DE2003394C3 - Anordnung zur Nutzung der während des Tages eingestrahlten Sonnenenergie gegen Vereisung von Decken, insbesondere Fahrbahndecken, sowie Speichermasse und Wärmeträger für die Anordnung - Google Patents

Anordnung zur Nutzung der während des Tages eingestrahlten Sonnenenergie gegen Vereisung von Decken, insbesondere Fahrbahndecken, sowie Speichermasse und Wärmeträger für die Anordnung

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DE2003394C3 DE2003394A DE2003394A DE2003394C3 DE 2003394 C3 DE2003394 C3 DE 2003394C3 DE 2003394 A DE2003394 A DE 2003394A DE 2003394 A DE2003394 A DE 2003394A DE 2003394 C3 DE2003394 C3 DE 2003394C3
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Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Nutzung der während des Tages eingestrahlten Sonnenenergie gegen Vereisung von Decken, insbesondere Fahrbahndecken.
Die Vereisung von begehbaren Flächen, wie Straßen, Treppen, Brücken, Balkons, aber auch von Dächern, tritt entweder bei abnehmender Temperatur der vorher nassen Oberfläche, insbesondere durch Abstrahlung in den Abendstunden oder durch Regen auf, der bei einem Wettersturz auf eine unterkühlte Oberfläche fällt.
In der statistischen Häufigkeit der Unfallursachen auf Straßen geht die Vereisung in über 70% aller Fälle auf Unterkühlung der Straßenoberfläche durch Abstrahlung nach Sonnenuntergang zurück. Erfahrungsgemäß weist die Oberflächentemperatur an sonnigen Tagen einen Tagestemperaturgang von 100C bis 200C und an Tagen mit starker Bedeckung einen solchen von etwa 7°C auf. Wenn also erst in den Abendstunden der Gefrierpunkt unterschritten wird, wodurch sich Eis bilden kann, so liegt die höchste Tagestemperatur oft ganz bedeutend und auch die mittlere Tagestemperatur in jedem Falle noch über dem Gefrierpunkt. Die winterliche Sonne liefert noch einen Energiestrom von etwa 300 bis 500 W/m2.
Eine in der üblichen Weise aufgebaute Straßenbefestigung stellt bereits eine Anordnung der vorerwähnten Art dar, da die Straßenbaumaterialien eingestrahlte Sonnenwärme speichern und bei fehlender Einstrahlung wieder abgeben. Der Nachteil dieser Anordnung liegt darin, daß die gespeicherte Wärmemenge innerhalb von wenigen Frosttagen aufgebraucht ist, so daß damit lediglich der Beginn der Vereisungsperiode hinausge schoben wird.
Bei einer Anordnung abweichender Gattung befinden sich in der Decke Füllräume mit einem Wärmeträger, dessen Wärme aus tief unterhalb der Frostgrenze liegenden Erdschichten stammt
so Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, die eingestrahlte Sonnenenergie für den Vereisungsschutz der Decken verstärkt nutzbar zu machen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der Decke Füllräume ausgebildet sind, die mit einer wenig oberhalb des Gefrierpunktes von Wasser schmelzenden, lonenkristalle bildenden Speichermasse oder mit einem fließfähigen Wärmeträger gefüllt sind, der mit Speicherkörpern, welche die Speichermasse enthalten, in Verbindung steht
Ausgestaltungen der Anordnung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Speichermasse für die Anordnung. Sie ist bezüglich ihrer Schmelztemperatur, ihrer Hauptsubstanz und zweckmäßiger Zusät-
M ze in den Ansprüchen 8 bis 11 gekennzeichnet. Bei den Hydraten von lonengittersalzen liegt die Kristallisationstemperatur wenige Grade oberhalb des Gefrierpunktes des Wassers. Die Kristallisationsteniperaüir
>oll möglichst nicht mehr als um das Temperaturgefälle itwischen dem Speicher und der Deckenoberseite über dem Gefrierpunkt liegen. Als optimale Kristallisationtemperatur hat sich bei gut wärmeleitender Decke eine Temperatur um +b°C erwiesen. Für diese Temperatur ist die Speichermasse das Dekahydrat des aus 1 Mol Natriumsulfat und I Mol Kaliumchlorid gebildeten Doppelsalzes. Da alle aus lonengitter bestehenden Salze eine K-iitallisationstemperatur aufweisen, die unterhalb der Schmelztemperatur liegen, weil die ι ο Schmelze in dem dazwischenliegenden Temperaturbereich metastabil ist Dabei ist insbesondere vorgesehen, daß zur Impfung der Speichermasse isotypische oder epitaxische Kristalle in gleichmäßiger Verteilung zugesetzt werden, wobei kleinste Mengen genügea 'ϊ Hierdurch wird die Kristaliisationstemperatur bis nahe an die Schmelztemperatur angehoben. Die meisten als Speichermasse infrage kommenden Hydrate bleiben nicht homogen, da beim Schmelzpunkt das Kristallwas ser frei wird, wodurch sich bei dem genannten Doppdsaiz Sulfate und insbesondere auch die nichtlösüchen Impfkristalle durch Stratifikation in bevorzugten Schichten anreichern können. Dadurch wird die Kristallisation zu sehr tiefen Temperaturen hin verschoben, wodurch die vereisungsverhindernde Wirkung aufgehoben wird. Deshalb ist es zweckmäßig, die Speichermasse mit einer Gerüstsubstanz zu versehen, so daß der Festkörpercharakter auch oberhalb der Schmelztemperatur erhalten bleibt.
Während des Tages nimmt die Speichermasse, sobald der Kristallisationspunkt erreicht ist, Sonnenwärme auf und ändert nach Erreichen der Schmelztemperatur ihre Temperatur bis zur völligen Aufladung nicht mehr. Dadurch bleibt die Deckenoberfläche am Tage kühler als die Oberfläche von nicht mit Speichermassen « versehenen Decken. Es wird damit auch ein geringerer Teil der Sonnenwärme an die Luft abgegeben als bei üblichen Decken. Sobald nun die Deckenoberfläche auf eine Temperatur absinkt, die um die zur Wärmeleitung notwendig«. Temperaturdifferenz von der Kristallisa- *o tionstemperatur der Speichermasse verschieden ist, die jedoch noch etwas oberhalb des Gefrierpunktes liegt, beginnt die Kristallisation und damit die Freisetzung der am Tage gespeicherten Wärme. Es hat sich gezeigt, daß zur Verhinderung der Eisbildung während einer Nacht «5 nur verhältnismäßig geringe Speiehermassenmengen erforderlich sind.
Bei der Anordnung mit der auf die Speichermasse wirkenden Heizeinrichtung kann der Anschlußwert wesentlich geringer sei*,, da die Heizenergie während so eines längeren Zeitraumes eingespeist werden kann. Andererseits läßt sich aber auch die Beheizung auf die Niedrigtarifperioden während der Nacht beschränken. Es ist auch möglich, die Aufheizung durch beliebige Wärmeträger, z. 8. durch Heißöl oder durch Warmwasser in sehr kurzer Zeit erfolgen zu lassen. Dies ist von besonderem Interesse für extrem schneegefährdete Wege, Treppen usw.
In der Zeichnung sind Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt
Fig. i einen Schnitt durch die mit Füllräumen versehene Decke,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine treppenförmig ausgebildete Decke.
F i g. 3 einen Schnitt durch eine als Fahrbahn *> dienende Decke,
Fig.4 die perspektivische Ansicht eines Teils der Anordnung nach Fig. 3 mit kalottenförmigen Füllräumen und elektrischer Heizeinrichtung,
F 1 g. 5 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform der Fullräume,
F 1 g. 6 einen Schnitt durch die Anordnung mit einem Wärmeträger, der mit einem seitlich der Decke eingebauten Speicherkörper in Verbindung steht.
Die Decke 1 besteht aus einer Betonplatte. Sich längs erstreckende Hohlräume mit tonnenförmigem Querschnitt bilden Fullräume 2, die mit einer Speichermasse 3 gefüllt sind. Die Füllräume 2 sind durch nicht gezeigte Verschlüsse, z. B. Kunststoffolien, verschlossen. Damit gespeicherte Wärme nicht in den Boden abfließt, wird die Betonplatte auf nicht dargestellte isolierende Unterlagen gelegt.
F i g. 2 zeigt eine Treppenkonstruktion, bei der in den Stufen mit Speichermasse 3 gefüllte Plastikschläuche 21 untergebracht sind. Unter der Speiciiermasse 3 ist eine elektrische Heizeinrichtung 22, vorzugsweise eine metallbedampfte Kunststoffolie angeordnet, darunter wiederum eine wärmedämmende isolierschicht 23. Durch therrnostatische Steuerung wird die .Speichermasse 3 ständig bei einer Temperatur gehalten, die wenig oberhalb ihrer Kristallisationstemperatur liegt. Da diese zur Aufrechterhaltung der Ladung erfo.-derliche Mindesttemperatur von der Außenluft nur an wenigen Tagen unterschritten wird, ist der Stromverbrauch vernachlässigbar, außerdem kann die Aufladung auf die tarifbegünstigten Stunden beschränkt werden und zur Vermeidung von unnötigen Wärmeverlusten wird außerdem bei sehr tiefen Temperaturen, bei denen ohnehin kein Regen oder Schnee fällt, der Strom abgeschaltet
Die in der F i g. 3 dargestellte Fahrbahndecke ist mit der Tragschicht 38 durch Zuganker 35 verbunden, die mit Bewehrungen 32, 36 zusammenwirken. Eine plane Folie 31 und eine mit halbkugelförmigen Ausbuchtungen 42 versehene Folie 33 sind an den Berührungsflächen verschweißt Sie bilden die Füllräume. Durch zwischen den Ausbuchtungen 42 verbleibende Öffnungen 39 ragen die Zuganker 35 des Armierungsdrahtes durch die mattenförmige Bewehrung 32 hindurch. Nach dem Auslegen der Matte erfolgt das Betonieren der Decke 30, die durch die Zuganker 35 mit der Tragschicht 38 verankert ist
F i g. 4 zeigt die gleiche Anordnung w:e F i g. 3, bei der jedoch eine Heizeinrichtung 40 aus bandförmigem elektrischem Widerstandsmaterial vorgesehen ist Die Heizeinrichtung 40 ist durch einen Kunststoffüberzug 41 elektrisch isoliert. Die isolierten Bänder sind zwischen der unteren Folie 31 und der oberen Folie 33 eingelegt und damit wasserdicht eingeschlossen. Die Zwischenbereiche 43 zwischen zwei Ausbuchtungen 42 erfordcn naturgemäß wesentlich weniger Wärme als die Bereiche innerhalb der Ausbuchtungen 42. Deshalb ist der Widerstand der elektrischen Heizeinricht>ing 40 innerhalb der Ausbuchtungen 42 höher ais in den Zwischenbereichen 43. Die elektrische Beheizung dient zur thermischen Aufladung der Speichermasse 3, wenn entweder so grcße Schneemengen erwartet werden, daß die sonst vorhandene Speicherenergie zur Schmel zung derselben nicht aüsfeicht, oder wenn die Temperatur der Straße unter dem Gefrierpunkt liegt und Regen erwartet wird. In allen anderen Fällen erfolgt die Aufladung durch Sonnenenergie.
Im Ausführungsliispiel nach Fig. 5 sind die Kunststoffolien 50 und 51 spiegelbildlich ausgeformt, so daß die Tragschicht 38 entsprechende Vertiefungen aufweisen muß.
Auch wurde die statisch günstigere Form des Rotationsellipsoides gewählt, die bei gleichen übertragbaren Belastungen der Fahrbahndecke die Unterbringung einer größeren Menge der Speichermassc 3 ermöglicht. Da diese Ausbildung eine größere vertikale ·, Frstreckung besitzt, wird die Wärmeleitung teilweise von einem Kreislauf übernommen, der aus zwei Rohren 52, 53. die zueinander höhenversetz.t sind, und zwei die Rohrenden miteinander verbindenden Hohlkörpern 54, 55. aufgebaut ist. Im Inneren dieses Kreislaufes befindet id sieh eine Flüssigkeit, z. B. ein Wasser-Methylalkohol-Gemisch, die durch Konvektion einen Teil der Speichermassenwärme nach oben transportiert, während der Wärmetransport bei der Aufladung durch die Wärmeleitfähigkeit der Rohre 52,53 unterstützt wird. : ,
F i g. 6 zeigt ein Beispiel, bei dem in der befahrbaren Decke 60 in geringem Absland voneinander entfernt Füllrätime mit Wärmetauschrohren 61 angeordnet sind.
richtung 73 thermostatisch eingeschaltet Hierdurch gelangt der Wärmeträger 67 in die Wärmetauschrohre 61 und verdampft dort. Der gebildete Di.mpf kondensiert im Wärmetauscher 63 und die Kondensationswärnie bewirkt das Schmelzen der Speichermasse 3. Die Steuereinrichtung 73 zur Betätigung iler Fördereinrichtung 70 soll auf die für eine mögliche Eisbildung notwendigen Faktoren, wir Nässe der StraHenoberfläche, Temperatur und Temperaturgradient ansprechen und auch meteorologische Aussagen, wie Regen bei unterkühlter Straße, berücksichtigen, und rechtzeitig vor F.insetzen der Vereisung die Fördereinrichtung 70 einschalten. Dadurch wird wiederum der Wärmeträger 67 in das Wärmetauscherrohr 61 befördert, läuft jedoch aufgrund des geringen Gefälles ties Rohres in den Wärmetauscher 63 und wird dort verdampft. Der Dampf wird im Wärmetauscherrohr 61 wieder kondensiert und liefert damit die /ur Fis\erhinderung
sind. Ober diese Rohrleitung 62 kommunizieren sie mit einem Wärmetauscher 6 3. der sich in einem Speicher massenbehälter 64 befindet und mit der Speichermasse ) in gut wärmeleitender Verbindung steht. Der Speichermasscnbchälter 64 ist gegen die Außentemperatur isoliert, vorzugsweise durch eine entsprechend tiefe Lage im Frdreich. Der tiefste Punkt des Wärmetauschers 63 mündet in einen Tank 66. tier von einer sehr gut isolierenden Schicht 68 umgeben ist. Vom tiefsten Punkt des Tankes 66 führt eine Leitung 69 zu einer Fördereinrichtung 70. die über eine Pumpleitung 71 mit den linden 72 tier Wärmetauscherrohre 61 verbunden is; Die Fördereinrichtung 70 wird durch eine flieht gezeigte Antriebseinrichtung in Betrieb gesetzt. D.is gesamte Leitungssystem ist nach außen hin vakuumdicht abgedichtet und vorzugsweise luftleer. Im lank 66 befindet sich als Wärmeträger 67 eine leicht Meilemle Flüssigkeit, tieren Gefrierpunkt unterhalb von Ί ( hegt. Sobald die Außentemperatur über die ν hnn.l/tcmperatui tier Speichermasse 3 angestiegen "-■ «mi the l-ortleremnchtunL" 70 durch die Sieuerein-Leitung 74 wird ein kleiner Anteil ties Kondensates direkt in den Tank 66 zurückgeführt, damit nach Abschaltung der Fördereinrichtung 70 tier Kreislauf /um Abklingen gelangt.
Der Vorteil dieser aufwendigeren Konstruktion liegt in tier optimalen Ausnutzung der Wärmekapazität der Speichermasse 3. Wärme wird im Gegensat/ zu den vorher beschriebenen Systemen nur dann tier Straßendecke 'iigeführt. wenn alle meteorologischen Voraussetzungen /ur Hisbildiinr gegeben sind, und auch nur in dem Umfange, in dem sie /ur I3ese"igung der Glatteisgefährdur.g erforderlich ist. Sobald nämlich die Str.ißenoberfläche !rucken geworden ist. wird durch Abschaltung tier Fördereinrichtung 70 tier weitere Wärmeentzug unabhängig von den Außentemperaturen unterbrochen. Auch bei diesem Svsiem kann eine zusätzliche Behei/iing /ur Aufladung der Speichermasse vorgesehen sein, die verhindert, ti.Hl Ή·ί /u klein dimensioniertem Speicher die Funktion nach ungünstigen Wetterperioden unterbrochen wird.
■> Hl-ill V..;.-Iv

Claims (12)

Patentansprüche:
1. Anordnung zur Nutzung der wahrend des Tages eingestrahlten Sonnenenergie gegen Vereisung von Decken, insbesondere Fahrbahndecken, dadurch gekennzeichnet, daß in der Decke (1 bzw. 30 bzw. 60) Füllräume ausgebildet sind, die mit einer wenig oberhalb des Gefrierpunkts von Wasser schmelzenden, lonenkristalle bildenden Speichermasse (3) oder mit einem fließfähigen Wärmeträger (67) gefüllt sind, der mit Speicherkörpern (65), welche die Speichermasse (3) enthalten, in Verbindung steht.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllräume durch zwei miteinander verbundene Folien (31,33, bzw. 50,51) gebildet sind.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien (50,51) Ausbuchtungen (56, 57) aufweisen, die zusammengesetzt die Füllräume bilden und deren Tiefe (58) größer ist als deren Halbmesser (59).
4. Anordnung nach Anspruch 2 für Fahrbahndekken, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragschicht (38) mit der befahrbaren Decke (30) durch Zuganker (35) verbunden ist, die durch öffnungen (39) in den Folien (31,33) hindurchragen.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherkörper (65) jeweils einen Tank (66) zum Sammeln des kondensierten Wärmeträgers (67) aufweisen und eine Fördereinrichtung (70) für den Transport des Wärmeträgers (67) zu den iüllräumen angeordnet ist
6. Anordnung nach Anspruui 5, dadurch gekennzeichnet, daß für den Wärmeträger (67) eine
zusätzliche Leitung (74) von den Füllräumen zum Tank (66) außerhalb der Speichermasse (3) der Speicherkörper (65) vorgesehen ist, um einen kleinen Teil des entstehenden Kondensates unmittelbar in den Tank (66) zu leiten, während der andere Teil des Kondensates durch die Speichermasse (3) in den Tank (66) geleitet wird.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis. 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer auf die Speichermasse (3) wirkenden Heizeinrichtung (22 bzw. 40) versehen ist.
8. Speichermasse für die Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Schmelztemperatur zwischen 1° und 10° C liegt.
9. Speichermasse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Hydrat eines Alkalimetailsalzes oder -doppelsalzes ist.
10. Speichermasse nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie an der Änderung ihres Zustandes nicht beteiligte, die Schmelze eindickende Substanzen enthält
11. Speichermasse nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ihr in gleichmäßiger Verteilung isotypische oder epitaxische, sich in der Schmelze nicht lösende Kristalle mit einem oberhalb der höchsten Betriebstemperatur liegenden Schmelzpunkt zugesetzt sind.
12. Wärmeträger für die Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Stoff besteht der bei der Schmelztem peratur der Speichermasse (3) sowohl als Dampf, als auch als Kondensat vorliegt
DE2003394A 1969-02-03 1970-01-26 Anordnung zur Nutzung der während des Tages eingestrahlten Sonnenenergie gegen Vereisung von Decken, insbesondere Fahrbahndecken, sowie Speichermasse und Wärmeträger für die Anordnung Expired DE2003394C3 (de)

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