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Die Erfindung betrifft unter Innendruck stehende Behälter zum Speichern von gasförmigen oder flüssigen Medien und/oder zum Speichern von Wärme oder „Kälte” in entsprechenden Medien (sensible Wärme, Latentwärme, Reaktionswärme). Insbesondere kann die Erfindung vorteilhaft angewandt werden für Wärmespeicher mit flüssigem Speichermedium und insbesondere zur Bereitstellung von Warmwasser und Heizenergie.
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Stand der Technik sind zum einen Speicher aus metallischen Werkstoffen, wie Stahl, ggf. mit korrosionsschützender Beschichtung wie Email, oder aus Edelstahl. Diese Behälter sind i. d. R. zylindrisch mit so genannten Klöpperböden oben und unten aufgebaut. Ebenfalls gibt es am Markt Behälter mit ovalem Querschnitt (www.sailergmbh.de). Runde und ovale Querschnitte werden gewählt, weil hierdurch der Innendruck in entsprechend dimensionierten Wänden aufgenommen werden kann (Beanspruchung der Wände auf Zug). Nachteil dieser Behälter ist das hohe Gewicht, z. B. ca. 250 kg für einen 1000 l Solar-Kombispeicher. Das Gewicht führt zu einer anstrengenden und aufwändigen (in obigem Beispiel 4 Personen) Einbringung zum Aufstellungsort.
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Ein weiterer Nachteil von runden Behältern ist die schlechte Platzausnutzung, insbesondere, wenn mehrere Behälter nebeneinander aufgestellt werden sollen.
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Es gibt vereinzelt auch Realisierungen von Stahlspeichern mit ebenen Seitenwänden, die zwischen Halbzylinder geschweißt sind (siehe www.seab-laucha.de). Diese Bauart ermöglicht eine bessere Einbringung der Speicher z. B. durch Türen und einen etwas Platz sparenderen Aufbau. Allerdings ist eine material- und kostenaufwändige Versteifung der ebenen Seitenwände durch aufgeschweißte Profile nötig.
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Weiterhin sind kubische Speicher aus Stahl bekannt, diese sind allerdings überdrucklos, d. h., sie nehmen nur den statischen Druck durch die Befüllung selbst auf. Beispiele hierfür sind:
In der
WO 2009012853 (A1) , 2009 wird ein druckloser eckiger Kunststoff-/Metallspeicher der flexibel aus unterschiedlichen Flächenelementen vor Ort (im Keller) zusammengeschweißt werden kann, beschrieben (Erfinder: Georg Haase, vertrieben von HYDRO-ENERGY (http://www.solar-internationalenergy.com/html/karyon-langzeitspeicher.html)).
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In der chinesischen Schrift
CN 2702235 (Y) , 2005 wird ein kubischer Behälter beschrieben, der durch parallele Zwischenwände in Unterbehälter aufgeteilt ist. Hierdurch wird eine gute Trennung der Wasserschichten unterschiedlicher Temperatur erreicht.
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Ebenfalls Stand der Technik sind Kunststoffspeicher. Diese gibt es in vielfältigen Formen, da dies durch Kunststoff-Fertigungsverfahren einfach möglich ist. Kunststoffspeicher werden in der Regel drucklos betrieben.
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Ein Beispiel hierfür ist ein zylindrischer Speicher aus glasfaserverstärktem Kunststoff, dessen Behälterwand zusammengerollt in den Keller eingebracht und dort verklebt wird. Ein solcher Speicher wird von der Fa. Haase entwickelt und von der Haase GFK-Technik GmbH (www.ichbin2.de) sowie der Jehle Technik GmbH (www.jehle-technik.de) gefertigt.
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In der
DE 4116375 (A1) von 1992 wird ein modulares Speichersystem mit kubischen drucklosen Kunststoffbehältern beschrieben. Die Fa. Hydro Energy wollte diesen Speicher in den 1990er Jahren entwickeln und produzieren, sie bietet mittlerweile aber das System mit Stahlbehältern an (s. o.).
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In der Offenlegungsschrift
DE 44 38 970 A1 von 1994 wird ebenfalls ein modularer Wärmespeicher beschrieben, der modular ausbaubar auf Volumina von mehreren Kubikmetern ist. Einzelne Speichermodule, vorzugsweise aus Kunststoff, werden zu einer kompakten Einheit zusammengesetzt und durch ein Isolations-Manschettensystem komplett gedämmt. Hierzu sind die Speichermodule kubisch ausgebildet und werden drucklos betrieben.
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Ein solches System hat gegenüber oben beschriebenen einzeln gedämmten Speichern deutliche Vorteile hinsichtlich Platzbedarf, Wärmeverluste und Einbringung.
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Von der Firma FSave Solartechnik GmbH (www.f-save.de) werden Speicher flexibler Größe angeboten, bei denen die Behälter aus dünnen Kunststoffplatten geschweißt werden, die von außen mit Hartschaumplatten gedämmt und durch eine Stahlkonstruktion zur Aufnahme des eigenen statischen Drucks (kein Überdruck) stabilisiert werden. Alternativ hierzu wurde im Vorfeld (bis ca. 2008) von der Universität Kassel die Verwendung von Kunststoff-Foliensäcken untersucht, die in der ansonsten gleichen Konstruktion aufgehängt wurden.
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Nachteilhaft bei all diesen Kunststoffspeichern ist die Drucklosigkeit, die zusätzliche Wärmetauscher für angeschlossene, unter Druck stehende Energiequellen und Verbraucher erfordert (in diesem Fall Heizkessel und Heizkreis). Zusätzliche Wärmetauscher bedeuten zum einen zusätzliche Kosten und Gewicht, v. a. aber auch eine reduzierte Effizienz. Insbesondere auf den Ertrag von Solaranlagen und Wärmepumpen, aber auch von Brennwertkesseln wirken sich durch zusätzliche Wärmeübergänge erhöhte notwendige Beladetemperaturen negativ aus, hinzu kommen erhöhte Wärmeverluste des Speichers.
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Druckbelastbare Kunststoffbehälter sind in folgenden Ausführungen bekannt:
- – Kleine zylindrische Behälter mit halbkugelförmigen Abschlüssen oben und unten. In der US 4579242 (A) von 1986 wird beispielsweise ein zylindrisch-kugelförmiger Druckspeicher durch Spritzgießen hergestellt mit fester Hälftenverbindung durch Nut und Feder.
Die Druckbelastbarkeit und die Größe solcher Behälter ist stark begrenzt und erfordert teure hochtemperaturgeeignete Kunststoffwerkstoffe, um ein Kriechen und Dehnen des Behälters über die Lebensdauer zu vermeiden bzw. zu begrenzen.
- – Glasfaserverstärkte zylindrische Behälter, die einen gewissen Überdruck ermöglichen. Beispiele hierfür sind: zylindrische Behälter mit halbkugelförmigen Abschlüssen oben und unten von der Rikutec Richter Kunststofftechnik GmbH & Co. KG (www.rikutec.de). In der US 6582540 (B1) von 2003 werden ebenfalls zylindrische Druckspeicher mit einer Innenlage aus einem Polymer und einer kraftaufnehmenden Außenlage aus einem Verbundwerkstoff beschrieben. Ein ähnlicher Aufbau wird in der PT 1248929 (E) , bzw. der korrespondierenden Patentschrift WO 0151844 (A2) 2004 beschrieben.
Diese Behälter ermöglichen insbesondere als Heißwasserspeicher und bei wirtschaftlicher Dimensionierung nur eine begrenzte Druckaufnahme und sind nur mit runden Behälterformen möglich.
- – Behälter mit Stahlmanschetten oder -gestänge außen zur Aufnahme der Druckbelastung der Behälterwände. Bekannte Anwendungen hierfür sind z. B. Öl- oder Regenwassertanks. Ein Druckbehälter für geschlossene Heißwasserspeicher mit Kunststoffinnenlage und Stahlbändern zur Kraftaufnahme wird in der DE 10113566 (A1) , 2002 beschrieben. Der Behälter besteht aus zwei Halbkugeln, die miteinander dicht verbunden und durch die Stahlbänder stabilisiert werden.
Der Nachteil dieser Konstruktionen: erhöhter Aufwand in der Fertigung und erhöhtes Gewicht. Trotz des Aufwands sind nur begrenzte Überdrücke möglich, oft sogar nur der durch die Befüllung entstehende statische Druck.
- – Eine weitere Möglichkeit zur Druckstabilisierung besteht in der Ausgestaltung der Behälterwand als „Sandwich”. In der WO 9804873 (A1) von 1998 beispielsweise wird ein kleiner Drucktank zur Wassererwärmung aus Polymeren Werkstoffen beschrieben. Zwischen einem inneren, wasseraufnehmenden Behälter und einer Außenhülle befindet sich Isolation (vorzugsweise ein Hartschaum), durch den eine stabile Sandwichkonstruktion entsteht. Nennenswerte Drücke sind mit solchen Konstruktionen aber nur bei kleinen Behältern aufnehmbar. Vergleichbare aufgebaute größere Speicher, wie z. B. von der ROTER Heating Systems GmbH (www.rotex.de) werden drucklos betrieben.
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Aufgabenstellung dieser Erfindung ist ein druckbelastbarer Speicherbehälter 1, der sich durch geringen Materialeinsatz und geringes Gewicht auszeichnet, und auch mit schwach oder nicht gekrümmten Behälterwänden 2 realisiert werden kann. Solche z. B. kubische Behälter haben den Vorteil, dass ein oder mehrere Behälter praktisch ohne Platzverlust dicht an dicht in einem Raum aufgestellt werden können.
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Die Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß folgendermaßen gelöst:
Die Druckaufnahme erfolgt durch eine hohe Anzahl an internen, innerhalb des Behälters und des Speichermediums verlaufenden Verbindungselementen 3 zwischen gegenüberliegenden Abschnitten der Behälterwände 2, so dass diese nur zwischen diesen Verbindungsstellen auf Biegung beansprucht sind und sich dort ggf. geringfügig krümmen, so dass die Oberfläche in der Gesamtheit eben bzw. formstabil bleibt. Durch die „Mikrokrümmungen” entstehen Oberflächen, die unter Zugspannung stehen, während die Biegebeanspruchung reduziert wird oder gar gegen Null geht. Dieser Aufbau ermöglicht die Verwendung von Wänden, die geringe oder keinerlei Biegekräfte aufnehmen können (z. B. Folien oder beschichtete Gewebe), da diese durch die Krümmungen zwischen den Verbindungen den Druck als Zugbelastung in der Wand aufnehmen. Die Verbindungselemente 3 selbst werden nur auf Zug beansprucht und können daher sehr dünn ausgeführt werden. Insgesamt ist der Materialeinsatz dadurch geringer als bei der ausschließlichen Aufnahme des Druckes durch die Wand.
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In besonderer Weise ist diese Bauart wirkungsvoll und vorteilhaft bei Behältern mit ebenen oder gering gewölbten Wänden 2, da hier ohne die Verbindung extrem hohe Anforderungen an die Steifigkeit gestellt werden, was zu sehr großen Wandstärken führt.
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Ebenfalls in besonderer Weise ist diese Bauart wirkungsvoll und vorteilhaft bei Behältern aus Kunststoffen, da diese vergleichsweise geringe Festigkeitswerte aufweisen und insbesondere bei höheren Temperaturen die Festigkeit weiter abfällt und die Materialien bereits bei geringen Belastungen oft kriechen. Bei Speichern, die bei hohen Temperaturen betrieben werden, insbesondere bei Wärmespeichern kann ansonsten die notwendige Festigkeit nur durch teure Spezialkunststoffe und die oben beschriebenen aufwändigen Verstärkungskonstruktionen erreicht werden. Dagegen können die Verbindungselemente in Kunststofftechnik leicht und kostengünstige realisiert werden, wie weiter unten beschrieben.
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Der Abstand A zwischen den Anbindungspunkten der Verbindungselemente 3 an die Behälterwände ist abhängig vom Druck, für den der Behälter ausgelegt wird, und vom verwendeten Material. Typische Drücke in der Anwendung als flüssigkeitsgefüllter Wärmespeicher für Heizung und/oder Warmwasser sind 2–6 bar Überdruck. Die Abstände der Verbindungsstellen liegen dann zwischen vorteilhaft 2 und 100 mm. Bei der Realisierung der Behälterwände 3 mit dünnen Blechen (z. B. 0,5–2 mm) betragen vorteilhafte Abstände A zwischen den Anbindungspunkte 50–100 mm, bei beschichteten zugstabilen Geweben betragen vorteilhafte Abstände A zwischen 5 und 75 mm, und bei Folien und kostengünstigen Kunststoffmaterialien betragen vorteilhafte Abstände zwischen 2 und 50 mm.
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Die Anzahl der Verbindungselemente kann insbesondere dann hoch sein (und die Abstände entsprechend gering), wenn sie auf einfache oder kostenneutrale Weise im Herstellprozess realisiert werden. Dann wird der Abstand dadurch festgelegt, welche minimale Materialstärke in Bezug auf Herstellung (Möglichkeit und Kosten) und Handling für die Verbindungselemente 3 und die Behälterwände 2 möglich ist: unter Berücksichtigung dieser Punkte werden minimaler Materialeinsatz und minimale Fertigungskosten angestrebt. D. h., die Anzahl der Verbindungselemente ergibt sich aus dem aufzunehmenden Druck und der minimalen Materialstärke der Verbindungselemente 3, aus dem sich daraus ergebenden Abstand A folgt dann – wieder unter Berücksichtigung von Herstellung und Handling – die nötige Wandstärke für die Behälterwände 2.
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Die internen Verbindungslelemente 3 lassen sich erfindungsgemäß wie folgt realisieren:
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1. Verwendung von Zweiwandgewebe:
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Solche Gewebe bestehen aus 2 Gewebebahnen 4, die durch eine Vielzahl von Fäden 3a, die in beiden Bahnen eingewoben sind, miteinander verbunden sind. Diese Gewebebahnen 4 lassen sich jeweils mit einer dichtenden Schicht 5, insbesondere mit Kunststoffen beschichten, so dass dichte Oberflächen entstehen. Das Gewebe selbst kann die bei Druckbelastung auftretenden Zugkräfte aufnehmen, wobei hier problemlos hochtemperaturfeste Werkstoffe wie z. B. Glasfasern eingesetzt werden können.
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Zweiwand- oder Abstandsgewebe sind bekannt u. a. aus der
US 2009061712 (A1) , 2009. Die Verwendung solcher Zweiwandgewebe zur Herstellung von mit Überdruck aufblasbaren Kissen, z. B. zum Anheben von schweren Gegenständen oder mit Wasser gefüllten Kissen als Hochwasserbarrieren ist bekannt. Die Herstellung von Druckspeicherbehältern aus Zweiwandgewebe ist erfindungsgemäß u. a. wie folgt möglich:
- a) Flache Behälter 1, mit ebenen Behälterflächen 2, nur die Rand-Verbindungsflächen 6 zwischen den ebenen Flächen sind rund geformt, da diese nicht durch Fäden abgestützt sind.
- b) Zweiwandgewebe-Behälter mit diagonal verlaufenden Verbindungsfäden, realisiert aus Zweiwandgewebe, bei dem der Wandabstand zunimmt und wieder abnimmt. Bei diesem Fadenverlauf ist auch die Realisierung eines nicht flachen rechteckigen Querschnitts möglich.
- c) Zweiwandgewebe mit gekreuzten Fäden (webetechnisch aufwändiger): Hier werden die Enden 7 der Gewebebahnen 4 miteinander verbunden und das Zweiwandgewebe in der Mitte auseinander gezogen. Dadurch entsteht ein rechteckiger Querschnitt.
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2. Kunststoff-Hohlkörper mit dünnen Verbindungsflächen.
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Kunststoff-Hohlprofile lassen sich z. B. im Extrusionverfahren herstellen, ebenfalls können Hohlprofile oder Hohlkörper im Kunststoff-Spritzguss gefertigt werden. Um die erfindungsgemäßen Verbindungen zu realisieren, können sehr dünnwandige Verbindungsflächen zwischen den Behälterwänden im gleichen Prozess hergestellt, z. B. extrudiert werden. Vielfältige Formen sind möglich, z. B. parallele Stege (insbes. bei flachen Behältern), gitterförmige oder wabenförmige Flächen oder sternförmig (insbes. bei runden Behälterquerschnitten) angeordnet.
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Oben und unten kann das Hohlprofil durch einen gewölbten und ggf. mit Rippen versteiften Boden und Deckel geschlossen werden. In Deckel und Boden können die Anschlüsse für den Behälter integriert sein, wobei Deckel und Boden so geformt sind, dass sie ein Verteil- bzw. Sammelvolumen für das Speichermedium bilden, so dass es alle durch die flächigen Verbindungselemente 3b gebildeten Kammern durchströmt werden. Werden Deckel und Boden im Spritzgussverfahren hergestellt, so ist die Integration von solchen Anschlüssen und Rippen einschließlich Vorrichtungen zu Beruhigung oder Verteilung praktisch kostenneutral möglich.
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Es ist auch möglich, die Zu- und abgänge für das Medium in Deckel und Behälter so an das Hohlkörperprofil anzubinden, dass ein Teil der Waben von einem Medium 32 durchströmt wird, und ein anderer Teil von einem anderen Medium 33 (und ggf. noch weitere Medien). Auf diese Weise wird mit dem Behälter gleichzeitig ein integrierter Wärmetauscher realisiert, der sich durch eine sehr große Oberfläche und geringen Druckverlust auszeichnet.
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Derartig aufgebaute Behälter aus dünnen Kunststoffen, Folien oder Zweiwandgewebe können in schützenden Gehäusen, z. B. dünnwandigen Blechgehäusen 8 untergebracht werden, wodurch ein selbsttragender Aufbau sowie Stabilität und Robustheit bei Transport und Verarbeitung erreicht wird. Solche Gehäuse mit typischen Blechdicken von 0,5–2 mm können aus gefalztem Blech und, bei genügend hohen Stückzahlen, aus tiefgezogenen Blechschalen hergestellt werden.
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Falls die Behälter aus Zweiwandgewebe hergestellt werden, können an der Verbindung der beiden Blechschalen gleichzeitig die Gewebeenden 7 der Zweiwand-Gewebebahnen fest verbunden werden. Eine geeignete Verbindung hierfür ist eine Pressverbindung, die durch einen Falz oder ein aufgepresstes umlaufendes Profil hergestellt wird. Der Aufbau ähnelt dem eines Ausdehnungsgefäßes aus der Heizungstechnik, weshalb auf diese Herstellverfahren kostengünstig zurückgegriffen werden kann.
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Flache Behälter mit ebenen Wänden wie z. B. aus Zweiwandgewebe nach dem Prinzip a) aufgebaut, lassen sich miteinander kombinieren zu Einheiten, die aus mehreren Modulen (= Speicherbehälter 1) bestehen. Solche Einheiten können in einem Gesamtgehäuse 8 untergebracht werden (z. B. aus gefalztem Blech oder aus Blechschalen, wie oben beschrieben). Der Aufbau eines Wärmespeichers aus mehreren, mind. 3 Modulen hat folgende Vorteile:
- – Durch die Aufteilung in Modulen wird die Vermischung von Temperaturschichten beim Einspeisen der Speicherflüssigkeit begrenzt. Andernfalls wären hierfür aufwändige Prallbleche o. ä. nötig.
- – Die Module können so angeordnet werden, dass das Modul mit der höchsten Temperatur 10 zwischen den Modulen 11 und 12 mit geringerer Temperatur angeordnet ist. Dadurch werden die Wärmeverluste des Behälters 10 in den Behältern 11 und 12 aufgenommen, d. h., die Gesamtverluste werden reduziert.
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Zwischen den Modulen ist nur eine dünne Dämmschicht 31 nötig, nur die gesamte Speichereinheit wird mit einer gut isolierenden Gesamtwärmedämmung 30 gedämmt. Nach außen kann eine solche Einheit die Anschlüsse 13, 14, 15 und 16 für unterschiedliche Speicherbereiche bzw. Module mit unterschiedlichen Temperaturniveaus aufweisen, so dass für den Monteur der Speichereinheit durch die Vorverschaltung eine einfache Montage möglich ist.
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Die dünne Dämmschicht 31 zwischen den Speichermodulen kann bei Herstellung der Behälter als Kunststoff-Hohlkörper direkt im Herstellprozess z. B. in Form von Abstandsstegen oder dünnen Hohlräumen außen an der Behälterwand 2 realisiert werden.
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Die Druckspeichermodule können, wie eingangs beschrieben mit unterschiedlichen Medien befüllt werden. In der Anwendung als Wärmespeicher ist neben flüssigen Speichermedien wie Wasser insbesondere Latentspeichermaterial interessant. Der oben beschriebene modulare Aufbau ermöglicht die vorteilhafte Kombination von flüssigen Speichermedien (zur Speicherung sensibler Wärme) mit Latentspeichermedien:
Heute verfügbare Latentspeichermaterialien ermöglichen nur dann eine nennenswerte und wirtschaftlich darstellbare Kapazitätssteigerung, wenn sie dort eingesetzt werden, wo nur geringe Temperaturhübe vorliegen. Diese Voraussetzung ist bei der Speicherung zur Warmwasserbereitung und bei Heizsystemen mit hohen maximalen Vorlauftemperaturen (da großer Temperaturbereich zwischen Übergangszeit und kalten Wintertagen) im Allgemeinen nicht gegeben. Dagegen liegt bei modernen Niedertemperaturheizungen, insbesondere bei Flächenheizsystemen ein enger Temperaturbereich von ca. 30°C +/– 5 K vor, in dem Wärme bereitgestellt werden soll. Ähnlich günstige Voraussetzungen sind bei energetisch sanierten Bestandsgebäuden gegeben, da hier der reduzierte Heizwärmebedarf in Verbindung mit den bereits vorhandenen großen Heizflächen ebenfalls relative geringen Betriebstemperaturen und Temperaturdifferenzen im Heiznetz ermöglicht.
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Eine Erhöhung der Speicherkapazität in diesem Temperaturbereich bringt sowohl für eine Solaranlage (tiefes Temperaturniveau führt zu hohem Wirkungsgrad) als auch für weitere Energieerzeuger, insbesondere Wärmepumpen, deutliche Vorteile. Es bietet sich daher an, Latentspeichermaterialien nur in Speicherbereichen zu integrieren, in denen die Speicherung der für das Flächenheizsystem genutzten Wärme stattfindet. Der modulare Aufbau ermöglicht, dass hierfür ein komplettes Speichermodul genutzt wird, was den Vorteil der einfachen Befüllung und Trennung von den anderen Gesamtspeicherbereichen hat. Das mit Latentmaterial gefüllte Speichermodul wird dann so im Gesamtsystem verschaltet, dass es vom Heizkreis durchströmt wird. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist, wenn das komplette Speichermodul mit kleinen gekapselten Latentspeicherkörpern 17 gefüllt wird. Das Heizungswasser umströmt bei Be- und Entladung die gekapselten Körper, und durch die große Oberfläche entsteht ein sehr guter Wärmeaustausch.
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Im Folgenden werden anhand der 1–11 konkrete Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben.
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1a zeigt den Aufbau eines zylindrischen Druckspeicherbehälters 1, bei dem die Behälterwand 2 durch eine Vielzahl von Fäden mit der gegenüberliegenden Seite verbunden ist.
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1b zeigt den gleichen Aufbau für einen kubischen Druckspeicherbehälter.
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2a zeigt einen Ausschnitt aus der Behälterwand 2, die hieraus Zweiwandgewebe aufgebaut ist. In die Gewebebahn 4 sind die Verbindungsfäden 3a eingewoben. Durch die Druckbelastung entstehen in der Gewebebahn 4 zwischen den Fäden 3a Krümmungen, durch die der Druck aufgenommen wird.
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2b zeigt ein Zweiwandgewebe im Schnitt: Die Gewebebahnen 4 sind mit der dichtenden Schicht 5 (hier zur besseren Erkennbarkeit übertrieben dick dargestellt) beschichtet.
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3a zeigt ein flaches Speichermodul, das aus standardmäßig verfügbarem Zweiwandgewebe aufgebaut ist. Dies ermöglicht ebene Behälterflächen 2, nur die Verbindungsflächen 6 zwischen den ebenen Flächen sind rund geformt.
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In 3b ist eine Verbindung der Gewebebahnen 4 dargestellt, in der die Verbindungsfäden 3a in nach außen abnehmendem Abstand eingewebt sind, wodurch der Druck auch im Randbereich aufgenommen wird.
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4a und 4b zeigen, wie Zweiwandgewebe mit gekreuzten Fäden erzeugt werden kann: Zunächst wird ein flaches Zweiwandgewebe mit Fäden, die jeweils von der einen Hälfte der Oberseite zur anderen Hälfte der Unterseite verlaufen, gewoben. Anschließend werden die Enden 7 der Gewebebahnen 4 miteinander verbunden und das Zweiwandgewebe in der Mitte auseinander gezogen. Dadurch entsteht ein rechteckiger Querschnitt.
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5 zeigt den Aufbau eines Zweiwandgewebe-Behälters mit diagonal verlaufenden Verbindungsfäden, realisiert aus Zweiwandgewebe, bei dem der Wandabstand zunimmt und wieder abnimmt. Auf diese Weise ist auch ohne überkreuzte Fäden (die webtechnisch aufwändiger zu realisieren sind) auch die Realisierung eines nicht flachen rechteckigen Querschnitts möglich.
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6a und 6b zeigen einen flachen Zweiwandgewebebehälter, der in einem Blechgehäuse 8 untergebracht ist, das aus tiefgezogenen Blechschalen besteht. An der Verbindung 9 der beiden Blechschalen sind gleichzeitig die Gewebeenden 7 der Zweiwand-Gewebebahnen fest verbunden. Durch die Krümmung der Blechgehäuse am Rand und den Verbindungsfalz 9 entsteht in dem Bereich, in dem durch das Zweiwandgewebe keine innere Stabilisierung besteht, eine Druckaufnahme von außen.
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7a und 7b zeigen den gleichen Aufbau für einen kubischen Behälter.
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8 zeigt drei flache Behälter mit ebenen Wänden, die miteinander als Einheit verbunden in einem dünnwandigen Gesamtgehäuse 8 untergebracht sind.
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9 zeigt eine Modulanordnung bei der das Modul 10 mit der höchsten Temperatur in der Mitte zwischen den Modulen 11 und 12 mit geringerer Temperatur angeordnet ist. Nach außen hat die Einheit die Anschlüsse 13, 14, 15 und 16 für unterschiedliche Speicherbereiche bzw. Module mit unterschiedlichen Temperaturniveaus.
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10 zeigt den prinzipiell gleichen Aufbau, allerdings mit fünf Modulen in einer Einheit wobei die jeweils äußeren Module in diesem Beispiel parallel statt in Reihe verschaltet sind.
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11 zeigt die in 9 dargestellte Speichereinheit mit den hydraulischen Anschlüssen für die Wärmeversorgung eines Hauses. Das Modul 10 mit der höchsten Temperatur wird für die Bereitstellung von Warmwasser verwendet, das Modul 11 mit mittleren Temperaturen für die Heizwärmeversorgung und das Modul 12 mit den tiefsten Temperaturen für die Einspeisung tiefer Rücklauftemperaturen aus der Warmwasserbereitung sowie die Erwärmung z. B. über eine Solaranlage. Alle drei Module sind mit Heizungswasser gefüllt, das direkt vom Wärmeerzeuger 18 (z. B. eine Wärmepumpe) erwärmt wird und direkt in dem unter Druck stehenden Heizkreis zirkuliert. Das Speichermodul 11 ist mit gekapselten Latentmaterialkörpern 17 gefüllt (in der Figur nur teilweise dargestellt). Das Warmwasser wird über einen Wärmetauscher 19 erwärmt, wozu mit Hilfe der Umwälzpumpe 20 Heizungswasser der höchsten Temperatur dem Modul 10 oben über den Anschluss 13 entnommen wird und nach Abkühlung im Wärmetauscher 19 über Anschluss 16 in das Modul 12 unten wieder eingespeist wird. Der Heizkreis mit Flächenheizung 21 und Umwälzpumpe 22 ist an die Anschlüsse 14 und 15 angeschlossen zum Wärmeentzug aus Modul 11. Der Wärmeerzeuger heizt wahlweise über die Anschlüsse 14 + 15 das Modul 11 für Heizbedarf nach (Ventile 28 + 29 in Stellung B) oder über die Anschlüsse 13 + 14 das Modul 10 für die Warmwasserbereitung (Ventile 28 + 20 in Stellung A).
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In den Sonnenkollektoren 23 wird ein Fluid mit Hilfe der Pumpe 24 gewälzt, das über den Wärmetauscher 25 das Speicherwasser (= Heizungswasser) erwärmt, welches von der Umwälzpumpe 26 umgewälzt wird. Das von den Sonnenkollektoren auf diese Weise erwärmte Speicherwasser wird am Anschluss 16 (kälteste Stelle) entnommen und entweder über Anschluss 13 (für Warmwasserbereitung) oder 14 (für Heizbedarf oder Vorwärmung) erwärmt wieder eingespeist. Die Wahl des Anschlusses erfolgt über einen Regler, der ein Umschaltventil 27 ansteuert: Ist die Temperatur des einzuspeisenden Speicherwassers höher als in Modul 10, wird sie über Anschluss 13 eingespeist, ist sie niedriger, wird Anschluss 14 gewählt.
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12 zeigt einen kubischen extrudierten Kunststoff-Hohlkörper mit dünnwandigen Verbindungsflächen 3b zwischen den Behälterwänden 2. Oben und unten ist das Hohlprofil durch einen gewölbten und ggf. mit Rippen versteiften Boden und Deckel geschlossen, der nicht dargestellt ist. Der Hohlkörper kann entweder nur als Druckbehälter genutzt werden, oder gleichzeitig als Wärmetauscher, der sich durch eine sehr große Oberfläche und geringen Druckverlust auszeichnet. Zur Verdeutlichung dieser Ausgestaltung sind die Pfeile 32 und 33 eingezeichnet. Sie zeigen die Durchströmungsrichtung zweier unterschiedlicher Medien, die die durch die Verbindungsflächen gebildeten Kanäle im Gegenstrom durchströmen.
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In 13 dargestellt ist ein Boden 34 oder Deckel, in den die Anschlüsse für die Zu- und Abführung zweier Medien integriert ist.
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Statt der beschriebenen Ausführung sind erfindungsgemäß eine Vielzahl anderer Ausführungen möglich: z. B. kann Latentspeichermaterial in die Kanäle der extrudierten Hohlkörper eingebracht werden oder die Verbindungsfäden 3a des Zweiwandgewebes mit Latentmaterial beschichtet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckspeicherbehälter
- 2
- Behälterwand
- 3
- Zugbelastbare Verbindungselemente
- 3a
- Verbindungsfäden (z. B. Zweiwandgewebe)
- 3b
- Verbindungsflächen (z. B. extrudierter Körper)
- 4
- Gewebebahn
- 5
- dichtende Beschichtung
- 6
- gewölbte Gewebebahn im Randbereich
- 7
- seitliche Enden der Gewebebahn
- 8
- Gehäuse, z. B. aus dünnwandigem Blech
- 9
- Verbindungsstelle zwischen zwei Gehäuseschalen
- 10
- Speichermodul mit höchster Temperatur
- 11
- Speichermodul mit mittlerer Temperatur
- 12
- Speichermodul mit tiefster Temperatur
- 13
- Anschluss oben an Speichermodul mit höchster Temperatur
- 14
- Anschluss an Speichermodul mit höchster Temperatur unten und mit mittlerer Temperatur oben
- 15
- Anschluss oben an Speichermodul mit tiefster Temperatur und unten an Modul mit mittlerer Temperatur
- 16
- Anschluss unten an Speichermodul mit tiefster Temperatur
- 17
- gekapselte Latentmaterialkörper
- 18
- Wärmeerzeuger wie Wärmepumpe oder Heizkessel
- 19
- Wärmetauscher für Trinkwarmwasser
- 20
- Umwälzpumpe zur Trinkwassererwärmung
- 21
- Heizkörper, z. B. Flächenheizkörper wie Fußbodenheizung
- 22
- Heizkreisumwälzpumpe
- 23
- Sonnenkollektor
- 24
- Umwälzpumpe für Solarkreis
- 25
- Wärmetauscher für Solarkreis
- 26
- Umwälzpumpe zur Erwärmung des Speicherwassers vom Solarkreis
- 27
- Umschaltventil für vom Solarkreis erwärmtes Speicherwasser
- 28
- Umschaltventil für Wärmeerzeuger-Rücklauf
- 29
- Umschaltventil für Wärmeerzeuger-Vorlauf
- 30
- Isolation für gesamten Speicher (bestehend ggf. aus mehreren Speicherbehältern 1)
- 31
- Isolation zwischen Speicherbehältern 1 in einer Gesamtspeichereinheit
- 32
- Strömungsrichtung erstes Medium (z. B. Primärkreis)
- 33
- Strömungsrichtung zweites Medium (z. B. Sekundärkreis)
- 34
- Boden oder Deckel mit integrierten Zu- und Abläufen für 2 verschiedene Medien
- A
- Abstand zwischen den Verbindungselementen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009012853 (A1) [0005]
- CN 2702235 Y [0006]
- DE 4116375 (A1) [0009]
- DE 4438970 A1 [0010]
- US 4579242 A [0014]
- US 6582540 (B1) [0014]
- PT 1248929 E [0014]
- WO 0151844 (A2) [0014]
- DE 10113566 (A1) [0014]
- WO 9804873 (A1) [0014]
- US 2009061712 (A1) [0023]
