DE2654732A1

DE2654732A1 - Heizsystem mit langzeitwaermespeicher

Info

Publication number: DE2654732A1
Application number: DE19762654732
Authority: DE
Inventors: Adolf H Michel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-12-02
Filing date: 1976-12-02
Publication date: 1978-06-08

Description

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HEIZSYSTEM MIT LANGZEIT WÄRM ESPEICHER!

Die Erfindung betrifft ein Heizsystem für Industrie und Wohnräume. Als Primärenergie für dieses Heizsystem kann jede Form von industrieller Abfallwärme und insbesondere die Sonnenenergie genutzt werden.

Mittelpunkt der Erfindung bildet ein Langzeitwärmespeicher, dessen Energieabgabe an die Umgebung mittels der erfinderischen Lösung unterbunden ist. Daneben werden verbesserte Lösungen betreffend die Erhöhung des Energieinhaltes von Langzeitwärme speichern und/ oder von Konstruktionselementen zum Wärmetransport aufgezeigt.

Die Nutzung von industrieller Abfallwärme und/oder von Sonnenenergie für Heizzwecke ist seit langem bekannt und heute aufgrund der Energie situation wieder besonders aktuell geworden. Schwierig ist aber eine solche Nutzung immer dann, wenn Energieangebot und Energiebedarf zeitlich so verschoben sind, daß eine Langzeitwärme speicherung - etwa über ein halbes Jahr - notwendig wird.

Eine Langzeitspeicherung von Wärme nach dem bisherigen Stand der Technik ist aber sehr teuer, wobei nicht so sehr der Bauaufwand, als die langzeitlichen Verluste an Wärme negativ die Kosten beeinflußen. So wurde beispielsweise im EIR (Eidgenössisches Institut für Reaktorforschung) ein Langzeitspeicher mit 150. 000 Liter Inhalt und einem Isolationswert von k ^s 0, 15 kcal/m² h ⁰C in Quaderform berechnet; er hat bei Verwendung von Wasser als Speichermedium eine Halbwertszeit von 132 Tagen. Dabei muß aber berücksichtigt werden, daß ein Speicher solchen Volumens in der Regel ein Erdspeicher ist, dessen Umgebungstemperatur wesentlich unter der Vorlauftemperatur der Heizung liegt, was bedingt, daß schon vor Ablauf der Halbwertszeit die Restwärme des Speichers nur noch mittels zusätzlicher Einrichtungen und nur zu einem Bruchteil genutzt werden kann. Deshalb scheut man sich solche Anlagen zu installieren und baut stattdessen hauptsächlich kombinierte Anlagen, bei denen der Wärmebedarf zu 40 bis 50% aus Sonnenenergie, der Rest jedoch über klassische Heizungssysteme bzw. durch Erdwärme via Wärmepumpe gedeckt wird. Solche kombinierte Anlagen sind aber nicht nur technisch unschön, sondern sind auch - wegen der Zweigleisigkeit von den Anlagekosten her sehr teuer.

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ORIGINAL

Der Bedarf an einer Langzeitspeicherung von Heizwärme ist sehr vielfältig (Einsparung des hochwertigen Rohstoffes Öl bzw. der Kohle, Umweltschutz, zwischenstaatliche Zahlungsbilanz usw.), daß Anlagen mit Langzeitwärme speicherung schon bei einiger Gleichheit der Gesamtkosten den klassischen Heizsystemen vorzuziehen sind.

Die erfinderische Lösung der Langzeitspeicherung von Heizwärme ist ein Wärmespeicher mit aktiver Isolierung. Mittels dieser erfinderischen Lösung ist es, gegenüber bisherigen Langzeitspeichern,, möglich, mit einem Minimum an z.B. elektrischer Hilfsenergie den Wärmeinhalt eines solchen Speichers über beliebige Zeit zu erhalten, wobei die dafür notwendige Hilfsenergie - in Wärme umgesetzt - ebenfalls erhalten bleibt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Tatsache, daß der Bedarf an Hilfsenergie weitgehend gleichmäßig über das Jahr verteilt werden kann; ja, daß sogar ein antizyklisches Verhalten solcher Anlagen möglich ist, wodurch das Str omverteilungs netz optimal ausgenutzt werden kann.

In Figur 1 ist ein Beispiel eines Langzeitwärmespeichers gemäß der erfinderischen Lösung wiedergegeben. Dieser Speicher (im Schnitt dargestellt) sei ein Erdspeicher. Er besteht - wie bisher - aus einem Behälter 10 für das Speichermedium 11 und einer Isolierschicht 12. Neu ist der aktive Wärmeschirm 13, der sich zwischen der Isolation und dem Erdreich befindet und dessen Wärmeschirmwirkung auf dem Gesetz der gleichen Temperaturpotentiale beruht. Im einzelnen ist die Funktion die folgendes

Die ständig durch die Isolationsschicht 12 zum Erdreich hin strömende Wärme wird vom Wärmeschirm über eine Wärmepumpe ständig in den Speicher 10 zurückgepumpt, wobei die dafür aufzuwendende elektrische Energie, in Wärme umgesetzt, gleichfalls dem Speicher zugeführt wird. Der Wärmeschirm besteht aus einem flüssigkeitsgefüllten Rohrsystem 14, durch das über eine Wärmepumpe (mit Austauschern) solange Wärme in den Speicher zurückgepumpt wird, bis die Temperatur an den Punkten 14 mit der Temperatur am weiter entfernten Punkt im Erdreich übereinstimmt. Die Rohre des Rohrsystems sind untereinander durch eine wärmeleitende Schicht 16, z.B. einem Baustahlgewebe verbunden. Rohrsystem und wärmeleitende Schicht sind so angeordnet bzw. ausgeführt, daß insgesamt Wärme an das Erdreich weder abgegeben, noch vom Erdreich aufgenommen wird und die in sich geschlossenen Wärmeflüsse an Wärmeschirm und Erdreich möglichst gering sind.

Eingeschoben sei an dieser Stelle der naheliegende Einwand, nämlich daß" sich dieses System nur wenig von einem System unterscheidet,- bei dem die Speicherverluste ständig durch Erdwärme, welche über eine Wärmepumpe auf die Temperatur des Speiehers gebracht ist, ersetzt wird..

Ein solcher Einwand ist unbegründet.

Ganz abgesehen- davon, daß die zusätzlich anfallenden Antagekasfen zur Gewinnung von Erdwärme sehr- hoefr wären, muß man. bei der/ Gewfciraffg von Erdwärme den Temperaterabfall· zwischen der mittleren Erdtempera-

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tür und dem Rohrnetz zur Aufnahme der Erdwärme berücksichtigen, welcher mindestens 10° C beträgt. Geht man - dies sei hier vorweg genommen - von einer Speichertemperatur von + 30⁰C und einer mittleren Erdtemperatur von 15°C aus, so beträgt die Temperaturdifferenz bei der erfinderischen Lösung 15°C, bei der zweiten Lösung mindestens 25°C. Die praktischen Leistungszahlen der Wärmepumpe betragen somit 9 bzw. 5 ( aus dem Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik von Recknagel - Sprenger ). Die hochzupumpende Wärmemenge würde sich im Verhältnis 25 zu 15 vergrößern, sodaß - neben den schon erwähnten zusätzlichen Investitionen für das Rohrnetz zur Gewinnung der Erdwärme der Bedarf an elektrischer Hilfsenergie das Dreifache gegenüber der erfinderischen Lösung betragen würde.

In Figur 2 ist eine Variante eines Speichers nach Fig. 1 dargestellt. Hier übernimmt der Speicherbehälter 20 selbst die Funktion der Wärmeleitung zwischen dem Rohrsystem 24. Die Isolation 22, die gegen das Eindringen des Speichermediums 21 geschützt sein soll (beispielsweise Isoliermaterial in wasserdichter Kunststoffummantelung) , ist von innen angebracht.

In Figur 3 ist ein stehender Wärmespeicher wiedergegeben, der vom Zentrum aus ein ganzes Haus beheizt. Seine technische Ausführung unterscheidet sich von der nach Fig. 2 dadurch, daß an der äußeren (Heiz-) Seite des Wärmeschirmes Wärmerippen 35, ähnlich denen eines Heizkörpers, angebracht sind.

Stehende isolierte Wärmespeicher ohne Rippen im Hauszentrum sind Stand der Technik. Sie haben aus den eingangs geschilderten Gründen bisher kaum Bedeutung erlangt.

Völlig neue Gesichtspunkte ergeben sich indeß bei Anwendung der aktiven Isolation. Zunächst kann die Dicke der Isolationsschicht wesentlich kleiner ausgeführt sein, da man in Wohnräumen von einer mittleren Temperatur von + 20⁰C ausgehen kann. Dies spart Kosten und Raum. Sodann kann eine solche Anlage ( in der Übergangszeit ) durch teilweise oder ganze Abschaltung der aktiven Isolation als Heizung dienen. Wird Wärme aus dem Speicher in das Rohrsystem am Wärmeschirm gepumpt, so wird die Heizung verstärkt und schließlich kann durch einen verstärkten Wärmepumpprozeß, bei dem der Wärmeschirm auf eine Temperatur gebracht wird, die über der Temperatur des Speichers liegt, die Heizung auch dann sichergestellt werden, wenn die Temperatur im Speicher abgefallen ist. Vorzugsweise wird man für all diese Funktionen dieselbe Wärmepumpanlage nutzen, welche zu anderer Zeit die aktive Isolation betreibt.

Ein weiteres Problem einer Wärmespeicheranlage für Heizzwecke ist die erforderliche Größe des Speichers.

Zum Verständnis dieses Problems hier ein Beispiel:

Der Heizungsbedarf eines Einfamilienhauses beträgt jährlich etwa 30 χ 10⁶ Kcal, von denen die Hälfte, nämlich 15 χ 10° kcal in den drei Wintermonaten benötigt werden. Etwa 1/6 der Wärme wird durch Zuladung aus den Sonnenkollektoren/aus der in Wärme umge- /und setzten Hilfsenergie in den drei Wintermonaten Dezember bis Februar gewonnen. Sieht man einen Wasserspeicher vor und setzt die Vorlauf -

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temperatur der Heizung auf"+ 35°C fest, so beträgt das Volumen eines solchen Speichers bei einer maximalen Speichertemperatur von+ 80⁰C :

- ²²² * ^{loS Liter} -^{222 m3}·

Ein Speichervolumen in dieser Größe würde aber, infolge der hohen Anlagekosten., die Gesamtanlage unrentabel machen. In Kenntnis dieser Zusammenhänge wurden bisher verschiedentlich die Ausnutzung von Lösungswärme., der Kristallisationswärme bzw. der Schmelzwärme vorgeschlagen, wobei hinsichtlich der Ausnutzung der Kristallisationswärme der Vorschlag gemacht wurde., diese durch "ruhige" Abkühlung latent zu speichern» Gespart wird hierbei zwar die aktive Isolation, jedoch müßte der Speicher in einzelne Zellen solcher Größe unterteilt werden, daß der Speicherinhalt einer einzelnen Zelle nicht größer ist als die kleinste abzurufende Teilwärme«, Dies jedoch wäre ( einschließlich der Steuerung einer solchen Unterteilung) in den Anlagekosten sicher teurer als die aktive Isolation. Dazu kommt als weiterer Nachteil der Umstand, daß die in der Temperaturdifferenz begründete Wärmemenge entfällt., oder anders ausgedrückt: Die beim eingeleiteten Kristallisationsprozeß freiwerdende Warme müßte zu einem Großteil für die Erwärmung des Mediums im Temperaturbereich von Heizungsvorlauftemperatur minus Lagertemperatur verwendet werden, sodaß wiederum nur ein Teil der gespeicherten Wärme genutzt werden kann.

Es ist weiter vorgeschlagen worden die Mischungswärme verschiedener Stoffe nutzbar zu machen«, Auch hier entfällt ein Teil der gespeicherten Wärme durch die Eigen erwärmung des Mediums. Außerdem sind nach heutigem Wissen die infrage kommenden Medien hinsichtlich einer Lagerung nicht ungefährlich ( z_eB„ H2SO4).

Erfindungsgemäß wird - in Kombination mit der aktiven Isolation - ein System vorgeschlagen, in dem evtl_e alle drei Arten der War me speicher ung., nämlich der durch die Temperaturdifferenz des Mediums bedingte Wärmeinhalt, die Lösungswärme und die Kristallisationswärme des Mediums genutzt werden können.

Auch hier sei ein Beispiel angeführte

Als Speichermedium ist Na2COs „ 7 Η2Θ vorgesehen. Die interessierenden Teile des Enthalpiediagramms sind in Figur 4 wiedergegeben. Die Gesamtwärme pro 1 kp Gemisch = O^ 73 Liter Gemisch setzt sich zusammen

49 kcal/kp Schmelzwärme

33 " Wärmeinhalt bei einer Temperaturdiff. von

45°C ( 35 bis 8QOC )„ 29 " Lösungswärme

Dies ergibt zusammen 111 kcal/kp = 152 kcal/Liter Gemisch. Die Nutzung der Lösungswärme ist allerdings nur möglich, wenn ( bekannte ) Einrichtungen vorgesehen sind, welche (im Sommer) eine Separation der Teile des Gemisches mit anschließender getrennter Lagerung ermöglichen,,

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Gehf-t man davon aus, daß für die Speicherung die gesamten 152 kcal/1 zur Verfügung stehen, dann veringert sich das Speichervolumen von

222 m"⁵ bei Wasser auf -r^z- s222 = SO m*³ beim vorge-

schlagenen Gemisch.

Vergrößert man die Wärmepurapanlage und läßt einen größeren Betrag an elektrischer Energie zum Betrieb der Wärmepurapanlage zu und wählt als Speichermedium Wassei- bei zusätzlicher Ausnutzung der Schmelzwärme, so beträgt die Summe der pro Liter und 80⁰C gespeicherten Wärme feei 160 kcal. Dazu kommt noch die in Wärme umgesetzte erhöhte Arbeit der Wärmepumpe, die - wie schon erwähnt wieder voll dein Speicher zufließt, sodaß man in diesem Fall mit einem Speichervolumen von etwa 65 m^ auskommt.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche:

1. System, zur Speicherung von Wärme in einem isolierten Speicher., dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Speicher und Umgebung ein Wärmeschirm angebracht ist, dessen Temperatur mittels Wärmepumpe, Peltier-Elementen oder dergleichen so niedrig gehalten ist, daß ein Wärmefluß vom Wärme schirm an die Umgebung unterbunden ist und daß die vom Speicher zum Wärmeschirm fließende Wärme, sowie die in Wärme umgesetzte Arbeit der Wärmepumpe wieder dem Speicher zugeführt, oder anderweitig nutzbar gemacht ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbehälter selbst Teil des Wärmeschirmes ist und mindestens Teile der Isolation im Innern des Speicherbehälters angebracht sind.

3. System, vorzugsweise nach Anspruch 2 mit einem vorzugsweise stehenden Speicherbehälter im Haus, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbehälter an seiner Außenseite Heizrippen aufweist.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Isolation abgeschaltet werden kann und daß Einrichtungen vorhanden sind, welche das zeitweise oder ständige Umpumpen von Wärme aus dem Speicher in den Wärmeschirm ermöglichen, wobei mittels der Wärmepumpe gegebenenfalls am Wärmeschirm eine Temperatur erzeugt wird, die über der Speichertemperatur liegt.

5. System vorzugsweise nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe Wärmepumpanlage, welche (im Sommer) die aktive Isolation bewirkt, in der Heizperiode den Wärmefluß vom Speicher zum Wärmeschirm durchführt.

6. System nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium ein passendes Gemisch ist, dessen Gefrierpunkt in der Nähe der Heizungsvorlauftemperatur liegt.

7. Heizsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Trennung und getrennter Lagerung der Gemischteile vorgesehen sind, sodaß zusätzlich zum Wärmeinhalt des Speichers, auch die Misehungswärme genutzt wird.

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