei­ ne Kollektorschicht einer Solaranlage sein kann. Die Funktions­ schicht 17 kann aber ebenso eine Isolierschicht darstellen. Es ist von Vorteil, daß die Vorrichtung zum Zweck der Vergrößerung in den Abmessungen aus einzelnen Wärmespeichermatten 1 modulartig aufge­ baut werden kann. Einzelne Module können unter Einhaltung einer nur groben Paßfähigkeit parallel in einer Ebene und/oder schicht­ weise übereinander angeordnet sein. Ihre Verschaltung erfolgt über flexible Verbindungsleitungen, die einerseits verschiedene Wärme­ trägerführungen 12; 12', andererseits unterschiedliche Arbeitsmit­ telführungen 16 funktionell in Beziehung setzen.

Die Wärmespeichermatte 1 wird zyklisch betrieben. Im Ladezy­ klus wird durch die mittels Vakuum unterstützte Desorption das Ar­ beitsmittel, bevorzugt Wasser, aus dem Adsorbens 11 entfernt. Die dazu erforderliche Desorptionswärme wird über die Wärmeträgerfüh­ rung 12; 12' in die Wärmespeichermatte 1 eingetragen und im Sor­ bensraum 10 gespeichert. Im Entladezyklus wird das Arbeitsmittel separat verdampft und durch die Arbeitsmittelführung 16 wieder dem Adsorbens 11 zugeführt. Bei der Adsorption des Arbeitsmittels hin­ gegen wird Wärme freigesetzt, dem Sorbensraum 10 entnommen und über die Wärmeträgerführung 12; 12' einem Nutzer zugeleitet. Nach Ablauf des Ladezyklus kann die Wärmeenergie praktisch zeitlich un­ begrenzt ohne dissipative Verluste gespeichert werden. Die Spei­ chermatte wird dabei entweder stationär genutzt oder an einen Ein­ satzort gebracht, wo die Speicherwärme in Nutzwärme umgesetzt wird.

Es bietet sich an, die erfindungsgemäße Wärmespeichermatte mit Solarstrahlungskollektoren zu verbinden. Bei ihrer Nutzung als Energiespeicher ergeben sich besondere Vorteile dadurch, daß

• - dem Speicher im Entladungszyklus, über die Periode der Solarein­ strahlung hinaus, Wärme entnommen werden kann,
• - und im Ladezyklus während der Adsorption zusätzliche Wärme zuge­ führt wird.

Damit wird es möglich, durch zeitliche Verschiebungen des Tag-Nacht-Zyklus im Hinblick auf den Adsorptions-Desorptions- Zyklus eine hohe Flexibilität und Wirtschaftlichkeit der Vorrich­ tung zu gewährleisten, da beide Zyklen infolge der Speicherwirkung des Sorbens nicht zusammenfallen müssen.

Die Wärmespeichermatte kann in einer für die Bau- und Gebäu­ dewirtschaft günstigen Form mit einer zusätzlichen Photovoltaik­ schicht zur Erzeugung eines elektrischen Stromes versehen werden, um zwecks Erhöhung des Gesamtnutzungsgrades der Anlage gleichzei­ tig die in den Modulen entstehende Wärme abzuführen und zu spei­ chern.

Die vorteilhafte Konstruktion und die Funktion der erfin­ dungsgemäßen Matte, die auf Deck- oder Fassadenelementen angeord­ net wird, begründen ihre bevorzugten Anwendungsgebiete, nämlich im allgemeinen zum Heizen und zum Kühlen von Gebäuden sowie zur orts­ gebundenen Bereitstellung von Warmwasser in Schwachlastperioden von Energieversorgungsnetzen. Aufgrund der hohen Flexibilität und des leichten Transportes der Wärmespeichermatte werden provisori­ sche und zeitlich begrenzte Anwendungsmöglichkeiten bevorzugt sein. Die Matte besitzt somit auch besondere Vorteile auf dem Ge­ biet der Medizintechnik zur medizinischen Versorgung für Notfall- und Therapiezwecke.

Bezugszeichenliste

1

Wärmespeichermatte

2

Deckbahn

3

Vliesschicht

4

Netzgebilde

4

' Netzgebilde

5

Gitterwerk

6

Bodenbahn

7

Rippe

8

Wärmeträgerraum

9

Zwischenschicht

10

Sorbensraum

10

' Sorbensraum

11

Adsorbens

12

Wärmeträgerführung

12

' Wärmeträgerführung

13

Verlappung

14

Randdichtung

14

' Randdichtung

15

Verpressung

16

Arbeitsmittelführung

17

Funktionsschicht

Claims (4)

1. Wärmespeichermatte, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmespei­ chermatte (1) aus, räumlich aufeinanderfolgend, einer Deckbahn (2), versehen mit einer Vliesschicht (3), einem Gitterwerk (5), einer Zwischenschicht (9) und einer Bodenbahn (6) besteht, an der sich Rippen (7) befinden, die mit der Zwischenschicht (9) in Ver­ bindung stehen, einen Wärmeträgerraum (8) bildend, wobei sowohl zwischen der Vliesschicht (3) und dem Gitterwerk (5) als auch zwischen der Zwischenschicht (9) und dem Gitterwerk (5) beidsei­ tig zu diesem in alternierender Folge die miteinander verbundenen Sorbensräume (10; 10') angeordnet sind, in denen sich das Adsor­ bens (11) in Netzgebilden (4; 4') befindet, im Wärmeträgerraum (8) mindestens zwei gegenüberliegende Wärmeträgerführungen (12; 12') angeordnet und jeweils mit zwei gegenüberliegenden Randdich­ tungen (14; 14') benachbart sind, mindestens eine Arbeitsmittel­ führung (16) in die Vliesschicht (3) und die Sorbensräume (10) hineinragt, die Vliesschicht (3), das Gitterwerk (5) und die Zwi­ schenschicht (9) eine Verlappung (13) darstellen, die sich inner­ halb der Deckbahn (2) und der Bodenbahn (6) befindet und an bei­ den formschlüssig anliegt, die Deckbahn (2) mit der Bodenbahn (6) eine Randdichtung (14) bildet, die die Verlappung (13) form­ schlüssig einschließt und die Verlappung (13) ihrerseits gemein­ sam mit der Randdichtung (14) eine formschlüssige Verpressung (15) bildet.

2. Matte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Rippen (7) und der Zwischenschicht (9) sowie zwischen der Vliesschicht (3) und dem Gitterwerk (5) im wesentlichen keine Verbindungen bestehen.

3. Matte nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Deckbahn (2) zusätzlich mit einer Funktionsschicht (17) versehen ist.

4. Matte nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie modulartig aufgebaut ist und die einzelnen Module parallel in ei­ ner Ebene und/oder übereinander schichtweise angeordnet sind.