DE2919092A1 - Verfahren und vorrichtung zum speichern und wiedergewinnen von thermischer niedertemperaturenergie - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum speichern und wiedergewinnen von thermischer niedertemperaturenergieInfo
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Description
DR. WALTER KRAUS Dl PLOM CH EMIKER · DR.-I N G. AN N EKÄTE WEISERT DIPL.-ING. FACHRICHTUNG CHEMIE
IRMGARDSTRASSE 15 - D-BOOO MÜNCHEN 71 · TELEFON Ο8Θ/79 7O77-79 7O 78 · TELEX O5-212156 kpat d
2172 WK/rm
ANDERS DANIEL BACKLUND Ytterhogdal/Schweden
Verfahren und Vorrichtung zum Speichern und Wiedergewinnen von thermischer Niedertemperaturenergie
909847/0751
Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Verwendung eines Niedertemperaturmediums, beispielsweise von
Boden bzw. Erde, wäßrigem Boden bzw. wäßriger Erde oder offenem Wasser, als Energiequelle bzw. Energieakkumulator.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Bei der Anwendung von Niedertemperaturmedien, beispielsweise von Mooren, kleinen Bergseen etc., beim Wärmeaustausch gegen
ein wärmetragendes Medium sind bislang bestimmte Schwierigkeiten aufgetreten. Wenn das System von Rohren oder dergleichen,
in dem das wärmetragende Medium zirkuliert, beispielsweise angrenzend an den Boden des kleinen Bergsees etc. ohne
eine richtige Fixierung angeordnet ist, dann kann das Rohrsystem verschoben und beschädigt werden, wenn sich schwarzes
Eis um die Rohre herum bildet. Eine derartige Fixierung oder anstelle davon die Rohre einzugraben, bringt aber erhebliche
Kosten mit sich. In beiden Fällen wird das fragliche Niedertemperaturmedium nur schlecht ausgenützt. So gehen beispielsweise
große Energiemengen durch natürliche Wärmeabstrahlung und Frieren, insbesondere im Winter, verloren.
Durch die Erfindung wird nun ein neues Verfahren und eine Vorrichtung zur verbesserten Speicherung und Wiedergewinnung
von thermischer Niedertemperaturenergie aus einer Masse, die zu einer Speicherung einer solchen Energie imstande ist,
durch Wärmeaustausch gegen ein wärmetragendes Medium, beispielsweise in Kombination mit einer Wärmepumpe, zur Verfügung
gestellt. Das Leitungssystem für das wärmetragende Medium ist an der Unterseite eines kontinuierlichen Betts angeordnet,
das auf oder in der Masse angeordnet ist. Letzteres
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ist beispielsweise ein Körper aus Wasser, wäßrigem oder festem
Boden bzw. Erde. Das Bett besteht vorzugsweise aus einer schwimmenden Plattenkonstruktion eines wärmeisolierenden Materials.
Vorzugsweise ist mindestens die obere Seite des Bettes so angeordnet, daß Sonnenstrahlung absorbiert wird. Diese
Energie wird auf die Masse übertragen, indem die Oberfläche des Bettes mit Wasser von der Masse oder einer anderen
Quelle gewaschen wird. Insbesondere auf Wasser oder wäßrigem Boden bzw. wäßriger Erde kann das Bett einen Träger, beispielsweise
für Anpflanzungen, Gelände für Ballspiele und dergleichen,
bilden.
Gemäß der Erfindung wird daher ein Verfahren und eine Vorrichtung
zu einer sehr einfachen besseren Verwertung, insbesondere von solchen Nieder temper aturmedien, wie wäßrigem Boden
bzw. wäßriger Erde, offenem Wasser, Mooren, kleinen Bergseen und Seen, zur Verfügung gestellt, um Niedertemperaturenergie
wiederzugewinnen bzw. zu gewinnen und zu speichern. Jedoch können das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Vorrichtung auch mit festem Boden bzw. fester Erde verwendet werden, beispielsweise in Verbindung mit einem
Gebäude, um die Wärmeverluste von Böden des Gebäudes sowie die umgebende Bodenwärme zu verwerten.
Gemäß einem Grundkonzept der Erfindung ist das Wärmeaustauschsystem,
das aus Rohren oder Schläuchen aus einem geeigneten Material bestehen kann etc., an der Unterseite eines festen
Betts angeordnet, das auf oder in dem Niedertemperaturmedium angeordnet ist, das als Wärmeenergiequelle/Wärmeakkumulator
verwendet werden soll. Das feste Bett kann beispielsweise in Form einer Brücke, einer Platte, einer Kassette oder dergleichen
vorliegen. Zur gleichen Zeit, wie das fixierte Rohrsystem,
das leicht auf oder in dem fraglichen Niedertempera-
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turmedium angeordnet werden kann, in einfacher Weise erhalten
wird, ist es möglich, das Niedertemperaturmedium wirksamer zu verwerten, was auf die Tatsache zurückzuführen ist,
daß beispielsweise im Falle eines Körpers aus Wasser das gesamte unterliegende Flüssigkeitsvolumen verwertet werden
kann und daß Wärmeverluste nach oben durch die Brücke etc. je nach den Wärmeisolierungseigenschaften des Bettes verhindert
werden. Weiterhin kann dieses Bett, wenn es auf das betreffende Niedertemperaturmedium aufgebracht wird, für verschiedene
Zwecke angewendet werden, beispielsweise als Sonnenenergiekollektor, für Anpflanzungen, Straßenverbindungen etc.
Indem man die Oberfläche des Betts wärmeabsorbierend macht und gelegentlich mit Wasser, beispielsweise von dem kleinen
Bergsee, dem wäßrigen Boden etc., auf dem es angeordnet ist, (oder mit einem anderen Wasser) wäscht, kann ein signifikanter
Beitrag zur Absorption von Sonnenenergie durch das Niedertemperaturmedium gegeben werden.
Das Bett kann mit variierenden Eigenschaften je nach den jeweiligen
Notwendigkeiten von einfachen und billigen Betten bis zu teuereren und kombinierten Betten für mehrere Funktionen
hergestellt werden. Die Betten können z.B. leicht, wasserdicht, mehr oder weniger wärmeisolierend etc. und mit
variierender Schwimmbarkeit, um unterschiedlichen Lasten zu widerstehen, hergestellt werden. Kj η geeignetes Material ist
z.B. Kunststoff schaum oder Kunststoff schaum, der an Torf oder ein anderes geeignetes Material gebunden ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung
können in allen Situationen angewendet werden, wo Niedertemperaturenergie wiedergewonnen bzw. gewonnen oder
gespeichert werden soll. Das Niedertemperaturmedium kann z.B.
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als warmer oder kalter Wärmeakkumulator für Energieumwandlungen,
als Energiequelle für ein passives Heizsystem mit einem "Klimakäfig11, i?ie es beispielsweise in der DE-OS
2 729 635 beschrieben wird, oder in Verbindung mit einer Wärmepumpe zur Zuführung von Energie in eine Verdampfungseinrichtung verwendet werden.
Bei Anwendung der Erfindung auf festem Boden bzw. fester Erde, beispielsweise wenn Wärmeverluste von Gebäuden verwertet
werden sollen, ist das Bett, das in diesem Falle wärmeisolierend ist, mit dem angefügten Rohrsystem vorzugsweise unmittelbar
unterhalb der obersten Erdschicht als Randgebiet von dem Gebäude angeordnet. Das Rohrsystem kann hierbei mit einem
minimalen Aufwand an Erdarbeiten fixiert werden, wobei zur gleichen Zeit Wärmeverluste durch die Oberflächenschicht des
Bodens vermieden werden. Die Bodenwärme kann beispielsweise dazu verwertet werden, um Frischluft zu erwärmen, die durch
das Rohrsystem geleitet wird. Das Bett kann mit kleinen vertikalen durchgehenden Löchern für die Durchdringung von Wasser
versehen sein, das erhitzt worden ist, beispielsweise durch Abwaschen eines von der Sonne erhitzten Daches oder
dergleichen. Um die Kapazität der fraglichen Bodenschicht als Wärmequelle und -akkumulator zu verbessern, kann die Wasserbindungsfähigkeit
des Bodens bzw. der Erde durch Tränken mit Wasser, das mit einem Wasserabsorptionsmittel, z.B. CeI-luloseäther,
Stärke oder Derivaten davon etc., verdickt worden ist, erhöht worden ist.
Nachstehend soll die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung, die eine spezielle Ausführungsform der Erfindung zeigt,
näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt einen Querschnitt eines Teils einer erfindungsgemäß en Vorrichtung, die auf
einen mit Eis bedeckten Wasserkörper, z.B. einen kleinen Berg-
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see oder dergleichen, aufgebracht ist, wobei der Wasserkörper für die Zukunft als Erzeuger und Akkumulator für thermische
Niedertemperaturenergie vorgesehen ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält in ihrer einfachsten Form eine Brücke, Kassette oder Platte 2 aus einem geeigneten
Material, beispielsweise einem Kunststoffschaum oder an Torf
gebundenen Kunststoffschaum, an deren Unterseite ein horizontales
Rohrsystem 3 für das wärmetragende Medium befestigt 1st. Letzteres soll gegen die Masse des Wassers 7 wärmeausgetauscht
werden. Das wärmetragende Medium kann z.B. Luft oder Wasser, dessen Gefrierpunkt erniedrigt worden ist, z.B. ein Glycol/
Wasser-Gemisch, sein. Das Rohrsystem 3 ist weiterhin mit einer (nicht gezeigten) Kupplungseinrichtung, vorzugsweise auf der
oberen Seite der Brücke 2, zum Anschluß des Rohrsystems 3 beispielsweise
an den Verdampfer einer Wärmepumpe oder von mehreren Wärmepumpen durch geeignete Leitungen versehen.
Im dargestellten Falle ist die Brücke 2 mit dem Rohrsystem 3 auf eine Eisdecke 1 auf dem Körper des Wassers 7 aufgebracht.
Die Herstellung der Brücke, der Kassette oder der Platte 2 kann auf dem Land in Abschnitten erfolgen, die sodann auf
den Wasserkörper 7 zur Zusammenstellung transportiert werden. Der einfachste Weg ist es jedoch, die Platte oder dergleichen
direkt am Ort, beispielsweise unter einem Zelt im Winter, zu bilden, wenn das Wasser 7 Eis trägt. Im letzteren
Falle werden bei einer Herstellungsmethode die Rohre oder Schläuche 3 des Rohrsystems, die für den Energietransport notwendig
sind, zunächst auf das Eis 1, gegebenenfalls zusammen mit Befestigungsrohrhaltern 4, wie unten angegeben, aufgebracht.
Die Rohre oder Schläuche 3 werden sodann mit Torfabfall oder einem anderen geeigneten Material bedeckt und
hierauf wird ein flüssiges Bindemittel, z.B. einen Kunststoff-
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schaum bildende Flüssigkelten, auf die Torfschieht aufgesprüht.
Auf diese Weise wird innerhalb einer kurzen Zeit, im allgemeinen von venigen Minuten, eine beispielsweise mit
einem Kunststoffschaum!elm gebundene Torfmasse 5 gebildet,
an deren Unterseite das Rohrsystem 3 befestigt ist. Die erhaltene Brücke 2 hat eine gute Schwimmfähigkeit und gute
Wärmeisolierungseigenschaften. Sie widersteht den Einflüssen des Wetters, des Windes, des Wassers etc. Wenn das Rohrsystem
3 an die Einlaß- und Auslaßleitungen für das wärmetragende
Medium angeschlossen worden ist, dann kann thermische Niedertemperaturenergie von dem Wasser 7 entnommen werden,
solange dort nicht-gefrorenes Wasser 1st.
Um die Absorption von Wärmeenergie von der Umgebung durch
die Masse des Wassers 7 zu erhöhen, kann ein Pumpen/Bewässerungs-System
θ verwendet werden, das so angeordnet ist, daß die der Sonne ausgesetzte obere Oberfläche der Brücke 2 mit
Wasser von dem Körper des Wassers 7 gewaschen wird, wenn die Temperatur oberhalb der Brücke 2 höher ist als unter dieser.
Um die Strahlungsabsorptionsfähigkeit der Brücke 2 zu erhöhen, kann sie beispielsweise dunkel gefärbt werden. Bei der beschriebenen
Ausführungsform kann das leicht erhalten werden, indem man die Oberfläche der Brücke 2 beispielsweise mit
dunklem oder gefärbten Sand 6, der mit einem Kunststoffschaumstoff
leim gebunden ist, bedeckt. Auch können (nichtgezeigte) Löcher oder Durchtritt in der Brücke 2 vorgesehen
sein, um die Durchdringung des Wassers, das über die Brücke gewaschen worden ist, zu gestatten. Anstelle daß Wasser über
die Brücke 2 wäscht, kann es möglich sein, wenn ein großes Akkumulatorvolumen verfügbar ist, diese aus einem weniger
wärmeisolierenden Material herzustellen, so daß die absorbierte
Wärme durch die Brücke 2 zu dem Körper des Wassers 7 geleitet wird.
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Die oben beschriebene Vorrichtung kann z.B. auf folgende Weise verwendet werden:
Wenn die Temperatur oberhalb der Brücke 2 hoher als unterhalb der Brücke ist, dann wird die Brücke normalerweise vom Frühling
an periodisch oder kontinuierlich mit Wasser von der Unterseite der Brücke mittels einer Pumpen/Bewässerungs-Vorrichtung
8 gewaschen. Hierdurch steigt die Wassertemperatur in 7 an (wenn möglicherweise unter der Brücke 2 zurückgebliebenes
Eis aufgeschmolzen ist). Im Sommer ist die Eisdecke 1 verschwunden und die Brücke 2 schwimmt sodann auf dem Körper
des Wassers 7. Während der warmen Jahreszeit kann der Körper des Wassers 7 zum Kühlen des wärmetragenden Mediums, das
durch das Rohrsystem 3 zirkuliert, verwendet werden, was zum Erhitzen des Wassers beiträgt. Während der kalten Jahreszeit
kann sodann die in dem Körper des Wassers gespeicherte Wärme für verschiedene Heizzwecke verwendet werden, beispielsweise
um Wärme an die Verdampferseite eines Wärmepumpensystems durch das wärmetragende Medium in dem Rohrsystem 3 abzugeben.
Wenn die Temperatur des Wassers 7 unter der wärmeisolierenden Brücke 2 durch Energieentzug auf O0C abgefallen ist, dann
beginnt bei fortgeführtem Wärmeentzug eine Eisbildung um die Rohre oder Schläuche 3 herum und gegebenenfalls wird
eine ganze Eisdecke 1 unter der Brücke 2 erhalten. Aufgrund der Tatsache, daß das Wasser 7 künstlich durch Entfernung
von Wärme durch das wärmetragende Medium zum Gefrieren gebracht wird und daß Wärme mit Einschluß von Schmelzwärme wegen
der isolierenden Brücke 2 nicht an die Umgebung als natürliche Wärmeabstrahlung und Gefrieren verloren geht, wird
die Wärmespeicherungskapazität des Körpers des Wassers 7 groß. Die Entnahme von Wärme aus dem Körper des Wassers 7
kann hierauf so lange weitergeführt werden, wie nicht-gefrorenes Wasser vorliegt.
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Die Entnahme von thermischer Niedertemperaturenergie im Winter
kann beispielsweise zwischen O und -5°C erfolgen. Wenn die Oberfläche des Körpers des Wassers 7 und der Brücke 2
beispielsweis 100 χ 100 m beträgt und Energie während der kälteren Jahreszeit so entnommen wird, daß die Dicke der
Eisdecke 1 auf 2 m unterhalb der Brücke 2 angewachsen ist, dann hat die Energieabnahme ausgenommen das Erhitzen des gesamten
Wassers und des unterliegenden Bodens etwa 2 Millionen kWh betragen, was den thermischen Niedertemperaturenergiebedarf
zum Erhitzen von mindestens 100 Häusern im Jahr durch eine Wärmepumpe beispielsweise im Norden von Schweden
deckt. In der Praxis begrenzt jedoch eine derart große Eisdicke trotz der guten thermischen Leitfähigkeit die Wärmeübertragung
zwischen dem Wasser und dem Rohrsystem 3 so stark, daß ein zu niedriger Abnahmeeffekt erhalten wird. Um Spitzenanforderungen
nachzukommen und zur gleichen Zeit in der Lage zu sein, die Energiekapazität des Wasserkörpers, der unter
der Brücke 2 eingeschlossen ist, maximal zu verwerten, ist daher das horizontale Rohrsystem 3 in geeigneter Weise entweder
durch Rohre oder Schläuche 3 ergänzt, die beispielsweise mittels Befestigungsrohrhaltern 4, die an der Brücke 2
befestigt sind, etwas unterhalb der Brücke angeordnet sind (in der Figur sind die Befestigungsrohrhalter 4 in der Stellung
gezeigt, die sie einnehmen, wenn die Eisdecke 1 geschmolzen ist). Das horizontale Rohrsystem kann auch mit
einem vertikal angeordneten Rohrsystem versehen sein. Zu diesem Zweck können z.B. Doppelrohre verwendet werden, die
durch in gleichen Abständen angeordnete Löcher in der Brücke 2 durchgeführt sind und die auf der Brücke in ihren Verbindungsrohren
mit Kupplungen hängen. Diese Rohre und Kupplungen sind geeigneterweise durch speziell angeordnete Aussparungen
in der Brücke 2 und durch die möglicherweise aufgebrachte Oberflächenschicht 6 verborgen.
809847/O7S1
45L
Um das Schmelzen des unter der Brücke 2 gebildeten Eises zu fördern oder um die Kapazität zu erhöhen und die Eisbildung
zu vermindern, kann Wasser von einem nicht-verwendeten Teil des Wasserkörpers oder von einem angrenzenden wäßrigen Boden
oder von Wasser eingepumpt werden. Gewünschtenfalls können z.B. zwei Brückensystene2 übereinander mit Zwischenmassen angeordnet
sein, so daß Energie an zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus abgenommen werden kann.
Anstelle daß man, wie oben beschrieben, die Oberfläche 6 der Brücke 2 als Sonnenenergiekollektor, der durch Wasser gewaschen
wird, verwendet, kann mindestens ein Teil davon mit Erde für Anpflanzungen etc. bedeckt sein. Große Brücken etc.
können auf diese Weise beispielsweise als Gelände für Ballspiele etc. verwendet werden. Die Tragfähigkeit der Brücke 2
kann dadurch verstärkt werden, daß man darauf achtet, daß die Eisdecke unter der Brücke selbst während der warmen Jahreszeit
immer mit der gewünschten erforderlichen Dicke gehalten wird. Indem man absichtlich eine dicke tragende Eisdecke
auf diese Weise während des gesamten Jahres beibehält, kann hierdurch ein Ersatz für Brücken etc. gegeben werden.
Eine größere Platte oder ein Brückensystem 2 kann als Landefeld verwendet werden. Sie bzw. es kann weiterhin als Gelände
für Häuser dienen.
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Claims (9)
- PatentansprücheVerfahren zum Speichern und Wiedergewinnen von ther-Lscher Niedertemperaturenergie aus einer Masse, die dazu imstande ist, thermische Niedertemperaturenergie zu speichern, durch Wärmeaustausch eines wärmetragenden Mediums gegen die Masse, dadurch gekennzeichnet , daß man mindestens ein kontinuierliches Bett auf oder in die Masse legt, wobei das Bett an seiner Unterseite ein Leitungssystem für das wärmetragende Medium trägt, so daß sich das Leitungssystem in Wärmeaustauschkontakt mit der Masse befindet.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse Wasser enthält und daß mindestens ein Teil der oberen Seite des hitzeisolierenden Bettes als Solarkollektor verwendet und mit Wasser von der Masse gewaschen wird.
- 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein kontinuierliches Bett (2), ein Leitungssystem (3)» das an die Unterseite d§s Bettes (2) fixiert ist, zum Transport eines wärmetragenden Mediums und eine Einrichtung zur Verbindung des Leitungssystems (3) mit Einlaß- und Auslaßleitungen für das wärmetragende Medium.
- 4. Vorrichtung nach Anspruch 3t dadurch gekennzeichnet , daß das kontinuierliche Bett (2) eine schwimmende Plattenkonstruktion (5) aus einem wärmeisolierenden Material ist.909847/0751
- 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η ζ e i c h ne t , daß das Material des Betts Kunststoffschaum oder an Torf gebundener Kunststoff schaum ist.
- 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungssystem (3) im wesentlichen horizontal angeordnete Rohre oder Schläuche, die direkt in dem Material des Betts fixiert sind, enthält.
- 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungssystem (3) weiterhin Rohre oder Schläuche, die sich unterhalb der Unterseite des Bettes (2) erstrecken, enthält.
- 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die obere Seite (6) des Bettes (2) mindestens teilweise so angeordnet ist, daß Sonnenstrahlung absorbiert wird.
- 9. Vorrichtung nach Anspruch β, dadurch gekennzeichnet , daß eine Pumpeinrichtung (9) zum Ansaugen von Wasser von der Unterseite des Bettes (2) und zum Waschen der Oberfläche (6) des Bettes (2) mit Wasser vorgesehen ist.. 909847/0751
Applications Claiming Priority (1)
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| SE7805459A SE426517B (sv) | 1978-05-12 | 1978-05-12 | Anordning for att lagra och utvinna lagtemperaturvermeenergi ur vattenhaltig massa |
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Family Applications (1)
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