DE2749714A1

DE2749714A1 - Waermespeicher

Info

Publication number: DE2749714A1
Application number: DE19772749714
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Ing Zimmermann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-11-07
Filing date: 1977-11-07
Publication date: 1979-05-23

Description

Deutsche Patentamt Postscheckkonto Karlsruhe

Zweibrückenstr. 12 ^{(BLZ 6}^¹⁰⁰⁷⁵* ²⁶⁹⁴¹"⁷⁵¹

Deutsche Bank

onnn u·· u ο <^BLZ 66070004) 177402

8000 München 2

29.11.1977 F/g

J 215/77

Patentanmeldung Wärmespeicher, Erfinder Walter Zimmermann, Markgrafenstr. 21, 7520 Bruchsal-Heidelsheim

Patentbeschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf die Speicherung beispielsweise von Sonnenenergie, Wärme von Wärmepumpen, Abfallverwertung, Abfallvergasung, Pyrolyseverfahren und dergl. Behälter zur Speicherung von Sonnenenergie, Wärme von Wärmepumpen usw., sind vorbekannt. Bisher war es jedoch nicht möglich, Wärme, die eine niedrigere Temperatur hat als die vorhandene Speichertemperatur in einem Speicher aufzunehmen und wirtschaftlich zu nutzen.

Diese Aufgabe wird durch einen Verbund von mehreren Speichern wie folgt gelöst:

I. 1.

Es werden mehrere Speicher von unterschiedlicher Temperatur neben- oder hintereinander angeordnet und zwar räumlich getrennt. Beispielsweise ein Speicher mit 20° C, der zweite Speicher mit 30° C, der dritte Specher mit 40° C, der vierte Speicher mit 50° C, der fünfte Speicher mit 60° C. Die Temperaturen sind nicht als fix zu verstehen, die Zahl der Speicher kann beliebig vermehrt oder vermindert werden. Der erste Speicher kann beispielsweise Temperaturen von 15 - 25 C, der zweite Speicher von 25 C - 35 C usw. fassen. Das System ist insoweit variabel. Auch die Form und Zahl der Speicher ist beliebig.

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Falls die Behälter z. B. aus baulichen Gründen von verschiedener Größe sind, sollte der Behälter mit höchster Temperatur der kleinste, derjenige mit niedrigster Temperatur der größte sein. Erforderlich ist es jedoch nicht, daß die Behälter verschiedene Größen haben.

Der Zufluß kann beispielsweise elektronisch (z. B. über Magnetventile), von Hand
oder auf andere Weise, gesteuert werden, und zwar in der Weise, daß der von den Sonnenkollektoren bzw. den anderen Wärmespendern ankommende Wärmeträger, sofern er geringe Temperatur hat, möglichst in den Speicher mit niedrigster Temperatur fließt und zwar bis zur Anheizung auf die jeweilige Höchstgradzahl. Im Beispielsfall wird der erste Speicher bis 25 C angeheizt. Wenn diese Höchstgradzahl erreicht ist, wird der nächsthöhere Speicher eingeschaltet. Die Schaltung ist ebenso variabel, wie die Anzahl der Speicher. Hohe Temperaturen, bei Sonnenenergie ζ. B. über die Mittagszeit, werden demnach möglichst in den Speicher mit höchster Gradzahl eingeleitet bzw. in den zur ankommenden Energie passenden Speicher.

Der zuvor beschriebene Primärkreislauf kann durch einen Wärmetauscher vom Sekundärkreislauf getrennt werden.

Auch der Ausfluß aus dem jeweils geforderten Speicher kann elektronisch (z. B. über Magnetventile) oder auf andere Weise (beispielsweise von Hand) gesteuert werden.

Maßgeblich ist, mit welcher Gradzahl der Wärmeträger gefordert wird. Wird die Anlage im Sekundärkreislauf beispielsweise an eine Fußbodenheizung, die 30 C erfordert, angeschlossen, kann durch elektronische oder andere Steuerung ein beliebiger Tank abgerufen werden.

Der Wärmeträger wird durch einen Bypaß oder in anderer Weise auf die geforderte Temperatur gemischt. Der Wärmeträger fließt aus dem geforderten Speicher in den Bypaß zur Mischung auf die geforderte Gradzahl, während der vom Primärkreislauf (Sonnenkollektoren, Wärmepumpen und dergl.) ankommende Wärmeträger in den Tank hineingedrückt wird. Es muß dafür gesorgt werden, daß das Wasser

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breitflächig einfließt, im Behälter also möglichst wenig Bewegung und keine Turbulenz entsteht. Um eine bessere Wärmeschichtung innerhalb der einzelnen Speicher zu erzielen, sollten waagrecht Prall- bzw. Leitbleche am Ein- bzw. Ausfluß, evtl. mit einer oder mehreren kleinen Öffnungen im jeweiligen Speicher
angebracht werden. Der Zu- bzw. Abfluß des kälteren Wärmeträgers liegt immer unten, der Zu- bzw. Abfluß des wärmeren Wärmeträgers oben im Speicher.

Die einzelnen Speicher können wahlweise abgerufen werden. Im Beispielsfall Fußbodenheizung kommt der Wärmeträger im Sekundärkreislauf mit 4-5 C abgekühlt zurück, um durch den Wärmeträger aus dem jeweiligen Bypaß erneut auf die geforderte Gradzahl aufgeheizt zu werden.

Der Anschluß des Sekundärkreislaufs ist an jede beliebige Anlage, die Wärme benötigt, möglich. Der Primärkreislauf (von den Sonnenkollektoren, Wärmepumpen und dergl.) und der Sekundärkreislauf (beispielsweise zur Fußbodenheizung) können durch einen Wärmetauscher völlig voneinander getrennt werden, um Undichtigkeiten lokalisieren zu können bzw. auf einen Kreislauf zu beschränken. Die Trennung ist auch dann notwendig, wenn in einem Kreislauf (in Frage kommt wohl nur der Sekundärkreislauf) Trinkwasser fließt. Die Trennung erfolgt jedoch hauptsächlich aus Sicherheitsgründen, insbesondere um die Gesamtanlage weiter betreiben zu können, da somit die Reparatur auf einen kleinen Umfang der Gesamtanlage beschränkt werden kann.

Der Kollektor-Wirkungsgrad ist abhängig vom Speicher. Es kann deshalb gesagt werden, daß ein Solarsystem so gut oder so schlecht ist, wie sein Speicher. Die Wirkung ist optimal, wenn zwischen dem Wärmeträger und der Außentemperatur eine möglichst geringe Temperaturdifferenz vorhanden ist. Aus diesem Grund sollte die vom Kollektor ankommende Sonnenenergie möglichst dem Speicher mit der nächstliegenden Temperaturhöhe zugeführt werden, was durch die beschriebene Steuerung erreicht wird. Dies ist zu empfehlen, um den größt möglichsten Nutzen zu erreichen, ohne daß dies jedoch als notwendig angesehen werden muß.

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Das Schachtelsystem kann auch in der Weise angewendet werden, daß die Einzelspeicher nicht geschlossen heben - oder hintereinander -angeordnet und räumlich getrennt werden. Die Einzelspeicher können vielmehr ohne räumliche Trennung neben- bzw. hintereinander angeordnet werden, wobei eine Trennung nur durch Lochbleche oder in anderer Weise erfolgen kann. Es können jedoch auch übergänge durch ein oder mehrere Rohre erfolgen, die Übergänge können auch durch Ventile gesteuert werden. Im übrigen wird auf den Hauptanspruch verwiesen.

3.

Die Speicher können auch so angeordnet werden, daß die einzelnen Behälter, die nach Zahl und Temperatur variabel sind, ineinander geschachtelt werden, in der Weise, daß der Behälter mit niedrigster Temperatur (beispielsweise unten 15 C, oben 25° C) den Behälter mit nächsthöherer Temperatur (beispielsweise unten 25° C, oben 35° C) einschließt bis zum innersten Tank, der die höchste Temperatur haben kann (beispielsweise unten 25° C, oben 65° C oder höher). Die jeweilige Gradzahl ist nicht fix. Die ineinander geschachtelten Speicher selbst müßten gestützt werden. Der Stützdruck der innenliegenden Tanks ist nicht allzu groß, denn es tritt nur das Gewicht der einzelnen Speicherhüllen (minus dem Auftrieb des Material Volumens) auf, während der Druck für flüssige Wärmeträger sich wechselseitig ausgleicht, wenn die Speicher total gefüllt sind und dadurch kein Auftrieb entsteht. Bei anderen als flüssigen Wärmeträger (beispielsweise Luft, Feststoffe und dergl.) fällt der Auftrieb, der durch flüssigen Wärmeträger erfolgt, selbstverständlich weg.

Beim Schachtelsystem sollte der jeweils nachstkleinere Speicher an der Oberfläche des jeweils größeren Speichers angeordnet sein, um die größtmöglichste Effizienz zu erreichen. Unbedingt notwendig ist dies jedoch nicht.

Zu jedem Bnzeltank ist eine Zu- bzw. Abführung notwendig. Diese erfolgt beispielsweise durch elektronische Steuerung, durch Hand oder auf andere Weise,

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entsprechend der Beschreibung des Hauptanspruchs. Die Innenwände der ineinander lagernden Speicher sollten speziell isoliert sein, um den Wärmeübergang von Speicher zu Speicher gering zu halten.

Der zusätzliche Vorteil des. Schachtelsystems liegt insbesondere - wegen der verkleinerten äußeren Oberfläche - in einer geringeren Wärmeabstrahlung bzw. in einer effektiveren Wärmeausnutzung. Hinzu kommt, daß der Temperaturunterschied der Außenwand des größten Speichers zu dem umgebenden Medium geringer ist, als bei der Parallelanordnung.

Das System für Hauptanspruch, sowie Nebenansprüche ist besonders prädestiniert zur Anwendung in Verbindung mit Wärmepumpen. Bekannt ist, daß die Leistungsziffer einer Wärmepumpe umso höhe liegt, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen dem Eingangs- und Ausgangskreislauf ist. Wenn dem oder den Speichern niedrigerer Temperatur noch Wärme entzogen wird, so hat die Wärmepumpe eine erhöhte Leistungsziffer und zugleich haben die Sonnenkollektoren (oder andere Wärmespeicher) durch die niedrigere Temperatur eine größere Leistung, da die Effektivität der Sonnenkollektoren wesentlich gesteigert wird, je niedriger die Temperatur des Vorlaufs ist.

II. 1.

Bei sämtlichen vorbeschriebenen Systemen kann die Energieeinsparung noch dadurch wesentlich erhöht werden, daß eine Isolierung wie folgt angewandt wird:

Die verbundenen Speicher werden isoliert. Es folgt dann ein Zwischenraum oder mehrere Zwischenräume (Vakuum oder gefüllt mit Gas, Flüssigkeit, Feststoffen oder anderen). Die Zwischenräume können beliebig vermehrt werden, wobei dazwischen jeweils eine Isolierung erfolgen kann. Die Zahl der Zwischenräume ist eine Frage der Wirtschaftlichkeit. Für den Fall, daß man in den Zwischenraum ein gasförmiges oder flüssiges Mediuum einfüllt, sollte der Abstand ca. 10 mm, jedoch nicht mehr als 12 mm betragen, damit keine Turbulenz und damit verbunden ein erhöhter Wärmeaustausch auftritt. Unbedingt erforderlich ist dies jedoch nicht. Zum andern besteht aber die Möglichkeit, das in den Zwischenräumen angewärmte

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Medium abzuleiten und zu verwerten. Für diesen Fall könne der Zwischenraum zwischen den jeweiligen Isolierungen auch größer als 12 mm sein, je nach dem gewünschten Volumen oder der gewünschten abzuführenden Wärmemenge. Je mehr nutzbare Wärme abgeführt wird, desto stärker sollte die Isolierung sein, umso wirkungsvoller ist jedenfalls die Isolierung des Gesamtsystems. Diese Isolierung mit Zwischenräumen kann beliebig oft nach außen hin wiederholt werden, wodurch immer geringere Temperaturdifferenzen auftreten, womit der nahezu verlustfreie Speicher entsteht.

Der jeweilige Zwischenraum kann als Isolationskammer beschrieben werden, die jeweilige Isolationskammer wird begrenzt durch die jeweilige Isolationsschicht.

Die Isolationsschichten können aus verschiedenen Materialien bestehen, ebenso kann eine Isolationsschicht aus einem anderen Material sein, als die nächstfolgende usw. Ebenso ist es möglich, daß jede einzelne Isolationsschicht aus mehreren Materialien zusammengesetzt wird, um den erschwerten Wärmeübergang von Material zu Material für eine bessere Wärmeisolierung zu nutzen.

Insbesondere können zur Wärmeisolierung Textilfaserstoffe verwendet werden. Die gute Wärmeisolierung von Textilfaserstoffen beruht auf der geringen Wärmeleitfähigkeit der im Stoff nahezu stilliegenden Luft. Dies wird durch das Festhalten der fasernahen Luftmoleküle in der Grenzschicht bewirkt. Ein System von Kunststoffäden oder Membranen bewirkt den gleichen Effekt. Die Membranen bestehen aus verspiegelten Kunststoffolien, um auch die Wärmestrahlung zu dämmen. Mittels Temperatursonde wird die vertikale Temperaturverteilung im Speicher gemessen und je nach Temperaturbedarf die entsprechende Zapfstelle angeschlossen."

2.

Die Effektivität der Isolierung kann noch wesentlich gesteigert werden, wenn sie mit Aluminium oder mit Silberfolie, oder mit einem anderen abstrahlenden Körper, belegt wird und damit die Wärmeabstrahlung gemindert wird. Es wird jedoch immer wieder in der Wissenschaft verkannt, daß ein Abstrahlkörper (beispielsweise Folie)

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nur ihren Zweck erfüllt, wenn diese gegen gasförmige Medien gerichtet ist. Ein Abstrahlkörper (z. B. Aluminium oder Silberfolie) in einem festen Medium eingelagert, hat keinen Abstrahleffekt, im Gegenteil, diese gleicht warme und kalte Stellen zum Nachteil der Gesamtisolierung aus und die Gesamtwärmebilanz wird bei Speichern eventuell schlechter.

Anzustreben ist weiter, daß jeder Speicher für sich gesehen eine möglichst kleine Oberfläche, jedoch einen möglichst großen Inhalt hat. Die Speicher können daher insbesondere auch kugelförmig sein, bei eckigen Speichern sollten die einzelnen Außenflächen jedoch möglichst klein sein.

III.

Um das Prinzip, die vom Kollektor ankommende Sonnenenergie möglichst dem Speicher mit der nächstliegenden Temperaturhöhe zuzuführen, zu ergänzen, kann bei einem beliebigen Speicher, oder bei allen Speichern die nötige Energiemenge durch einen weiteren Energieträger (Strom, Gas, öl) insbesondere aber auch durch eine Wärmepumpe zugeführt werden. Die Wärme aus den jeweiligen Isolationskammern bzw. der Isolationskammer kann abgeführt und durch Wärmepumpe auf einem höheren Wärmeniveau dem System wiederum zugeführt werden, wodurch eine ideale Ausnutzung der gespeicherten Sonnenenergie erreicht wird. Insbesondere kann damit eine ganzjährige Nutzung (Jahresspeicher) erfolgen.

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Claims

Verfahren zur Wärmespeicherung, Erfinder Dipl.Ing. Walter Zimmermann, Markgrafenstr. 21, 7520 Bruchsal-Heidelsheim

Patentansprüche

Ί.)

Verfahren zur Wärmespeicherung, dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Speicher unterschiedlicher Temperatur sowie beliebiger Form und/oder Größe neben- bzw. hintereinander im Verbund durch Zwischenräume voneinander getrennt angeordnet werden, wobei der Zu- und/oder Abfluß zum/vom jeweiligen Speicher durch Hand, Magnet- bzw. Motorantrieb oder in anderer Weise so gesteuert wird, daß die vom Kollektor ankommende Sonnenenergie möglichst dem Speicher mit der nächstliegenden Temperaturhöhe zugeführt wird, wobei Zu- bzw. Abführungen für zwei bzw. mehrere Speicher auch zusammengefaßt, sowie unten, oben oder auch seitlich angebracht werden können.
2.

Verfahren zur Wärmespeicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicher ohne Zwischenräume neben- bzw. hintereinander
angeordnet werden.

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3.

Verfahren zur Wärmespeicherung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Übergänge von Speicher zu Speicher offen bzw. durch ein oder mehrere Rohre oder durch Lochbleche angebracht werden.
4.

Verfahren zur Wärmespeicherung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Übergänge zwischen den einzelnen Speichern durch Ventile gesteuert werden.
5.

Verfahren zur Wärmespeicherung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Speicher im Verbund ineinander geschachtelt werden, wobei der Speicher mit jeweils niedrigerer Temperatur dem Speicher mit nächsthöherer Temperatur möglichst einschließen soll.
6.

Verfahren zur Wärmespeicherung gemäß Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustausch über ein bzw. mehrere Sekundärkreisläufe erfolgt.
7.

Verfahren zur Wärmespeicherung gemäß Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß am Ein- bzw. Ausfluß des jeweiligen Speichers Prallbzw. Leitbleche zur Temperaturschichtung bzw. zur Erhaltung der Temperaturschichtung angebracht werden, gegebenenfalls mit einer bzw. mehreren kleinen Öffnungen.
8.

Verfahren zur Wärmespeicherung gemäß Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Verbund von Speichern durch ein oder mehrere Isolationskammern ohne oder mit beliebiger Füllung voneinander getrennt werden.

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9. Verfahren zur Wärmespeicherung gemäß Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Isolationsschicht aus mehreren den Wärmeübergang erschwerenden Materialien besteht.
10. Verfahren zur Wärmespeicherung gemäß Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsbeschichten der verschiedenen Isolationskammern mit unterschiedlichem dem Wärmeübergang erschwerendem Material erfolgt.
11. Verfahren zur Wärmespeicherung gemäß Anspruch 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Jeweilige Isolationsschicht mit Aluminiumbzw. Silberfolie bzw. verspiegelter Kunststoffolie oder mit anderen abstrahlenden Körpern belegt wird.
12. Verfahren zur Wärmespeicherung gemäß Anspruch 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Speicher durch einen weiteren Energieträger (Strom, Gas, dl usw.) bzw. durch eine Wärmepumpe auf die jeweils optimal nächstiiegende Temperatur im Verhältnis zur vom Kollektor ankommenden Sonnenenergie gebracht wird.

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