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Die
Erfindung betrifft einen Behälter,
insbesondere einen Langzeit-Wasser-Wärmespeicher, zum
Speichern eines wärmespeichernden
Mediums, insbesondere Wasser.
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Derartige
Behälter
sind insbesondere für
die Brauchwasseraufbereitung seit längerem bekannt. Als großvolumige
Langzeit-Wasser-Wärmespeicher tragen
diese Behälter
bei der Ausnutzung fossiler Brennstoffe zu Heizzwecken, bei der
Nutzung erneuerbarer Energien, wie Solarenergie, Wind- und Wasserkraft,
bei dem Betrieb von Block-Heiz-Kraftwerken und bei der Nutzung industrieller
und gewerblicher Abwärme
erheblich zur Energieeinsparung und Emissionsminderung bei. Aus
der deutschen Patentschrift
DE
41 16 375 C2 ist es bekannt, dass derartige großvolumige
Behälter
traditionell aus Stahlblech gefertigt werden. Sie werden als Fertigmodule
in Gebäude
transportiert und dort gegebenenfalls mit weiteren Modulen gekoppelt.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
die Einzelteile für
derartige Behälter
so zu konstruieren bzw. zu bemessen, dass die Behälter auch
in Räumen
mit begrenzt – großen Zugangsöffnungen,
wie z. B. Normtüren
aufgebaut bzw. nachgerüstet
werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Dieser
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Größe jedes einzelnen der Flächenelemente
des Behälters
eine vorgegebene Normfläche
nicht überschreitet.
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Durch
diese beanspruchte Begrenzung in der Dimensionierung der einzelnen
Flächenelemente des
Behälters
ist es vorteilhafterweise möglich,
diese Flächenelemente
auch in Räumen
mit begrenzt – großen Zugangsöffnungen,
wie z. B. Normtüren
einzubringen, vorausgesetzt, dass zumindest die Breite oder die
Länge dieser
Normfläche
einen Transport des Flächenelementes
durch die Zugangsöffnung gestattet.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Flächenelemente in einer automatischen
Massenproduktion hergestellt werden können.
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Gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist der Behälter
quaderförmig
ausgebildet, um eine größtmögliche Raumausnutzung
zu erzielen. Bei den Flächenelementen
handelt es sich dann um Boden-, Decken- und Wandelemente. Vorteilhafterweise
ist dann die Fläche
jedes dieser Boden-, Decken- und Wandelemente kleiner als eine vorgegebene
Normfläche.
Beispielhaft beträgt
die Breite der Boden- und Deckenelemente 1500 mm und die Breite
der Wandelemente 1000 mm, so dass ein Quertransport dieser Elemente
durch eine Normtüre
mit einer Höhe
von 2000 mm problemlos möglich ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung weisen die Wandelemente an zumindest einer
ihrer Längsseiten
eine Abkantung auf, die sich vorzugsweise über die gesamte Längsseite
des jeweiligen Wandelementes erstreckt. Während des späteren Betriebs des
Behälters,
insbesondere wenn dieser mit Wasser gefüllt ist, sind die Wandelemente
mit einem hohen Innendruck des Behälters belastet und müssen diesem
standhalten. Um unerwünscht
große
Deformationen, insbesondere Ausbeulungen, der Wandelemente zu verhindern
oder zumindest zu vermindern, dienen diese Abkantungen als Versteifung
der Wände.
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Die
Abkantungen ragen vorzugsweise in das Innere des Behälters hinein.
Dies hat zum Einen den Vorteil, dass der Behälter mit maximaler Größe bzw. maximalem
Volumen entsprechend der verfügbaren Raumgröße dimensioniert
werden kann; das Volumen des Behälters
muss nicht kleiner dimensioniert werden, weil Abkantungen an der
Außenseite
des Behälters überstehen.
Außerdem
ist eine Verletzungsgefahr im Außenbereich des Behälters durch die
nach innen in den Behälter
ragenden Abkantungen nicht gegeben.
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Eine
zusätzliche
Versteifung der Wandelemente gegen den Innendruck kann durch V-Profile erreicht
werden, die an dem freien, d. h. wandfernen Ende der Abkantung angebracht
sind.
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Damit
der Behälter
seine Funktion als Wärmespeicher
erfüllen
kann, ist es erforderlich, dass Wärmeenergie in den Behälter eingebracht
und aus diesem wieder entnommen werden kann. Dazu ist es vorteilhaft,
wenn zumindest eines der Flächenelemente
des Behälters
eine oder mehrere Öffnungen aufweist
zum Einbau und Anschluss einer Energiequelle oder Energiesenke,
beispielsweise eines Wärmetauschers,
in/an den Behälter.
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Derartige
Behälter
sind als Wärmespeicher dann
besonders effektiv, wenn sie möglichst
groß sind.
Je größer das
Speichervolumen, umso größer ist
der Ausnutzungsgrad der verwendeten Wärmeerzeuger und umso größer ist
die Nutzung der erneuerbaren Energie, insbesondere der Solarenergie.
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Unter
dem Gesichtspunkt des Baus möglichst
großer
Behälter
ist es vorteilhaft, wenn ursprünglich
kleinere Behälter
nachträglich
erweiterbar sind. Dazu ist es vorteilhaft, dass die Flächenelemente
an ihren Rändern
verschweißbar
oder verklebbar sind und dass diese Verbindungen untereinander vorzugsweise
lösbar
oder reproduzierbar sind.
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Zur
Vorteilhaftigkeit der erfindungsgemäßen Behälter, insbesondere wenn sie
großvolumig
ausgefüllt
sind, wird Folgendes ausgeführt:
Sehr
großen
Einfluss auf die Rußschichtbildung
und Schadstoffemission hat die jährliche
Brennerstartzahl bei Heizkesseln, die aufgrund der Überdimensionierung
in 80 % aller Gebäude
und aufgrund ihres sehr geringen Wasserinhaltes, bis zu 40 000 beträgt; damit
ist sie laut Bundesumweltamt für
50 % des gesamten Schadstoffausstoßes verantwortlich. Schon bei
Verwendung der erfindungsgemäßen Behälter als
Wasserspeicher mit einem Speichervolumen von 2000 l würden die
Brennerstarts auf 500 und weniger reduziert. Dadurch würden die
Kamin-, Betriebs- und Bereitschaftsverluste, die bekanntlich je
nach Anlagenart zwischen 20 % und 60 % liegen, derart minimiert,
dass sich eine Primärenergieersparnis
von 30 % bis 70 % und damit auch eine Emissionsminderung bei Co2 von 30 % bis 70 % ergeben würde. Eine Überdimensionierung
von Heizkesseln hätte
bei Verwendung der erfindungsgemäßen Behälter praktisch keinen
Einfluss mehr auf den Jahresnutzungsgrad des Heizkessels. Sie führt lediglich
dazu, dass die Betriebszeit etwas kürzer wird. Im Betrieb arbeiten Brenner
und Kessel mit ihrem höchstmöglichen
Wirkungsgrad, so dass der vom Hersteller angegebene Feuerungswirkungsgrad
annähernd
auch dem tatsächlichen
Anlagenwirkungsgrad entspricht.
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Die
Rußschichtbildung
in Heizkesseln, die besonders aus der hohen Brennerstartzahl resultiert, beträgt bei Verwendung
der erfindungsgemäßen Behälter nur
noch ca. 5 % der sonst üblichen
Rußschichtbildung,
was wiederum zu einem verminderten Primärenergieeinsatz führen würde. Durch
die geringe Startzahl ergibt sich eine sehr lange Brennerlaufzeit,
die einerseits eine Kaminversottung verhindert, andererseits zu
einer nicht unerheblichen Brennstoffeinsparung führen würde. Denn in der Regel erreicht
ein Öl-
oder Gasbrenner seinen so genannten stationären Betriebszustand erst nach
ca. 6 Minuten nach dem Einschalten. Erst dann erfolgt in der Regel
auch die Messung des Wirkungsgrades und des Schadstoffausstoßes.
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Feuerräume für Öl- und Gasbrenner,
die zzt. fast alle für
den Niedertemperaturbetrieb mit all seinen Nachteilen konzipiert
sind, könnten
bei Verwendung des erfindungsgemäßen Behälters wieder
der altbewährten
Hochtemperaturtechnologie angepasst werden. Dadurch ergäbe sich
eine weitere Emissionsminderung, die bei CKW mit 50 % und Co mit
30 % bewertet werden kann. Hinzu kommt, dass Heizkessel in Hochtemperaturtechnologie
erheblich einfacher und damit kostengünstiger hergestellt werden können.
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Solarenergie,
wie sie zzt. genutzt wird, dient in 99 % aller Fälle nur der Warmwasseraufbereitung, weil
zu Heizzwecken bei konventionellen Heizsystemen Anbindungs- und
Speichermöglichkeiten
fehlen. Der Jahresnutzungsgrad wird It. statistischen Erhebungen
für den
m2 mit 200 kWh angegeben. Würde die
Solarenergie jedoch einem erfindungsgemäßen Behälter mit einem Speichervolumen
von ca. 6000 l zugeführt
und durch Verwendung dieses Behälters bzw.
Wärmespeichers
auch zu Heizzwecken genutzt werden, so würde der Jahresnutzungsgrad
auf ca. 800 kWh/m2 steigen. Bei Verwendung
von noch größeren Speichervolumen
wäre ein
noch größerer Anteil
der Solarenergie an der Gebäudeheizung
nutzbar.
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Der
Erfindung sind insgesamt drei Figuren beigefügt, wobei
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1 einen
erfindungsgemäßen Behälter mit
abgenommenem Deckel,
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2 einen
Grundriss bzw. eine Bodenplatte des erfindungsgemäßen Behälters nach 1; und
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3 die
Bodenplatte bzw. den Grundriss für
einen erweiterten erfindungsgemäßen Behälter zeigt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die genannten Figuren
detailliert beschrieben. In allen Figuren sind gleiche mechanische Elemente
mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt
den erfindungsgemäßen Behälter 100 mit
abgenommenem Deckel. Es sind insbesondere die Wandelemente 110-n mit
n = 1-N zu erkennen, die jeweils rechtwinklig zugeschnitten sind und
mit ihrer Schmalseite senkrecht auf dem Boden 120 des Behälters stehen.
Einzelne der Wandelemente 110 weisen Öffnungen 116, insbesondere
in Form von Flanschöffnungen
auf zum Einbau und Anschluss von beispielsweise einem Wärmetauscher 200.
Der Wärmetauscher
ermöglicht
sowohl das Einbringen von Energie in ein wärmespeicherndes Medium, z.
B. Wasser, im Innern des Behälters 100,
wie auch die Entnahme von Energie aus diesem Medium. So könnte z.
B. Fernwärme über die Öffnung und
den Wärmetauscher
in das wärmespeichernde
Medium eingebracht werden und einige Zeit später könnte bei Bedarf die Wärme durch
Anschluss des Wärmetauschers
an ein lokales Heizsystem wieder entnommen werden.
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Die
Wandelemente sind erfindungsgemäß in ihrer
Breite und Höhe
nicht größer als
eine vorgegebene Normfläche,
beispielsweise 1000 mm × 2000 mm.
Auch die Boden- und Deckenelemente sind in ihrer Breite und Länge einer
vorgegebenen Normfläche
untergeordnet und belaufen sich in ihren Abmessungen beispielsweise
auf 1500 mm × 3000
mm. Alle Flächenelemente
werden beim Zusammenbau des Behälters
miteinander verbunden, d. h. je nach Material miteinander verschweißt oder
verklebt. In jedem Fall muss die Verbindung zwischen den Elementen dicht
gegenüber
dem verwendeten wärmespeichernden
Medium ausgebildet sein. Nicht nur die Wandelemente, sondern alle
Flächenelemente,
d. h. auch die Boden- und Deckelelemente können aus Kunststoff oder aus
Metall gefertigt sein.
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2 zeigt
einen Grundriss bzw. die Bodenplatte 120 für den Behälter nach 1.
Es ist zu erkennen, dass zumindest einzelne der Wandelemente 110 an
ihren Längsseiten
rechtwinklige Abkantungen 112-n mit n = 1, 2, ... aufweisen.
Diese Abkantungen dienen, insbesondere wenn sie sich über die
gesamte Höhe
des Behälters
erstrecken, einer Versteifung der Wandelemente gegen den durch das
wärmespeichernde
Medium ausgeübten
Druck von innen gegen die Wandelemente. Eine noch weitere Versteifung der
Wandelemente wird durch die an den freien bzw. wandfernen Enden
der Abkantungen angebrachten V-Profile 114-n mit n = 1,
2 ... erreicht. Die erwähnten Verbindungen
zwischen den einzelnen Flächenelementen
müssen
sich nicht über
die gesamte Fläche zwischen
zwei unmittelbar benachbarten Abkantungen erstrecken; vielmehr ist
es in der Regel ausreichend, wenn die Flächenelemente z. B. mit einer
einzelnen Schweißnaht
miteinander verschweißt
sind.
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3 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Behälter, wobei
das Speichervolumen gegenüber
dem in den 1 und 2 gezeigten
Behältern
verdoppelt wurde. Die ursprüngliche
Außenwände 110-(n-1) bis 110-N (vgl. 1)
bilden bei der in 3 gezeigten Erweiterung eine
Trennwand zwischen den beiden Kammern I und II des erweiterten Speichers.
Eine Trennung der beiden Kammern ist jedoch im Hinblick auf eine
effiziente Nutzung des Wärmespeichers
unerwünscht, denn
dafür muss
dieser ein möglichst
großes
zusammenhängendes
Speichervolumen aufweisen. Bei der Erweiterung wird dies einfach
dadurch realisiert, dass z. B. in das Wandelement 110-N möglichst
große Öffnungen 118 (siehe 1)
möglichst
in unterschiedlicher Höhe
eingebracht werden, so dass die beiden Kammern I und II miteinander
kommunizieren können.
Diese Öffnungen 118 mit
großer
lichter Weite gewährleisten
auch bei einer Batterie aus vielen einzelnen miteinander kommunizierenden
Kammern, dass sich eine ungestörte
Temperaturschichtung allein durch den Gewichtsunterschied des oben
wärmeren
Wassers und des unteren kälteren
Wassers einstellt. Das Wasser in den bei den Kammern I und II bildet
dann ein homogenes wärmespeicherndes
Medium, welches de facto nicht durch die Zwischenwand getrennt ist.
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Grundsätzlich ist
eine erste Kammer I nicht nur, wie in 3 beispielhaft
gezeigt, mit einer, sondern mit beliebig vielen Kammern mit gleichem
oder anderem Grundriss erweiterbar.
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Wird
in einer Batterie aus mehreren Kammern I, II das wärmespeichernde
Medium nur in einer der Kammern durch einen eingebrachten Wärmetauscher
aufgeheizt, so steigt das erwärmte
Wasser durch natürliche
Konvektion nach oben, während
der untere Bereich vorerst kalt bleibt. Das erwärmte Wasser verteilt sich dann
jedoch in der oberen Schicht des Mediums auch ohne mechanische Hilfe über die gesamte
Speicherbatterie, d. h. über
alle Kammern, sofern diese über
die Öffnungen 116-x miteinander kommunizieren.
Die Verteilung des erwärmten
Wassers erfolgt bis zu einem Punkt in beliebiger Höhe, in dem
z. B. ein Temperaturfühler
für ein
Ende der Beladung sorgen kann. Dieser Effekt setzt sich solange fort,
bis die gesamte Batterie in allen Kammern bis zu diesem Punkt geladen
ist und eine durchgehend gleichmäßige Temperaturverteilung
aufweist. Wird nachfolgend durch einen oberen Wärmetauscher Wärme entnommen,
so setzt der gleiche Effekt in umgekehrter Reihenfolge ein.
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Die
soeben beschriebene automatische Verteilung des erwärmten Wassers
erfolgt aufgrund von natürlicher
Konvektion.