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Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmespeicher nach dem
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Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Vor allem vom Frühling an, über den ganzen Sommer bis in den Herbst
hinein fällt Sonnenenergie in groBer Menge an. Um diese Wärmeenergie für den Winter
speichern zu können, sind sogenannte Langzeitwärmespeicher erforderlich, welche
imstande sind, Wärmeenergie bis zu neun Monate ohne nennenswerte Verluste zu speichern.
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Aus der DE-PS 27 00 822 ist ein Langzeitwärmespeicher nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bekannt. Zur Aufnahme des bekannten Speichers dient dabei eine in
der Erde vorgesehene Ausnehmung, wobei als Wärmespeichermasse Erdreich zwischen
die einzelnen Rohrleitungswicklungen gebracht wird.
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Um Wärmeenergie mit diesem Wärmespeicher ein halbes Jahr und länger
speichern zu können, muß der Speicher jedoch sehr groß ausgelegt werden. Dies führt
insbesonderW dort zu Problemen, wo kein ausreichender Platz zur Errichtung eines
solchen großen Wärmespeichers zur Verfügung steht.
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Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst
die Aufgabe, einen Langzeitwärmespeicher bereitzustelen, der bei verhältnismäßig
geringem Platzbedarf eine hohe Wärmespeicherkapazität aufweist.
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Neben geringem Platzbedarf bei hoher Wärmespeicherkapazität weist
der erfindungsgemäße Wärmespeicher einen geringen Verlust an Wärmeenergie durch
Wärmeemission insbesondere dann auf, wenn gemäß dem Anspruch 8 das erste Wärmespeicherteil
mit der zwischen 30 und 1200C siedenden Wärmespeichermasse von einem zweiten Wärmespeicherteil
umgeben ist, das als wärmespeichermasse das etwcsweniger warme Erdreich aufweist.
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Der erfindungsgemäße Wärmespeicher kann praktisch überall eingebaut
werden, d.h. sowohl im Keller eines Gebäudes, total versenkt im Erdboden oder halb
versenkt im Erdboden, wenn z.B. der Grundwasserspiegel verhältnismäßig hoch liegt,
ferner über dem Terrain, wenn örtlich Felsboden ansteht oder in Form eines gebäudeähnlichen
Körpers.
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Sind besonders große Wärmemengen X speichern, z.B. bei der Speicherung
von Industrieabwärme oder bei einer für eine ganze Wohnsiedlung bestimmten Wärmespeicheranlage,
sokönnen mehrere erfindungsgemäße Wärmespeicher z.B. in Reihe angeordnet werden.
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Der zur Aufnahme der zwischen 30 und 1200C schmelzenden Wärmespeichermasse
vorgesehene Behälter läßt sich, gegebenenfalls mit der Wärmedämmschicht versehen,
industriell vorfertigen. Die Errichtung des erfindungsgemäßen Wärmespeichers ist
dadurch verhältnismäßig einfach. Die Größe des Behälters wird dabei so gewählt,
daß er mit einem geläufigen Lastkraftwagen transportiert werden kann.
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Die große Wärmespeicherkapazität der im Bereich zwischen 30 und 1200C
schmelzenden Wärmespeichermasse, z.B. von im Bereich von 40 und 90"C schmelzendem
Paraffin , ist darauf zurückzuführen, daß die Wärmespeichermasse bzw. das Paraffin
beim Abkühlen nicht nur Wärme entsprechend der spezifischen Wärme abgibt, sondern
beim Erstarren auch die Schmelzwärme Nachstehend ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Wärmespeichers anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 einen Längsschnitt
durch einen Wärme speicher nach der Erfindung;
Figur 2 einen Schnitt
durch den-Wärmespeicher entlang der Linie--I in Figur 1; Figur 3 einen in einem
Xellergeschoß eines Gebäudes angeordneten erfindungsgemäßen Wärmespeicher; Figur
4 einen in einem Gebäude angeordneten Wärmespeicher, auf dessen Dach als Wärmeenergiequelle
Sonnenkollektoren vorgesehen sind.
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Der in Figur 1 und 2 dargestellte Wärmespeicher besteht im wesentlichen
aus einem ersten Wärmespeicherteil 1 und einem zweiten Wärmespeicherteil 2.
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Das erste Wärmespeicherteil 1 weist-einen zylindrischen Blechbehälter
3 auf, der einen Durchmesser und eine Höhe von z.B. etwa 2 Metern aufweist. Der
Blechbehälter 3 ist auf seiner Außenseite-mit einer Wärmedämmschicht 4 versehen,
die vorzugsweise aus Steinwolle besteht. Auf die Wärmedämmschicht 4 ist eine Aluminiumfolie
5 aufgebracht.
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In dem ersten Wärmespeicherteil 1 sind nebeneinander angeordnet drei-Rohr-
oder Schlauchleitungen, vorzugsweise Kupferrohrleitu-ngen 6, 7 und 8, in S piralform
angebracht.
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Die drei splralförmigen, nebeneinander angeordneten Rohrleitungen
6, 7 und 8 im ersten Wärmespeicherteil 1 bestehen dabei aus einer AuBenspirale 9
und einer daran konzentrisch angeordneten Innenspirale 10.
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Durch die ,erste Rohrleitung 6 strömt dabe-i das im geschlossenen
-Kreislauf- von einer Energiequelle dem ersten Wärmespeicherteil 1 zugeführte Wärmeträgermedium.
Durch die zweite Rohrleitung 7 strömt das Wärmeträgermedium von dem ersten Wärmespeicherteil
-1 im geschlossenen Kreislauf
zu einem Verbraucher, beispielsweise
einer Fußbodenheizung, während das Wärmeträgermedium in der dritten Rohrleitung
8 zur dauernden Erwärmung von Brauchwasser dient, also beispielsweise für die Warmwasserbereitung
von Küche und Bad in einem Wohngebäude.
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In der Rohrleitung 7,beispielsweise für eine Fußbodenheizung, strömt
normales Wasser. In der Rohrleitung 6 , mit der dem ersten Wärmespeicherteil 1 von
der Energiequelle Wärmeenergie zugeführt wird, strömt als Wärmeträgermedium eine
Flüssigkeit mit einem Siedepunkt von mehr als 140"C, beispielsweise Wasser, das
mit einer entsprechenden Menge eines Siedepunkt erhöhenden Mittels versetzt ist
(z.B.
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Antifro-3en N der Firma Bayer). Die Rohrleitung 8 für die Brauchwasser-Erwärmung
wird von Leitungswasser durchströmt.
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Falls das erste Wärmespeicherteil 1 auf eine Temperatur von mehr als
95QC erwärmt wird, muß jedoch in den Rohrleitungen 7 und 8 eine Flüssigkeit strömen,
die , wie das Wärmeträgermedium in der Rohrleitung 6, einen Siedepunkt aufweist,
der deutlich über der maximalen Temperatur des ersten Wärmespeicherteils 1 liegt.
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Das Wärmeträgermedium in den Rohrleitungen 7 und 8, die zum Verbraucher
führen, läuft im Gegenstrom zum Wärmeträgermedium in der Rohrleitung 6, das von
der Energiequelle kommt.
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Weiterhin wird das von der Energiequelle kommende in der Rohrleitung
6 fließende Wärmeträgermedium der Innenspirale 10 des ersten Wärmespeicherteils
1 zugeführt, während das zum Verbraucher in den Rohrleitungen 7 und 8 strömende
Wärmeträgermedium der Außenspirale 9 des ersten Wärmespeicherteils 1 entnommen wird.
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Die Wärmespeichermasse Im- Beh-älter -des ersten- Wärmespeicherteils
1 besteht aus Paraffin oder einem ähnlichen, aleichwertigen Material, das in einem
Temperaturbereich zwischen 40 und 900C, beispielsweise zwischen 40 und -600C, schmilzt.
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Das Paraffin wird durch eine an dem Behälter 3 oben vorgesehene, nicht
darvestellte Füllöffnung im flüssigen Zustand eingebracht.
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Auf der Wärmespeichermasse bzw. dem Paraffin'ist zum-Schutz vor Sauerstoff
eine mehrere Zentimeter dicke Schicht 12 aus einem hitze- und alterungsbeständigen
51 vorgesehen. Ein dünnes Belüftungsrohr 13 ist zum Volumenausgleich der Wärmespeichermasse
11 bzw. des Paraffins vorgesehen.
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Das erste Wärmespeicherteil 1 ist in der Mitte des zweiten WärmespeicherÜeiis
2 angeordnet. Die Wärmespeichermasse 14 des zweiten Wärmespeicherteils 2 wird durch
Erdreich, vorzugsweise feuchten, mit Steinen vermischten Lehm gebildet.
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Wärmeverluste des ersten Wärmespeicherteils 1 gehen so auf den zweiten
Wärmespeicherteil 2 über, wobei der zweite Wärmespeicherteil 2 größenmäßig nach
der zusätzlich erforderlichen Wärmespeicherkapazität bzw. den vorhandenen Raummöglichkeiten
ausgelegt ist.
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Zur Errichtung des zweiten Wärrespeicherbeiis2wird mit einem feinen
Sand zunächst eine nicht dargestellte Feinplane hergestellt, auf der eine Schicht
15 beispielsweise: aus Polypropylenplatten , die mit einem Abdichtband miteinander
verbunden sind, angeordnet'wird. Auch kann eine dünne- Polyäthylenfolie verwendet
werden.
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Nunmehr erfolgt die Errichtung des Isolierniauerwerks 16, welches
aus Hohlblocksteinen besteht, die in den Hohlteilen bereits massiv mit Polystyrol
ausgefüllt sind. Derartige,
einen sehr niedrigen k-Wert aufweisende
Hohlblocksteine sind im Handel erhältlich. Statt Mörtel wird das Mauerwerk 16 mit
etwa einem Zentimeter starken Polystyrolstreifen aufgemauert, und zwar als Zwischenlage
sowohl waagrecht als auch senkrecht.
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Das im quadratischer oder leichter Rechteckform aufgemauerte Isoliermauerwerk
16 wird nun innen am Boden mit einer Wärmedämmschicht 17 z.B. einer Polysty:olplattenisolierung
ausgelegt. Zur weiteren Isolierung gegen Wärmeverlust und um einen Verlust der Erdfeuchtigkeit
zu verhindern, ist auf der Wärmedämmschicht 17 noch eine Aluminiumfolie 18 überlappt
aufgebracht.
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Sodann wird lagenweise die Wärmespeichermasse 14, also feuchte Erde
, eingebracht. Gleichzeitig werden zwei nebeneinander angeordnete Rohr- oder Schlauchleitungen
19 und 20, vorzugsweise Kupferrohrleitungen oder Kunststoffschläuche, in Spiralform
in die Wärmespeichermasse 14 bzw. das feuchte Erdreich des zweiten Wärmespeicherteils
2 eingebaut.
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Die beiden spiralförmigen, nebeneinander angeordneten Rohrleitungen
19 und 20 im zweiten Wärmespeicherteil 2 bestehen dabei aus einer Außenspirale 21,
einer dazu konzentrisch angeordneten Innenspirale 22, sowie aus oberhalb und unterhalb
dem ersten Wärmespeiherteil 1 angeordneten Spiralen 23 und 24.
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Durch die eine Rohrleitung 19 im zweiten Wärmespeicherteil 2 strömt
dabei das im geschlossenen Kreislauf von der Energiequelle den zweiten Wärmespeicherteil
2 zugeführte Wärmeträgermedium, und durch die Rohrleitung 20 das im geschlossenen
Kreislauf von dem zweiten Wärmespeicherteil 2 zum Verbraucher, also z.B. zur Fußbodenheizung'
strömende Wärmeträgermedium.
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Das Wärmeträgermedium strömt in den beiden Rohrleitungen 19 und 20
im Gegenstromprinzip.
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Weiterhin wird das von der Energiequelle kommende, in der Rohrleitung
19 strömende Wärmeträgermedium zunächst der Innenspirale 22 des zweiten Wärmespeicherteils
2 zugeführt, und strömt dann über die Außenspirale 21 zurück zur Energiequelle.
Das zum Verbraucher bzw. zur Fußbodenheizung in der Rohrleitung 20 strömende Wärmeträgermedium
wird hingegen der Innenspirale 22 entnommen und strömt von dem Verbraucher bzw.
der Fußbodenheizung zunächst in die Außenspirale 21.
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Durch das erwähnte Gegenstromprinzip wird die von dem Wärmeträgermedium
an der Energiequelle aufgenommene, im zweiten Wärmespeicherteil 2 geführte Wärmeenergie
sofort von der Rohrleitung 19 an die Rohrleitung 20 abgegeben, die zum Verbraucher
bzw. zur Fußbodenheizung führt.
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Damit die Speichererde ständig feucht bleibt, wird gleichzeitig mit
der Einbringung derselben ein perforierter Schlauch mit eingebaut, welcher in gewissen
Zeitabständen mit Wasser beschickt wird.
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Der Abschluß des zweiten Wärmespeicherteils 2 nach oben ist gewölbeartig
ausgebildet, wobei auf die Wärmespeichermasse 14 bzw. das Erdreich zunächst wieder
die Aluminiumfolie 18 überlappt ausgebreitet wird, und sodann die Wärmedämmschicht
17 auf der Aluminiumfolie 18 angeordnet wird.
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Als weiterer Abschluß wird dann die Absclußisolierung 15, also Polypropylenhohlplatten
oder eine Polyäthylenfolie aufgebracht.
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Zur Angleichung an die Natur oder einen Garten wird der gesamte Wärmespeicher
in der Folge mit Kulturerde 25 abgedeckt, begrünt und bepflanzt. Dabei wird zur
Ausbildung von
steileren Böschungen die Verwendung von Böschungssteinen
aus Fertigbeton oder die Aufmauerung mit Rasenziegeln oder Steinplatten 26 durchgeführt.
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Der Betrieb des erfindungsgemäßen Wärmespeichers erfolgt folgendermaßen:
Wärmespeicherungsvorgang: Sobald außerhalb der Heizperiode, also insbesondere'im
Spätfrühling, Sommer und Frühherbst, die Energiequelle imstande ist, das Wärmeträgermedium
auf eine Temperatur zu erhöhen, die höher ist als die Temperatur der Wärmespeichermasse
14 bzw. der Erde im'zweiten Wärmespeicherteil 2, was durch entsprechende Temperaturfühler
festgestellt wird, beginnt der Wärmespeicherungsvorgang. Dabei wird das von der
Energiequelle erwärmte Wärmeträgermedium mittels einer Pumpe der Innen spirale 22
der Rohrleitung 19 im zweiten Wärmespeicherteil 2 zugeführt.
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Erreicht die Temperatur der Wärmespeichermasse 14 bzw. der Erde im
zweiten Wärmespeicherteil 2 eine Temperatur, die der der Wärmespeichermasse 11 bzw.
des Paraffins im ersten Wärmespeicherteil 1 entspricht, so wird durch eine nicht
dargestellte Steuereinrichtung die Zufuhr des von der Energiequelle erwärmten Wärmeträgermediums
über die Rohrleitung 19 zum zweiten Wärmespeichereil 2 unterbrochen und stattdessen
das von der Energiequelle erwärmte Wärmeträgermedium der Innenspirale 10 der Rohrleitung
6 des ersten Wärmespeicherteils 1 zugeführt.
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Sinkthingegen die Temperatur des von der Energiequelle kommenden Wärmeträgermediums
wird dessen Zufuhr zur Rohrleitung 6 des ersten Wärmespeicherteils 1 von der Steuereinrichtung
dann unterbrochen, wenn die Temperatur des von der Energiequelle kommenden Wärmeträgermediums
geringer ist als die Temperatur der Wärmespeichermasse 11 bzw. des Paraffins in
dem ersten Wärmespeicherteil 1, wobei dann das von der Energiequelle kommende Wärmeträgermedium
solange
über die Rohrleitung 19 in das zweite Wärmespeicherteil
2 strömt, bis die Temperatur des Wärmeträgermediums auf die Temperatur der Wärmespeichermasse
14 bzw. der Erde im zweiten Wärmespeicherteil 2 abgesunken ist. Dann schaltet die
Steuereinrichtung die Pumpe, die das Wärmeträgermedium von der Energiequelle dem
Speicher zuführt, ab, d.h. der Wärmespeicherungsvorgang wird unterbrochen.
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Wärmeentnahmevorgang: Für den Betrieb während der Heizperiode, also
in der kühleren Jahreszeit, ist die Steuereinrichtung so ausgelegt, daß, sobald
die Energiequelle das Wärmeträgermedium auf eine für die Raumheizung, z.B.
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Fußbodenheizung, brauchbare vorgegebene Temperatur von beispielsweise
350C erwärmt hat, das von der Energiequelle kommende Wärmeträgermedium zunächst
direkt der Fußbodenheizung zugeführt wird. Wenn die Steuereinrichtung ein Uberangebot
an Wärmeenergie in dem von der Wärmeenergie,uelle kommenden Wärmeträgermedium feststellt,
beginnt der vorstehend beschriebene WaräemspeicherIncrsvorgang Ist die Temperatur
des von der Energiequelle kommenden Wärmeträgermediums hingegen geringer als die
vorgegebene Temperatur von beispielsweise 35dz, so beginnt die Beheizung der Raum
- bzw. Fußbodenheizung aus dem Wärmespeicher, wobei, gesteuert von der Steuereinrichtung,
über die Rohrleitung 20 zunächst von dem zweiten Wärmespeicherteil 2 erwärmtes Wärmeträgermedium
zur Heizung strömt, solange bis die Temperatur des Wärmeträgermediums auf die vorgegebene
Temperatur von 3500-abgesunken ist.
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Sodann wird der Heizung, gesteuert durch die Steuereinrichtung, über
die Rohrleitung 7 erwärmtes Wärmeträgermedium zugeführt. Ein zwischen dem Wärmespeicher
und der Heizung eingebautes , von der Steuereinrichtung gesteuertes
Ventil
sorgt automatisch dafür, daß der Heizung das Wärmeträgermedium genau mit der vorgegebenen
Temperatur zugeführt wird.
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Diewarm-Brauchwasser -Aufbereitung erfolgt aufgrund der höheren Temperatur
und der höheren Wärmekapazität ausschließlich mit dem ersten Wärmespeicherteil 1.
Dazu ist im ersten Wärmespeicherteil 1 die dritte Kupferrohrleitung 8 vorgesehen.
Da im ersten Wärmespeicherteil 1 die Wärme weit über 1000C betragen kann, strömt
in der Rohrleitung 8 vorzugsweise ebenfalls eine Flüssigkeit, die einen Siedepunkt
von erheblich mehr als 1000C aufweist. Zur Erzeugung des warmen Brauchwassers mit
der gewünschten Temperatur ist dann ein Flüssigkeits-Wasser-Wärmeaustauscher mit
Thermostat und Wasserpumpe zwischen dem ersten Wärmespeicherteil 1 und den Verbraucher
geschaltet.
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Gemäß Figur 3 ist der erfindungsgemäße Wärmespeicher 1, 2 im Keller
27 eines Gebäudes 28 angeordnet. Dadurch kommt etwaige vom Speicher 1, 2 nach außen
abgegebene Wärmeenergie der Beheizung des Gebäudes 28 zugute.
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Gemäß Figur 4 ist der erfindungsgemäße Wärmespeicher 1, 2 in einem
Gebäude 28' angeordnet, wobei auf dem Dach 29 des Gebäudes 28' als Energiequelle
Sonnenkollektoren zur Adsorption von Sonnenstrahlung vorgesehen sind.
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Der erfindungsgemäße Wärmespeicher ist neben der Speicherung von Sonnenwärmeenergie
vor allem zur Speicherung von Industrieabwärme geeignet, da Zeitverschiebungen zwischen
anfallender Wärme und Wärmebedarf über viele Monate, ja sogar von Sommer bis Winter,
überbrückt werden können. Es sei daran erinnert, daß ca. 20 z des Energieverbrauchs
durch
die Rückgewinnung von Industrieabwärme eingespart werden
könnten.