DE202014000735U1

DE202014000735U1 - Wärme- und Kältespeicherelement Typ : Luft-Boden

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Publication number: DE202014000735U1
Application number: DE202014000735.7U
Authority: DE
Original assignee: STRUFFERT FRANZ JOSEF
Current assignee: STRUFFERT FRANZ JOSEF
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2024-01-28

Abstract

Die Patentansprüche, Schutzansprüche betreffen Elemente (1), a) die hohe Wärme-, Kältespeichereigenschaften und b) die hohe Wärme-, Kälteleitfähigkeiten aufweisen und c) die diese Eigenschaften aus einer Füllung und oder aus einer Verbindung und oder aus einer Vermischung von Baustoffen, Dämmstoffen (3), Materialen aller Art, wie z. B. Flüssigkeiten, Gasen, mit technisch hergestellten Materialien, dem Wärme- und Kältespeichermaterial (2), erlangen. d) Dies betrifft Elemente in allen Bauformen und Konstruktionen. e) Dies betrifft den Einsatz dieser Materialien und Elemente im Nieder- und im Hochtemperaturbereich. Die Ansprüche betreffen nicht natürlich vorkommende, unbehandelte Stoffe und nicht Paraffine oder Salze mit PCM-Eigenschaften (Phasenwechsel-Temperatur-, -Energie-Eigenschaften) oder technische Produkte zur Nutzung deren PCM-Eigenschaften.

Description

Wärmespeicher und untergeordnet Kältespeicher sind in großer Zahl und vielfältig im Einsatz. Die wärme-, kältespeichernden Eigenschaften werden durch die eingesetzten Medien bzw. Stoffe erlangt. Dies ist in der überwiegenden Zahl Wasser und in speziellen Anwendungen Salze oder Paraffine mit deren speziellen PCM-Eigenschaften (Phase-Change-Material). Diese Materialien besitzen zumeist hohe Wärmespeichervermögen und geringe Wärmeleitfähigkeiten. Wasser, z. B., besitzt eine sehr hohe Wärmespeicherkapazität und geringe Wärmeleitfähigkeit. Paraffine vermögen beim Phasenwechsel in einem schmalen Temperaturbereich von fest zu flüssig, und umgekehrt, große Wärmeenergie aufzunehmen bzw. abzugeben, allerdings bei einer Wärmeleitfähigkeit, die in die Größenordnung von Dämmstoffen einzuordnen ist. Beide Stoffe haben Einschränkungen in der Praxis, durch die flüssige Phase und bei ihrem Einsatz bei Temperaturen oberhalb 90°C. Bei Wasser führt dies zu aufwendigen technischen Sicherheitseinrichtungen: „Warmwasser-”, „Heißwasser-”, „Dampfsysteme”. Bei höher-thermalen technischen Systemen werden z. B. sog. Thermoöle eingesetzt, die dann ihrerseits, im Gegenteil zu Wasser, gute Wärmeleitfähigkeiten und geringe Wärmespeicherkapazitäten besitzen. Diese Einschränkungen werden mit der Erfindung der Wärme- und Kälteelemente nach dem Gebrauchsmuster, Deutsches Patent- und Markenamt Nr. 20 2013 006 673.3 und der Patentanmeldung Deutsches Patent- und Markenamt Az. 10 2013 012 312.7 (DPMA Nr. 20 2013 006 673.3 , DPMA Az. 10 2013 012 312.7 ) überwunden. Die hier beschriebene Erfindung basiert auf diesen Erfindungen, DPMA NR. 20 2013 006 673.3 und DPMA AZ. 10 2013 012 312.7 , führen diese Erfindungen fort und präzisieren diese hin zur Anwendungsreife. Bei dieser Erfindung handelt es sich um Wärme-(und Kälte-)Speicherelemente vom Typ „Luft-Boden”. Dem entsprechend, wird im folgenden Teil ein Auszug aus der Beschreibung der Erfindung DPMA NR. 20 2013 006 673.3 und DPMA AZ. 10 2013 012 312.7 aufgenommen und fortgeführt.
Die Erfindung betrifft Elemente mit hohen Wärme- und Kältespeichereigenschaften sowie mit hohen Wärme- und Kälteleitfähigkeiten. Es werden mit diesem Element die Wärmespeicherkapazitäten erreicht, die denen von Wasser entsprechen und zugleich Wärmeleitfähigkeiten erreicht, die die von Wasser um ein Vielfaches übertreffen.
Die Elemente erlangen ihre speziellen thermischen Eigenschaften aus einer Füllung, Verbindung oder Vermischung mit technisch hergestellten Materialien, dem Wärme-, Kältespeichermaterial (2). Diese speziellen gleichzeitigen Eigenschaften sind wesentlicher Teil der Patent- und Schutzansprüche: die hohe Wärme-, Kältespeichereigenschaft und die hohe Wärme-, Kälteleitfähigkeit. Zudem müssen diese Eigenschaften aus einer Füllung und oder aus einer Verbindung und oder aus einer Vermischung von Baustoffen, Dämmstoffen, Materialen aller Art, wie z. B. Flüssigkeiten, Gasen mit technisch hergestellten Materialien, dem Wärme-, Kältespeichermaterial (2), erlangen. Dies betrifft alle Bauformen und Konstruktionen. Die hier aufgeführten Bauformen und Konstruktionen vom Typ „Luft-Boden” sind Erfindungen, die spezielle Anwendungen der Wärme- und Kältespeicherelemente ermöglichen. Die 1 bis 3 veranschaulichen dies. Nicht dargestellt sind in diesen Fig.: die Berohrung, die Sicherheitseinrichtungen sowie die Anlagentechnik. Diese sind auf dem Stand der Technik mit marktgängigen Bauteilen nach den gesetzlichen Vorschriften sowie nach den jeweiligen Regeln und Normen realisierbar. Ebenfalls nicht dargestellt sind die Anlagen und Anlagenteile der jeweiligen Verfahrenstechnik, wie z. B. der mechanische Belüfter oder Wender einer Trocknungsanlage oder im Gewächshaus z. B. die Konstruktionen für Beete, Bewässerung, Rankhilfen, Be- und Entlüftung, usw.. Diese Anlagentechnik ist am Markt verfügbar und nicht Teil dieser Erfindung. Diese Ansprüche betreffen nicht natürlich vorkommende, unbehandelte Stoffe und nicht Paraffine oder Salze mit PCM-Eigenschaften (Phasenwechsel-Temperatur-, -Energie-Eigenschaften) oder technische Produkte zur Nutzung deren PCM-Eigenschaften. Die Patentansprüche, Schutzansprüche betreffen Elemente, die die unter [002] und [003] genannten Eigenschaften aus einem Wärme-, Kältespeichermaterial (2) beziehen, das in seinen Hauptbestandteilen zu mindestens 70% aus Elementen der Hauptgruppen (des Periodensystems der Elemente): Erdalkalimetalle, Borgruppe/Erdmetalle, Kohlenstoff-Silizium-Gruppe aufgebaut bzw. zusammengesetzt ist..
Die Elemente können im Niedertemperaturbereich und im Hochtemperaturbereich eingesetzt werden. Eine Beschränkung auf bestimmte Temperaturen oder Temperaturbereiche wurde bislang nicht ermittelt. Versuche mit Temperaturen von rd. 450°C wurden mit den beschriebenen Wärme- und Kälteelementen und deren Wärme- und Kältespeichermaterial durchgeführt. Bei den hier beschriebenen Erfindungen, Bauformen, entstehen in der Anwendung bzw. in der Praxis Temperaturbegrenzungen aus den Eigenschaften der eingesetzten Flüssigkeiten (Wasser, Thermoöl, ...) und der Anlagenauslegung sowie dem gewählten Sicherheitsniveau (z. B. „Warmwasser” oder „Heißwasser” System, Niederdruck- oder Hochdruck-Anlage, ...).
Die speziellen thermischen Eigenschaften der Elemente können in Kombination mit Flüssigkeiten, Gasen und oder durch Konduktion genutzt werden. Damit sind Einsatzmöglichkeiten der Wärme- und Kältespeicherelemente eröffnet mit z. B. direktem Kontakt zur Wärme- oder zur Kältequelle oder – senke oder mit Konduktion oder mit mittelbarem Kontakt (Wärmetauscherkonstruktionen) oder mit Kontakt bzw. Durchströmung von Flüssigkeiten aller Art oder hier insbesondere von Gasen zur Übertragung, d. h. Einspeisung, Speicherung, Ausspeisung der Wärme-, Kälte-Energie, Verweis auf die Ausführungen in DPMA NR. 20 2013 006 673.3 , DPMA AZ. 10 2013 012 312.7 .
Die Bauform vom Typ „Luft-Boden”, siehe 1 bis 3 nutzt zur Wärmeeinspeisung in das Wärme- und Kältespeichermaterial (2) Rohre (6) bzw. Rohrsysteme, die kombiniert oder in getrennten Systemen Wärme, auch unterschiedlicher Temperaturen, verwenden können. Das Wärme- und Kältespeichermaterial umgibt alle Rohre vollständig. Im Wärme- und Kältespeichermaterial erfolgt der Wärmetransport im wesentlichen durch Konduktion.
Das Wärme- und Kältespeichermaterial (2) ist bei dieser Bauform vom Typ „Luft-Boden” so beschaffen, dass es als Schüttgut in einer bestimmten Korngröße oder in bestimmten Korngrößenfraktionen vorliegt, die eine hohe Luft- bzw. Gasdurchlässigkeit besitzt; porenoffen. Durch speziellen temperaturleitenden Mörtel kann das Schüttgut aus Wärme-, Kältespeichermaterial zu einem sog. Einkornbeton (9) gebunden sein und dadurch eine mechanisch feste, technisch beanspruchbare Oberfläche aufweisen. Der Spezialmörtel bzw. -Zement kann durch Zugabe von Wärme- und Kältespeichermaterial, das in entsprechender Korngröße aufbereitet ist, seine temperaturleitenden Eigenschaften erhalten oder diese verbessern.
Die Oberfläche dieses Wärme-(und Kälte-)Speicherelementes (1) kann auch, oder zusätzlich aus luftdurchlässigen bzw. porenoffenen oder u. U. auch aus entsprechend verlegten Boden- Platten, -Steinen, -Elementen (8) hergestellt sein. Diese Boden-Elemente i. w. S. können auch aus einem Einkornbeton aus dem Wärme-, Kältespeichermaterial und dem o. g. Spezialmörtel bzw. -Zement hergestellt sein.
Im basalen Bereich dieses Wärme-(und Kälte-)Speicherelementes vom Typ „Luft-Boden” sind Rohre (7) platziert, durch die bzw. mittels derer Gas oder Luft, hier vorgewärmte oder erhitzte oder zusätzlich entfeuchtete bzw. trockene Luft in das Element flächendeckend eingeleitet werden kann. Dazu passende Anschlüsse, deren Berohrung oder Anlagenteile zur Konditionierung der Luft sind in den 1 bis 3 nicht dargestellt. Bzgl. Wärme-, Kältespeicherelementen zur Konditionierung von Luft bzw. Gasen, wird auf die Ausführungen und Abb. der Erfindung DPMA NR. 20 2013 006 673.3 und DPMA AZ. 10 2013 012 312.7 7 verweisen.
Die besondere Funktionsweise dieser Wärme-, (Kälte-)Speicherelemente vom Typ „Luft-Boden” liegt in der Durchströmung mit einem Gas, hier insbesondere Luft, und der dabei stattfindenden Erwärmung dieses Gases bzw. dieser Luft. Durch die verschiedenen Rohre (6) kann das Wärme-, (Kälte-)Speicherelement zonal unterschiedlich aufgeheizt werden, mit entsprechender Einwirkung auf das durchströmende Gas bzw. Luft und mit entsprechender Auswirkung auf deren Strömung. Ohne Gas- bzw. Luftzufuhr verhält sich dieses Wärme-(Kälte-)Speicherelement wie eine spezielle Bodenheizung, mit hoher Eigenkapazität bei gleichzeitiger hoher Wärmeleitfähigkeit, d. h. mit schneller Temperatur-Ausgleichsfunktion als Reaktion auf Temperaturschwankungen, z. B. in der Lufttemperatur eines Gewächshauses, vergl. 3.
Diese Eigenschaften können auch zur Regelung der Temperatur in einer Biomasse-Vergasungsanlage genutzt werden, z. B. die Kombination einer „Fahrsilo-Folien-Bauweise” mit den beschriebenen Wärme-(und Kälte-)Speicherelementen.
1 bis 3 zeigen beispielhaft den grundsätzlichen Aufbau eines Wärme-(und Kälte-)Speicherelements vom Typ „Luft-Boden”: Die konstruktive Einfassung des Elementes erfolgt mit Baustoffen (4) jeder Art nach den gewünschten Eigenschaften, auch auf der Grundfläche sofern gewünscht oder technisch statisch notwendig; hier nicht dargestellt. Auf 5 Seiten wird das Element durch Dämmstoffe (3), aller Art, je nach gewählter Anforderung, umgeben. Je nach Anforderung oder Vorgabe erhält das Element eine umlaufende all- bzw. 5seitige Dichtung aus entsprechendem marktverfügbaren Dichtungsmaterial. In beanspruchten oder einer mechanischen Belastung ausgesetzten Zonen, kann ein Schutz der Dichtung durch Baustoffe aller Art (4), erfolgen.
Beispiele für die Kombination der Wärme-(und Kälte-)Speicherelemente vom Typ „Luft-Boden” mit Gebäuden z. B. zu einer Trocknungsanlage, zeigen die 1 und 2 mit Sattel- und Pultdachkonstruktionen. In diesen Beispielen wurde durch Ausrichtung der Gebäude nach SE, S, SW die solare Trocknung zusätzlich genutzt. Die Gebäudehüllte wurde dazu auf den Sonnenseiten aus Glas hergestellt (10), (11). Schattenseitig wurden konventionelle Bauweisen (14), Baustoffe (4) und Dämmstoffe (3) aller Art eingesetzt. Die zusätzliche Nutzung von Aufdach-Photovoltaikanlagen und oder Solarthermieanlagen ist bei dieser Konstellation möglich, ohne praxisrelevante Beeinträchtigung der Trocknungsleistung. Die Kombination mit Gebäuden aller Art, auch in runder Bauweise, ist möglich. 3 zeigt die Variante eines Glas- bzw. Gewächshauses.
In den hier in 1 und 2 dargestellten Beispielen einer Trocknungsanlage nimmt das erwärmte oder auch aufgeheizte Gas bzw. Luft (17) im Trocknungsgut (18) dessen Feuchtigkeit auf und steigt als sog. Brüden (16) auf. Mit entsprechenden, ggf. speziellen Anlagen und Systemen (15) erfolgt deren Ableitung, Behandlung oder auch eine Be- und Entlüftung, je nach Anforderung. Je nach Trocknungsleistungsbedarf, der zur Verfügung stehenden Globalstrahlung und der herrschenden Witterung (hohe/geringe Luftfeuchtigkeit) kann über das Wärme-(und Kälte-)Speicherelement der Trocknungsvorgang gesteuert werden; Ganzjahresbetrieb. Mehrphasige, mehrstufige Trocknungsvorgänge werden dadurch möglich und kombinierbar. So kann durch den Einsatz von hochtemperierter Luft bzw. Gas eine Nachtrocknung, eine Futtermitteltrocknung und die Trocknung von Biomasse oder auch von Klärschlamm zu Brennstoff mit Gehalten von z. B. 90/10 (Feststoff-/Wasseranteil) und höher erreicht werden. Mit entsprechend hochtemperierter Luft und entsprechender Bauweise der Trocknungsanlage kann dabei auch eine Inertisierung des Trockengutes erreicht werden.
Die 3 skizziert die Kombination eines Wärme-(und Kälte-)Speicherelements mit einem Glashaus, z. B. zu einem Gewächshaus mit ganzjähriger Produktion von Gemüse oder Kräutern. Die Anbau- bzw. Halterungstechnik ist nicht dargestellt, wohl aber die konventionelle Heizungsinstallation (12), als Bestand oder als Redundanz. Ohne die Durchleitung und Erwärmung von Luft wirkt das Wärme-(und Kälte-)Speicherelement in dieser Anwendung als Bodenheizung mit hohem Eigenpoten-tial an niederthermaler Wärme bei gleichzeitiger großer Wärmeleitfähig und dem zufolge schneller Wärmeabgabe als Reaktion auf Lufttemperaturänderungen. Von besonderem Vorteil ist die Durchleitung und Erwärmung von Luft im Wärme-, (Kälte-)Speicherelement. So kann hocheffizient niederthermal Außenluft vor- und aufgewärmt werden. In Kombination mit einer Ab- und Umluftanlage kann zudem Wärme rückgewonnen werden, als auch das Gewächshausklima gesteuert und geregelt werden: Gehalte, Konzentrationen an Feuchtigkeit, Gasen, ....
Die Elemente sind konzipiert für eine Anwendung im Ingenieur- und Anlagenbau, für die Gebäudeausrüstung und Gebäudetechnik, für die Wärme- und Kälteenergieversorgung. Die in DPMA NR. 20 2013 006 673.3 , DPMA AZ. 10 2013 012 312.7 aufgeführten Varianten und die hier angeführten Beispiele geben einen Einblick in die Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten. In allen Fällen führt die Anwendung der Wärme- und Kältespeicherelemente zu einer deutlichen Steigerung der Effizienz gegenüber herkömmlichen Anlagen oder Konstruktionen. Die hier beschriebenen Bauformen der Wärme- und Kältespeicherelemente vom Typ „Luft-Boden” zeigen anwendungsreife Anlagenvarianten.
Bezugszeichenliste

1: Wärme-(und Kälte-)Speicherelement
2: Wärme- und Kältespeichermaterial
3: Dämmstoffe
4: Baustoffe
5: Dichtungsmaterial; flüssigkeits-, gasdichte Materialien
6: Rohre für Heiz- und Kühlmedien zur Ein-(und Aus-)Speisung
7: Rohre zur Einleitung von Gasen, Luft; warm; trocken
8: Boden-Steine, -Platten, -Elemente; luftdurchlässig; porenoffen; aus Wärme- und Kältespeichermaterial
9: Einkornbeton, -Boden aus Wärme- und Kältespeichermaterial; luftdurchlässig, porenoffen
10: Glas-Dach
11: Glas-Wand, -Außenwände
12: Heizungsinstallation; Bestand; Redundanz
13: Aufdach-, -Photovoltaik-, -Solarthermie-Anlage
14: Dachkonstruktion; konventionell
15: Entlüftung; Abluft-, -System, -Anlage; Brüden-, -Abluft-, -Entlüftungs-, -Behandlungs-, -Anlage, -System
16: Brüden
17: Gase, Luft; warm, aufsteigend; mit/unter Aufnahme von Feuchtigkeit
18: Material zur Trocknung; gas- bzw- luftdurchlässig.

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 Patentliteratur

DE 202013006673 U [0001, 0001, 0001, 0005, 0009, 0016]
DE 102013012312 [0001, 0001, 0001, 0001, 0005, 0009, 0016]
DE 202013006673 [0001]

Claims

Die Patentansprüche, Schutzansprüche betreffen Elemente (1), a) die hohe Wärme-, Kältespeichereigenschaften und b) die hohe Wärme-, Kälteleitfähigkeiten aufweisen und c) die diese Eigenschaften aus einer Füllung und oder aus einer Verbindung und oder aus einer Vermischung von Baustoffen, Dämmstoffen (3), Materialen aller Art, wie z. B. Flüssigkeiten, Gasen, mit technisch hergestellten Materialien, dem Wärme- und Kältespeichermaterial (2), erlangen. d) Dies betrifft Elemente in allen Bauformen und Konstruktionen. e) Dies betrifft den Einsatz dieser Materialien und Elemente im Nieder- und im Hochtemperaturbereich. Die Ansprüche betreffen nicht natürlich vorkommende, unbehandelte Stoffe und nicht Paraffine oder Salze mit PCM-Eigenschaften (Phasenwechsel-Temperatur-, -Energie-Eigenschaften) oder technische Produkte zur Nutzung deren PCM-Eigenschaften.
Die Patentansprüche, Schutzansprüche betreffen Elemente, die die unter 1. genannten Eigenschaften aus einem Wärme- und Kältespeichermaterial (2) beziehen, das in seinen Hauptbestandteilen zu mindestens 70% aus Elementen der Hauptgruppen (des Periodensystems der Elemente): Erdalkalimetalle, Borgruppe/Erdmetalle, Kohlenstoff-Silizium-Gruppe aufgebaut bzw. zusammengesetzt ist.
Die Ansprüche betreffen den Einsatz der Elemente nach Anspruch 1. und 2. bei direktem Kontakt, Konduktion oder mit mittelbarem Kontakt (Wärmetauscherkonstruktionen) oder mit Kontakt bzw. Durchströmung von Flüssigkeiten aller Art oder von Gasen zur Übertragung, d. h. Einspeisung, Speicherung, Ausspeisung der Wärme-, Kälte-Energie.
Die Ansprüche betreffen Elemente mit den Ansprüchen zu 1. und zu 2. und zu 3. bei allen Bauformen und Konstruktionen.
Die Ansprüche betreffen die Ansprüche zu 1., zu 2., zu 3. und zu 4. bei der Anwendung und dem Einsatz der Elemente in allen Bereichen, z. B. dem Ingenieur- und Anlagenbau, der Gebäudeausrüstung und Gebäudetechnik, der Wärme- und Kälteenergieversorgung, im Nieder- und Hochtemperaturbereich.
Diese Ansprüche betreffen die Ansprüche zu 5. und beim Typ „Luft-Boden” die Konstruktionsmerkmale, das mit mehreren unabhängigen, unterschiedlichen, hydraulisch getrennten Anlagenkomponenten zur Ein- und Ausspeisung von Wärme (oder Kälte) oder/und zur Ein- und Durchleitung von Gasen ein gemeinsames Wärme- und Kältespeicherelement genutzt wird bzw. genutzt werden kann. Dies betrifft auch Boden- und Elementkonstruktionen, die in mehrere Segmente unterteilt bzw. aus mehreren Segmenten aufgebaut sind und dadurch unterschiedliche Temperaturbereiche getrennt nutzen können, auch im Hochtemperaturbereich mittels entsprechenden Wärmetransportmedien.
Diese Ansprüche betreffen die Ansprüche zu 5. und zu 6. und beim Typ „Luft-Boden” einen Bodenaufbau aus Wärme- und Kältespeichermaterial, der gasdurchlässig ist, der Gase durch leiten kann, der dieses Gas bei dessen Durchströmung thermisch verändern kann, der den Feuchtegehalt dieses Gases bei dessen Durchströmung verändern kann, der als Fußbodenheizung (oder auch Kühlung) wirken kann, der als Trockenboden wirken kann, der mechanisch-technischer Belastung widerstehen kann.
Die Ansprüche betreffen die Ansprüche zu 1., zu 2. und die Verwendung oder Zumischung von Wärme- und Kältespeichermaterial in den geeigneten Korngrößen und Korngrößen-Fraktionen bei der Herstellung von sog. Einkornbeton (9) und bei der Vermischung, Zumischung, Anmischung von Zementen, Mörteln, Klebern, Füllbaustoffen aller Art.
Die Ansprüche betreffen die Ansprüche zu 5., zu B. und die Verwendung oder Zumischung von Wärme- und Kältespeichermaterial bei der Herstellung von (Boden-)Steinen, Platten, Elementen (8).
Die Ansprüche betreffen Baustoffe mit den Ansprüchen zu B. und zu 9. bei allen Bauformen und Konstruktionen.
Die Ansprüche betreffen die Ansprüche zu 1., zu 2. und die Verwendung oder Zumischung von Wärme- und Kältespeichermaterial bei der Herstellung von (Spezial-)Zementen, Mörteln, Füllbaustoffen oder Bodenersatzbaustoffen. Diese Ansprüche betreffen auch alle Vorprodukte, Zwischenprodukte oder Mischungen, die Bestandteile aus Zementen, Mörteln, Baustoffen enthalten, die unter Verwendung von Wärme- und Kältespeichermaterial hergestellt wurden.