DE202009002453U1

DE202009002453U1 - Stufen-Brunnen-Speicher

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Publication number: DE202009002453U1
Application number: DE202009002453U
Authority: DE
Original assignee: KORRMANN VOLKER
Current assignee: KORRMANN VOLKER
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2009-06-25
Anticipated expiration: 2019-02-24

Abstract

Der SBS ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stufen-Brunnen-Speicher wird mit Hilfe eines Senkrecht im Boden versenkten Rohres oder Schlauches gebaut wird, welches/welcher unten durch einen Deckel abgeschlossen ist. Am unteren Ende befindet sich zudem ein Kaltwasserausgang, welcher mit dem Warmwassereingang der nächsten Stufe verbunden ist.

Description

Beschreibung allgemein
Beim Stufen-Brunnen-Speicher handelt es sich um einen nicht druckfesten Großwärmespeicher, der die mit Hilfe von Solarkollektoren im Sommer aufgenommene Energie bis in den Winter hinein speichert. Zu der Anlage gehört fest die Wärmeabstrahlungsverstärkung sowie optional der drei Kammern Transferspeicher, der benötigt wird sobald der Großwärmespeicher weit entfernt von der Kollektoranlage liegt.
Der Stufen Brunnen Speicher nutzt dabei sowohl die Wärmekapazität des gespeicherten Wassers, als auch die Wärmekapazität des umgebenden Erdreiches. Aufgrund der hohen Wassermenge hat die umgebende Erde genügend Zeit die Energie der Kollektoren aufzunehmen. Dieser Effekt wird durch die Verwendung der Wärmeabstrahlungsabstützung noch verstärkt. Zudem werden die Brunnenwände durch die Abstrahlungsunterstützung extrem kostengünstig abgestützt was die Baukosten erheblich reduziert.
Aktueller Stand der Technik bzgl. Warmwasserspeichern
Die beigefügten Links zeigen die Berichte von verschiedensten Pilotprojekten zu großen Wärmespeichern. Alle diese Pilotprojekte haben jedoch den Fokus auf einen viel höheren Temperaturbereich und verursachen daher auch wesentlich höhere Investitionskosten. Zudem arbeiten diese Speicher mit druckfesten Speichern was ebenfalls die Kosten erheblich erhöht.

http://www.tu-chemnitz.de/mb/SolTherm/ST2000/images/tp3kwws2.pdf
http://www.itw.uni-stuttgart.de/ITWHomepage/Sun/deutsch/public/pdfDateien/06-02.pdf
http://www.igs.bau.tubs.de/_forschung/_solarenah/download/2003%200409%20Eurosolar%20Wuppertal_Langzeitsp_Tagungsband.pdf
http://www.solites.de/download/08-Otti-Riegger.pdf
http://www.fv-sonnenenergie.de/fileadmin/publikationen/Workshopbaende/ws2001-2/ws2001-2_02.pdf
http://www.solarserver.de/solarmagazin/anlagejuli2003.html
http://www.swt-stuttgart.de/SWT-Forschung/Veroeffentlichungen/Puplic/03-05.pdf
http://www.erdwaermezeitung.de/erdwaermeinfo/waermespeichertechnik/waermespeichernfuerlangezeit.html)

Stufen-Brunnen-Speicher
Es wurde ein Stufen-Brunnen-Speicher entwickelt, bei dem auf die Magerbetonverkleidung der Außenwände verzichtet werden kann.
Bei diesem Speicher wird ein ca. 1 m breites Rohr senkrecht in einem Brunnenloch versenkt. (Siehe Skizze 1) Das Rohr ist mit einem Deckel unten abgeschlossen. Am unteren Ende befindet sich zudem der Kaltwasserausgang, welcher das Wasser zum Warmwassereingang des nächsten Speichers führt.
Somit ist es nun möglich relativ kostengünstig tiefe Bohrungen bis vor den Grundwasserspiegel vorzunehmen und das Volumen des Speichers somit beträchtlich zu erhöhen. Die Bohrtiefe sollte dabei oberhalb der Grundwasserschichten bleiben um einen Wärmeabfluss durch das Grundwasser zu verhindern.
Wie in Skizze 2 gezeigt, werden nun viele Brunnen in Reihe geschaltet um gemeinsam einen großen Erdspeicher zu erwärmen, der an den Außenseiten sowie zeilenweise wärmegedämmt ist.
Die einzelnen Brunnenspeicher werden mit Hilfe einer unten Wärmegedämmten Betonplatte abgedeckt. Die einzelnen Betonplatten werden dabei von vier Stützpfeilern getragen, welche im umgebenden Erdreich um den Brunnenspeicher angebracht sind. (Siehe Skizze 3)
Zudem muss die gesamte Oberfläche des Großwärmespeichers mit einer Wärmedämmung versehen werden.
Für den Fall eines Grundwasseranstiegs sind unterhalb der Brunnenspeicher Drainagerohre zur Entwässerung vorzusehen. Falls es dabei schon zu einer Erwärmung des Grundwassers gekommen ist, kann die Energie des Grundwassers per Wärmetauscher dem Speicher zum Teil wieder zugeführt werden.
Wärmeabstrahlungsabstützung für Stufen-Brunnen-Speicher und Stufen-Ring-Schichtenspeicher
Auch der Stufen-Brunnen-Speicher ist durch die Kosten für die Rohre noch relativ teuer. Die Rohre müssen auch stabil gebaut sein, um dem Druck der Erdschichten stand zu halten. Zudem ist die Wärmeabstrahlung dieser Speicher an die umgebenden Erdschichten noch sehr gering.
Diese Nachteile führten uns zu der Entwicklung der Wärmeabstrahlungsabstützung. Die Brunnenwand wird mit Hilfe von dünnen Metallplatten abgestützt. Die Metallplatten bestehen entweder aus Edelstahl oder sind zusätzlich verzinkt. Die Metallplatten weisen mehrere Bohrungen auf. Durch diese Bohrungen werden mit Hilfe einer Hydraulik Metallstäbe – in Form von Rundstäben oder als T-Stücke – in die Erde gepresst. Die Stäbe haben eine Länge von ca. 90% des Brunnendurchmessers. Nach einem solchen Vorgang werden diese Metallstangen mit Hilfe eines Aufsatzes (Manschette) verstärkt und mit einer weiteren Stange verschweißt. Der zweite Teil der Stange wird nun ebenfalls mit Hilfe einer Hydraulik in das Erdreich gepresst. Dieser Vorgang wird bis auf eine Länge von 3 m fortgesetzt. Die letzte Metallstange ist ebenfalls Korrosionsbeständig und bereits mit einer Abschlussplatte verschweißt, welche die Bohrung in der Metallplatte vollständig überdeckt. Die Metallplatte, welche die Grabenwand bzw. Brunnenwand abstützt, wird mit Hilfe mehrerer „Erdanker" fixiert was der Platte die nötige Festigkeit verleit um die Abstützung der Wand zu ermöglichen. Die gesamte Graben- bzw. Brunnenwand wird mit Hilfe mehrerer sich gegenseitig überschneidender Metallplatten abgestützt. Diese Metallplatten können optional nach Fertigstellung der kompletten Abstützung mit einander verschweißt werden. Der Vorteil dieser Bauweise liegt in der massiv vergrößerten Wärmeabstrahlung an das umgebende Erdreich. Der Abstrahlradius wird beim Brunnenspeicher somit von einem Meter Durchmesser auf sieben Meter vergrößert. Gleichzeitig ist diese Abstützung wesentlich kostengünstiger als ein Rohr oder das ausgießen der Seitenwände mit Magerbeton.
Es entstehen natürlich zusätzliche Montagekosten, die sich jedoch durch den Einsatz von Spezialmaschinen reduzieren lassen. Somit ist der schnelle Bau vieler kostengünstiger Großwärmespeicher möglich. Im Inneren des Speichers kann nun ein wesentlich dünneres Rohr eingesetzt werden, oder sogar nur ein Folienschlauch. Des weiteren wird im inneren des Brunnenspeichers ein Drainagerohr verlegt, mit dessen Hilfe ein Leck im Folienschlauch erkannt werden kann.
Drei-Kammern-Transferspeicher
Die Stufen-Brunnen-Großwärmespeicher bieten die Möglichkeit, dass die Energie nicht nur auf dem höchst möglichen Temperaturniveau eingespeist wird. Viel mehr ist es durch die vielen möglichen Warmwassereingängen in den verschiedenen Stufen möglich mit zwei verschiedenen Energieniveaus gleichzeitig zu arbeiten. Am Haupteingang des Speichers wird dieser Speicher immer mit der Maximaltemperatur beladen. Es ist jedoch nicht nötig, die noch 15 Grad kalten hinteren Stufen nur mit 95 Grad warmen Wasser zu erwärmen. Statt dessen ist es möglich mit Hilfe von 50–60 Grad warmen Wasser, welches mit wesentlich weniger Verlusten erzeugt werden kann, die noch kälteren Stufen vor zu erwärmen, bevor von den ersten Speicherstufen das ca. 90 Grad warme Wasser in die restlichen Stufen gelangt. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Anlage erheblich gesteigert werden. Diese Technik ist jedoch nur bei ausreichend vielen Speicherstufen sinnvoll, vor allem dann, wenn auch kaltes Wasser zur Klimatisierung im Sommer entnommen werden soll.
Für den Fall, dass der Großwärmespeicher weit von der Kollektoranlage entfernt liegt, bietet sich die Verwendung eines drei Kammern Transferspeichers an.
Die Skizze 28 zeigt die mögliche Verwendung eines drei Kammern Transferspeichers. Auf einem Gebäude befindet sich eine Kollektoranlage incl. Verwirbellungsrohr + Kompressor und Wärmetauschern. Zusätzlich ist in der Nähe ein drei Kammernspeicher installiert, welcher sowohl kaltes, 60 Grad und ca. 90 Grad warmes Wasser speichert. Sobald kein kaltes Wasser mehr vorhanden ist, wird das erwärmte Wasser stoßweise mit dem inzwischen kalten Wasser des zweiten Transferspeichers ausgetauscht. Dabei wird wie in Skizze 28 ebenfalls gezeigt zuerst 90% des 60 Grad warmen Wassers durch die Leitung geschickt, gefolgt vom 90 Grad warmen Wasser, gefolgt von den letzten 10% des 60 Grad warmen Wassers. Anschließend wird die Transferleitung wieder vollständig mit kalten Wasser aufgefüllt. Der zweite Transferspeicher beim Großwärmespeicher kann nun seine Energie per Wärmetauscher an den nicht druckfesten Großwärmespeicher abgeben.

Durch diese Technik sollten sich die Leitungsverluste erheblich minimieren lassen. Mit dieser Technik kann gegebenenfalls auch nur ein Transferrohr verwendet werden. In diesem Fall muss der Speicher eine ausreichende Menge Kaltwasser zurückbehalten, um den „laufenden" Betrieb während des Umpumpvorganges aufrecht zu erhalten, und die Leitung vollständig wieder mit kalten Wasser nach der „Versendung" des warmen Wassers zu füllen. Auf der Seite des Großwärmespeicher werden in diesem Falle zwei Transferspeicher benötigt. Einen zur Entgegennahme des warmen Wassers und einen zum zurücksenden des kalten Wassers. Der Wasserkreislauf der Transferspeichers ist dabei vollständig vom druckfreien Großwärmespeicher getrennt und kann aufgrund des viel kleineren Volumens für den Winterbetrieb ausreichend mit Glykol versetzt sein. Legende für Zeichnungen

Nr	Beschreibung
1	Brunnen Speicher
2	Siebeinsatz im Brunnen, welches das Rohr innen Abstützt und die Durchmischung der einzelnen Schichten im Wasser verlangsamt und beruhigt
3	Erdrohr mit Profil, welches ein Ausgießen des Brunnens mit Magerbeton unnötig macht. Der Brunnen wird allein durch das Rohr abgestützt.
4	Kaltwasserausgang des Rohres. Der Kaltwasserausgang führt zum Warmwassereingang der nächsten Stufe bzw. des nächsten Brunnens.
5	Außen Wärmedämmung des Großwärmespeichers
6	Zeilenweise Wärmedämmung des Großwärmespeichers
7	Brunnen-Speicher
8	Stützpfeiler
9	Betonplatte
10	Brunnen-Speicher
11	Eingehängter Kaltwasserausgang.
12	Verbindungsstück zwischen zwei Bodenankern
13	Metallplatte zur Abstützung der Wand
14	Bodenanker
15	Erster Drei-Kammern-Transferspeicher
16	Großwärmespeicher (z. B. Stufen-Brunnen-Speicher)
17	Transferrohre
18	Zweiter Transferspeicher
19	Schematische Darstellung des gesteuerten Stufenweisen Durchflusses
20	Kollektoranlage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- http://www.tu-chemnitz.de/mb/SolTherm/ST2000/images/tp3kwws2.pdf [0003]
- http://www.itw.uni-stuttgart.de/ITWHomepage/Sun/deutsch/public/pdfDateien/06-02.pdf [0003]
- http://www.igs.bau.tubs.de/_forschung/_solarenah/download/2003%200409%20Eurosolar%20Wuppertal_Langzeitsp_Tagungsband.pdf [0003]
- http://www.solites.de/download/08-Otti-Riegger.pdf [0003]
- http://www.fv-sonnenenergie.de/fileadmin/publikationen/Workshopbaende/ws2001-2/ws2001-2_02.pdf [0003]
- http://www.solarserver.de/solarmagazin/anlagejuli2003.html [0003]
- http://www.swt-stuttgart.de/SWT-Forschung/Veroeffentlichungen/Puplic/03-05.pdf [0003]
- http://www.erdwaermezeitung.de/erdwaermeinfo/waermespeichertechnik/waermespeichernfuerlangezeit.html) [0003]

Claims

Der SBS ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stufen-Brunnen-Speicher wird mit Hilfe eines Senkrecht im Boden versenkten Rohres oder Schlauches gebaut wird, welches/welcher unten durch einen Deckel abgeschlossen ist. Am unteren Ende befindet sich zudem ein Kaltwasserausgang, welcher mit dem Warmwassereingang der nächsten Stufe verbunden ist.
Der SBS ist dadurch gekennzeichnet, dass er aus mehreren in Reihe geschalteten Brunnen-Speichern besteht. Der Kaltwasserausgang des ersten Brunnens, wird immer mit dem Warmwassereingang des nächsten Brunnens verbunden.
Der SBS ist dadurch gekennzeichnet, dass die in Reihe geschalteten Brunnen in mehreren Zeilen innerhalb des Speichers angeordnet werden. Die einzelnen Zeilen sind untereinander durch einen Wärmegedämmten Graben von einander abgetrennt.
Der SBS ist dadurch gekennzeichnet, dass das der gesamte Speicher, der aus mehreren Brunnenspeichern besteht, außen durch einen wärmegedämmten Graben abgeschlossen wird sowie auf seiner Oberseite wärmegedämmt wird.
Der SBS ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kaltwasserausgang auf der Unterseite auch über ein eingehängtes und wärmegedämmtes Rohr erfolgen kann. Durch die Verlegung der Anschlussstelle kann somit deren Belastung durch den umgebenden Wasserdruck minimiert werden.
Der SBS ist dadurch gekennzeichnet, dass der zugehörige Brunnen-Speicher oben durch eine wärmegedämmte Betonplatte abgeschlossen wird. Die Betonplatte ist an der Unterseite wärmegedämmt und liegt dabei auf mind. 4 Stützpfeilern auf, welche um den Brunnenspeicher in der Erde verankert sind.
Der SBS ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brunnenwand des Großwärmespeichers mit Hilfe mehrerer wärmeleitender Platten abgestützt wird. Die Wärmeleitenden Platten werden dabei mit Hilfe mehrerer wärmeleitender Erdankter je Platte fixiert. Die Erdanker haben eine Länge von mind. einem halben Meter bis hin zu mehreren Metern.
Der SBS ist dadurch gekennzeichnet, dass die Erdanker der Wandverschalungen ein Profil oder Widerhaken aufweisen können.
Der SBS ist dadurch gekennzeichnet, dass die Erdanker der Wandverschalungen sowohl aus Rundstäben, als auch andern Profilen wie z. B. T-Profilstäben ausgeformt sein können.
Der SBS ist dadurch gekennzeichnet, dass die Erdanker aus mehreren zusammengesetzten Elementen bestehen, die fest über Schweißstellen oder Dreh- oder Steckverbindungen mit einander verbunden werden, um die Montage unter den beengten Platzverhältnissen beim Speicherbau zu ermöglichen.
Der SBS ist dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des Großwärmespeichers mit Hilfe von Horizontalbohrungen Drainagerohre verlegt werden, mit deren Hilfe ansteigendes Grundwasser abgepumpt werden kann.
Der SBS ist dadurch gekennzeichnet, dass bei größeren Entfernungen zwischen Kollektoranlage und Großwärmespeicher ein drei Kammern Transferspeicher eingesetzt wird. Dabei steht ein drei Kammern Transferspeicher sowohl auf Seite der Kollektoren, als auch ein Transferspeicher auf der Seite des Großwärmespeichers. Die beiden Speicher werden mit Hilfe von zwei Rohren mit einander verbunden.
Der SBS ist dadurch gekennzeichnet, dass der zugehörige drei Kammern Transferspeicher über drei von einander getrennten variable Speicherkammern verfügt. Jede Kammer kann sich dabei auf das gesamte Volumen des Speichers ausdehnen und die anderen Kammern dabei zusammenschieben. Zudem verfügt jede Kammer über einen eigenen Wasser Ein- bzw. Ausgang.
Der SBS ist dadurch gekennzeichnet, dass der zugehörige drei Kammern Transferspeicher auch mit Hilfe nur eines Rohres zwischen den Speichern gebaut werden kann. Dafür muss auf Seite des Großwärmespeichers ein weiterer reiner Kaltwasserspeichers verwendet werden.
Der SBS ist dadurch gekennzeichnet, dass die Transferspeicher über eine Steuerung stoßweise Ihre Wassermassen austauschen. Die Steuerung sorgt dafür, dass über elektronisch gesteuerte Ventile erst 90% des 60 Grad warmen Wassers (mittleres Energieniveau), gefolgt vom maximalen Energieniveau, gefolgt vom restlichen Wassers des mittleren Energieniveaus, gefolgt von Kaltwasser übertragen werden. Die Steuerung sorgt dabei dafür, dass die letzte Kaltwassermenge groß genug ist, um das Transferrohr wieder voll zu befüllen. Zu diesem Zweck verfügt die Steuerung über einen Wärmesensor am Eingang des Transferspeichers auf der Seite des Großwärmespeichers.