DE2523429A1

DE2523429A1 - Verfahren zur speicherung von waermeenergie und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2523429A1
Application number: DE19752523429
Authority: DE
Inventors: Peter Schmidt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-05-27
Filing date: 1975-05-27
Publication date: 1976-12-16

Description

Verfahren zur Speicherung von Wärmeenergie und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung von Wärmeenergie in mindestens einem Speicher und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens mittels einer Wärmepumpe, Wärmetauschern und Mittel zur Steuerung und Regelung des Verfahrens, Mit dem Verfahren soll einem speicherfähigen Medium Wärme zugeführt und diese Wärme im Bedarfsfalle wieder entnommen werden.

Verfahren zur Speicherung von Wärmeenergie durch Speicherung eines aufgeheizten Mediums zur späteren Entnahme eines solchen aufgeheizten Mediums sind bereits bekannt. So stellt jeder Heißwasserbereiter eine derartige Speicherung dar, denn in einem solchen Heißwasserbereiter wird einem flüssigen Medium, vorzugsweise Wasser, Wärmeenergie, z.B. mittels elektrischer Beheizung, zugeführt und das heiße Wasser gespeichert. Im Bedarfsfälle wird das heiße Wasser entnommen und kann z.B. als sekundäres Medium zum Aufheizen eines anderen Mediums ver-

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■wendet werden. Dabei ist es üblich, die Aufheizung im Heißwasserbereiter zum Zeitpunkt vorzunehmen, zu dem besonders günstig elektrische Energie zur Verfügung steht, z.B. mittels Nachtstrom. Diese bekannte Speicherung stellt jedoch keine Energiespeicherung im Sinne der Erfindung dar, sondern eine Mengenspeicherung des Energieträgers, der im Gebräuchsfall entnommen wird, dar. Außerdem ist der Wirkungsgrad derartiger Anlagen gering und die Speicherung, der Menge des Energieträgers nur in relativ geringem Umfang möglich.

Es sind ferner Energiespeicherungen zur Speicherung von Wärmeenergie mittels eines flüssigen Mediums bekannt, bei denen nicht der Energieträger - Wasser - entnommen wird, sondern nur die gespeicherte Wärmeenergie. Ein Beispiel hierzu ist die bekannte Warmwasserheizung von Räumen mittels einer Heizeinrichtung die Wasser auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt und in einem Sammler speichert, um im Bedarfsfall den Wärme entnahmestellen (Heizkörpern in den einzelnen Räumen) zugeführt zu werdenο Bei dieser bekannten Art' der Speicherung von Wärmeenergie wird jedoch unter Inkaufnahme relativ großer Energieverluste nur eine Umwandlung von einer anderen Energieform - z.B. elektrischer Energie oder das Energieinhaltes von brennbaren Stoffen wie Öl oder Gas - in Wärmeenergie vorgenommen und diese sodann gespeichert. Bezogen auf das Gesamtsystem ergibt sich hierbei ein geringer Wirkungsgrad und damit ein hoher Verbrauch an primärer Energie. Eine Speicherung vorhandener Wärmeenergie durch. Übertragung auf ein anderes

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Medium ist hierbei nicht mögliche Dieses gibt auch für die weitere bekannte Art der Wärmespeicherung z.B. mittels Nachtstromspeicheröfen, bei denen ebenfalls die elektrische Energie in Wärmeenergie verwandelt und diese in einem geeigneten Medium auf Abruf gespeichert wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Speicherung von Wärmeenergie aufzuzeigen, bei welchem die in einem Medium vorhandene Wärmeenergie diesem entzogen und einem anderen, speicherbaren Medium zugeführt wird zu Zeiten, zu denen elektrische Energie zu günstigen Bedingungen, z.B. als Überschußenergie oder als "Nachtstrom" zur Verfügung steht, und bei welchem diese gespeicherte Energie in bekannter Weise im Bedarfsfall als Wärmeenergie verwendet werden kann_o

Ausgehend von der Erkenntnis, daß es möglich ist, mit Hilfe einer Wärmepumpe· einem Medium Wärme zu entziehen und mit höherer Temperatur einem anderen Medium zuzuführen, wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einem in einem Speicherbehälter gespeichertem Medium mittels Wärmepumpe die einem beliebigen anderem Medium entnommene Wärme zugeführt wird. Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird mit dem besonders guten Wirkungsgrad der bekannten Wärmepumpen zu Zeiten des Vorhandenseins von elektrischer Überschußenergie (zum Antrieb der Wärmepumpe) vorhandene Wärme einem Medium entnommen,das'einem speicherbaren anderem Medium zugeführt

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werden kann. Dabei ist es nicht erforderlich, daß das Medium dem die Wärme zu Speicherswecken entnommen werden soll, selbst in einem Speicherbehälter gespeichert ist. Es kann vielmehr jedem vorhandenen Medium seine Wärme entnommen werden, z.B. vorhandenem Grundwasser, Flußwasser oder mittels einer Erdschleife in dem Boden vorhandene Wärme. Dabei kann die Entnahme erfindungsgemäß direkt erfolgen, in dem z.B. Flußwasser oder Brunnenwasser einem vor der Wärmepumpe angeordneten Wärmetauscher zugeführt wird, oder sie kann über ein sekundäres Wärmeübertragungsmedium erfolgen. So kann z.B. durch eine in dem Erdboden verlegte Rohrschleife, durch die ein gegenüber der Bodentemperatur kälteres Medium strömt, dem Boden durch Wärmetausch die Wärme entnommen werden, die mittels der Wärmepumpe dem speicherbaren Medium - z.B. in einem Speicherbehälter zu pumpendes Wasser - zugeführt wird. Dieses erfindungsgemäße Verfahren hat außerdem den ganz besonderen Vorteil, daß z.B. dem Flußwasser die als Abfallwärme von Kraftwerken zugeführte Wärme wieder mit angemessenem Wirkungsgrad entnommen werden kann und somit die P&gen einer Aufheizung* des Flußwassers vermieden werden. Die Speicherung dieser äußerst unerwünschten Wärme des Flußwassers stellt zudem einen besonderen Energiegewinn dar.

Um gegebenenfalls vorhandene elektrische Überschußenergie zu zusätzlicher Aufheizung zu verwerten, erfolgt gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine weitere Wärmezufuhr für das gespeicherte Medium durch ein zu-

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sätzliches Aufheizen mittels elektrischer Überschußenergie. Diese zusätzliche Aufheizung kann in bekannter Weise erfolgen ₉ z.B. durch Verwendung einer elektrischen Heizschlange.

Es ist gemäß einer Weiterführung der Erfindung auch möglich, daß die dem gespeicherten Medium zuzuführende Energie ergänzt wird durch Wärme, die Solarzellen entnommen wird. Es ist nämlich bekannt, daß Sonnenenergie für Heizzwecke verwendet wird, in dem in einem z.B. Glaskasten schwarze Körper angeordnet sind, die durch die einfallende Sonnenenergie aufgeheizt werden und diese Wärme infolge ihrer Anordnung in einem Kasten aus Glas oder Kunststoff, jedenfalls aus einem die Wärme nicht oder nur schlecht leitenden Material, nicht abgeben sondern sammeln. Die Entnahme erfolgt über ein sekundäres Wärmeübertragungsmedium, z.B. Wasser oder ein Kältemittel das durch den "Kasten" geleitet wird. Nachdem erfindungsgemäßen Verfahren wird mittels einer Wärmepumpe die mit dem sekundären Wärmeübertragungsmedium abgeführte Wärme der Solarzellen ebenfalls dem zu speicherndem Medium zugeführt und die Wärme somit gespeichert.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Anordnung aufzuzeigen, mit welcher die direkte Speicherung in dem gespeicherten Medium möglich ist mit den zusätzlichen Aufheizmöglichkeiten und es soll ein wahlweiser Betrieb mit Entnahme aus den einzelnen Wärmequellen möglich sein. Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß aus einer

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Anordnung bei welcher vor dem Speicherbehälter für das aufzuwärmende Medium ein als Kondensator wirkender Wärmetauscher und eine Wärmepumpe und ferner saugseitig vor der Wärmepumpe ein als Verdampfer wirkender Wärmetauscher angeordnet ist. Dieser Wärmetauscher wird entweder vor dem Medium, dem die Wärme entzogen werden soll direkt oder von einem Sekundärmedium auf das die abzuführende Wärme übertragen ist, durchströmt. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, um auch das Medium dem Wärme entnommen werden soll zu speichern, daß erfindungsgemäß ein weiterer Speicherbehälter für die Entnahme von Wärme angeordnet ist. Dieser Speicherbehälter ist in einem Kreislauf mit dem saugseitig vor der Wärmepumpe an—„._ geordneten Wärmetauscher geschaltet. Damit wird erreicht, daß entweder dem in diesem Speicher gespeicherten Medium über den zugehörigen Wärmetauscher Wärme entnommen und diese mittels Wärmepumpe dem "heißen" Speichermedium zugeführt wird, oder daß, falls der "heiße" Speicher gefüllt ist, dieser "kalte" Speicher ebenfalls aufgeheizt wird, um das Speichervolumen zu erhöhen. Sollte es zu einer Annäherung der Temperatur in den beiden Speichern kommen, z.B. weil über einen längeren Zeitraum keine Wärme entnommen wurde, sondern nur Wärme zugespeist wurde, oder durch natürliche Wärmeverluste, so kann anschließend mittels der Wärmepumpe wieder eine Trennung der Temperaturen erfolgen, indem dem einen (kalten) Speicher Wärme entnommen und dem anderen (heißen) Speicher wieder zugeführt wird.

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Weiterhin hat sich als zweckmäßig erwiesen, daß zwischen der Wärmepumpe und dem als Kondensator wirkenden Wärmetauscher ein Pufferbehälter und vor diesem ein weiterer Wärmetauscher angeordnet ist. Damit wird erreicht, daß Überschußenergie gespeichert werden kann, ohne daß der kalte Speicher und der heiße Speicher bezüglich ihrer Temperatur sich angleichen müssen, so kann in besonders einfacher Weise weiter Wärme gespeichert werden, während dem eigentlichen heißen Speicher Wärme entzogen wird. Hierdurch ist auch eine noch bessere Ausnutzung eventuell vorhandener elektrischer Überschußenergie möglich, zumal wenn nicht nur in dem heißen Speicher sondern auch in dem Puffer Mittel zur elektrischen Beheizung des gespeicherten Mediums vorgesehen sind_o

Daher sind Mittel angeordnet, um den Pufferbehälter wahlweise dem Speicherbehälter oder dem Kreislauf der Wärmepumpe zuzuschalten. Damit wird außerdem erreicht, daß der Pufferbehälter direkt mit dem Speicherbehälter zusammenwirken kann. Natürlich kann im Rahmen der Erfindung der Pufferbehälter auch zur Aufnahme eines sekundären Wärmeübertragungsmediums dienen, etwa zur Aufnahme von Wärme die primär aus Solarzellen, G-rund- oder Flußwasser oder dem Boden mittels einer Erdschleife entnommen ist. Schließlich sind gemäß einer Weiterführung der Erfindung vor der Wärmepumpe Solarzellen, die von einem speicherbaren Medium umströmt werden, angeordnet. Damit kann in besonders günstiger Weise die mittels Solarzellen gewonnene Wärme gespeichert und im Bedarfsfall abgerufen werden. ;

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Einzelheiten der Erfindung sind an Hand des in der Zeichnung dargestellten Beispieles einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchführung des Verfahrens näher erläutert und beschrieben.

Es zeigt: Pig. 1 ein Beispiel für ein Verfahren zur

Wärmespeicherung mit einem "heißen" und einem "kalten" Speicher,

Pig. 2 ein Beispiel mit einem. Pufferbehälter, Pig. 3 eine Ergänzungsanordnung zu den Beispielen gemäß Pigo 1 und 2 zum Anschluß eines Kreislaufes mit Wärmeentnahme über Solarzellen.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Pig. 1 verfügt die Anordnung über einen "heißen" Speicherbehälter 1 in dem das Medium, daß zur Wärmespeicherung erwärmt werden soll, gespeichert ist und eienen weiteren "kalten" Speicherbehälter 5 für das Medium, dem die Wärme für die Speicherung mittels des in dem Speicherbehälter 1 gespeicherten Mediums entzogen werden soll. Die Kapazität des Speicherbehälters 1 ist dabei so groß, daß der Tagesbedarf an Wärme für die Anlage gespeichert werden kann· Beide Speicherbehälter 1 und 5 werden direkt angezapft und das Speichermedium dem Verbraucher 11 für das heiße Medium und/oder dem Verbraucher 12 für das kalte Medium mittels Pumpen 13 bzw. 14 zugeführt„ Der heiße Speicherbehälter 1 steht mit dem kalten Speicherbehälter 5 über eine Wärmepumpe 4 in Verbindung, wobei zwischen Speicherbehälter 1 und Wärmepumpe

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der als Kondensator wirkende Wärmetauscher 2 und zwischen dem Speicherbehälter 5 und der Wärmepumpe 4 der als Verdampfer wirkende Wärmetauscher 3 angeordnet ist. Die Wärmetauscher 2 und 3 sind durch die Leitung 15 mit dem Drosselventil 16 verbundene Zum Einspeisen des Mediums in den heißen Speicherbehälter 1 ist eine Pumpe 17, für das in den kalten Speicherbehälter 5 einzuspeisende Medium eine weitere Pumpe 18 angeordnet. Als zusätzliche Wärmeentnatimestelle (im Bedarfsfall auch als zusätzliche Speicherstelle) ist im Erdboden - oder im 3?lußwasser oder Brunnenwasser - eine ein Sekundärmedium führende Rohrschlange 10 angeordnet. Die mit dieser Rohrschlange oder Erdschlange bei Verlegung im Erdreich - abgezogene Wärme kann wahlweise dem kalten Speicherbehälter 5, dem heißen Speicherbehälter 1 direkt oder über die Wärmepumpe 4 zugeführt werden. Mit dieser Anordnung ist es möglich, daß über Nacht mit Betrieb der Wärmepumpe 4 durch billigen Nachtstrom dem Medium in dem kalten Speicherbehälter 5 die Wärme entzogen und durch das in dem heißen Speicherbehälter 1 gespeicherten Medium gespeichert wird. Durch unterschiedliche Entnahme aus dem heißen Speicherbehälter 1 bzw. den kalten Speicherbehälter 5 ist nun eine unterschiedliche Entladung der Speicherbehälter 1 und 5 mögliche Der entstandene Unterschied kann nun durch folgende Verfahrensschritte ausgeglichen werden.

Fall 1: Der kalte Speieherbehälter 5 ist voll, der heiße Speicherbehälter 1 noch nicht. (Vorwiegend an kalten Tagen). Die noch fehlende Wärme für den heißen

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Speicherbehälter 1 kann auf folgende Weise nachgeliefert v/erden: a) über Nachtstrom oder Überschußenergie kann mittels einer zusätzlichen Widerstandsheizung 9 nachgeheizt werden, oder b) über einen üblichen - nicht dargestellten - Heizkessel oder c) über die Wärmepumpe 4 welche die erforderliche Wärme dem Erdboden oder Flußwasser über die Rohrleitung 10 entzieht und einspeichert.

Pail 2: Der heiße Speicherbehälter 1 ist gefüllt und der kalte Speicherbehälter 5 noch frei. Die noch fehlende Kälte kann erzeugt werden durch: a) die durch die Kälteerzeugung im Überschuß vorhandene Wärme wird über zusätzliche Wärmetauscher abgeführt, oder b) die überschüssige Wärme wird mittels der Rohrleitungen 10 dem Erdboden als Speichervolumen zugeführt, der Boden jedoch bei fehlender Wärme wieder wie bei Fall 1 beschrieben gekühlt, sodaß keine Temperaturerhöhung eintritt. Gemäß der Anordnung nach 3?ig. 2 kann ein Pufferbehälter 6 mit einem vorgeschalteten Wärmetauscher 7 angeordnet seLn, in dem ein Energieüberschuß als Wärme eingespeichert werden und im Bedarfsfall wieder entnommen werden kann. Dabei kann die Abgabe direkt an den Verbraucher 11 erfolgen oder an den - nicht eingezeichneten - Speicherbehälter 1.In diesem Beispiel ist ferner eine Solarzellenanordnung 8 schematisch dargestellt, die wahlweise an den heißen Speicherbehälter 1, dem kalten Speicherbehälter 5 oder dem zur Wärmepumpe 4 gehörenden Wärmetauscher 3 geschaltet ist. In Fig. 3 ist die· Zuordnung der Solarzellenanordnung 8 dargestellt. In diesem Beispiel ist

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eine mit primärem Medium durchströmte Solarzelle gezeigt. Mit dieser Anordnung kann die von der Solarzelle aufgenommene Energie wahlweise auf die bereits beschriebenen Speicherbehälter 1 bzw. 5 und/oder den Pufferbehälter gem. Pig. 2 gebracht werden. Mit dieser Anordnung ist es auch möglich, Wärme über die Solarzelle durch Umschaltung abzugeben. Die Solarzelle 8 kann beispielsweise aber auch noch zusätzlich zur Erdschlange 10 in Fig. 1 geschaltet sein.

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Claims

Patentansprüche

i"1)J Verfahren zur Speicherung von Wärmeenergie in mindestens einem Speicherbehälter, dadurch gekennzeichnet, daß dem in dem Speicherbehälter gespeichertem Medium mittels einer Wärmepumpe die einem beliebigen anderen gespeicherten Medium entnommene Wärme zugeführt wird.
2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr für das gespeicherte Medium durch zusätzliches Aufheizen mittels elektrischer Überschußenergie erfolgt.
3) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem gespeicherten Medium zuzuführende Wärme Solarzellen entnommen -wird.
4) Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Speicherbehälter (1) für das aufzuwärmende Medium ein als Kondensator wirkender Wärmetauscher (2) und eine Wärmepumpe (4) und saugseitig vor der Wärmepumpe (4) ein als Verdampfer wirkender Wärmetauscher (3) angeordnet ist_o
5) Anordnung nach Anspruch 4_f dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Wärmetauscher (3) ein weiterer Speicherbehälter (5) für die Entnahme von Wärme angeordnet ist.

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6) Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Wärmepumpe (4) und dem Wärmetauscher (2) ein Pufferbehälter (6) und vor diesem ein weiterer Wärmetauscher (7) angeordnet ist.
7) Anordnung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbehälter (1) Mittel zur elektrischen Beheizung des gespeicherten Mediums aufweist. _%
8) Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel angeordnet sind, um den Pufferbehälter (6) wahlweise dem Speicherbehälter (1) oder dem Kreislauf der Wärmepumpe (4) zuzuschalten.
9) Anordnung nach einem der Ansprüche 4...8, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Wärmepumpe (4) Solarzellen (8), die von einem speicherbaren Medium umströmt werden, angeordnet sind.

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Le e rs e i t e