DE4206695A1

DE4206695A1 - Jahreszeiten-waermeenergiespeicher

Info

Publication number: DE4206695A1
Application number: DE4206695A
Authority: DE
Inventors: Karlfried Cost
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-03-04
Filing date: 1992-03-04
Publication date: 1993-09-09

Description

Titel

"Jahreszeiten-Wärmeenergiespeicher"

Gattung

Die Erfindung betrifft einen Speicher, der Wärmeenergie mehrere Monate lang speichern kann.

Angaben zur Gattung

Zu dieser Gattung gehören die Gesteinsspeicher. Diese verwenden Steine als Wärmespeichermaterial.

Stand der Technik

Bekannt ist die Möglichkeit, mit erhitzen Steinen Wärmeenergie, auch in großen Mengen und über die Zeitdauer von mehreren Monaten hinweg, zu speichern.

Kritik des Standes der Technik

Die bisherigen Gesteinsspeicher sind zu teuer und zu stark an gewisse geologische Voraussetzungen gebunden. Die Maßnahmen zur Verhinderung von Wärmeenergieverlusten sind zu teuer oder nicht ausreichend. Die Verwendung von technisch hergestellten Wärmedämmstoffen ist mit großer Umweltbelastung verbunden.

Auch der Schutz gegen Regen verursacht bei den heutigen Konstruktionen erhebliche Kosten.

Dasselbe gilt für die Umhüllung oder seitliche Begrenzung. Die Langzeitbeständigkeit ist für viele Wärmedämmstoffe, Wasserabdichtungen und Bauteile der technischen Wärmespeicher nicht nachgewiesen bzw. nicht wahrscheinlich.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen und billigen Werkstoffen einen großen Wärmespeicher zu schaffen, der billig ist und sehr langlebig und dessen Wärmeenergieverluste über die jährlich sich wiederholende Speicherdauer von bis zu neun Monaten nur sehr gering sind.

Lösung

Die Aufgabe wird erfindungsmäßig derart gelöst, daß als Speichermedium Erde und Kies verwendet werden, die sehr billig sind.

Als Wärmetransportmedium wird Luft verwendet.

Als Wärmedämmung werden Erde und Stroh benutzt. Ebenfalls der Verhinderung von Energieverlusten dient die Gegenstromführung der Luft beim Laden und Entladen. Als Regenschutz kommen wasserverbrauchende Pflanzen, eine Drainage und eine Erdschicht zum Einsatz.

a) Der prinzipielle Aufbau

Ein großer Haufen Kies wird im Sommer von Heißluft (z. B. aus einem Sonnenkollektor) durchströmt und heizt sich dabei auf. Im Winter wird Kaltluft durchgeblasen und diese erhitzt sich an den heißen Kieselsteinen. Der als Heißluft aus dem Kiesspeicher austretende Luftstrom ist das Wärmeträgermedium und wird dem Energieverbraucher zugeführt.

Der Speicher muß groß sein, gut wärmegedämmt sein und im Gegenstromverfahren betrieben werden, damit die Wärmeverluste trotz der langen Speicherzeit gering sind.

b) Wärmedämmung

Wegen der relativen langen Speicherzeit von einigen Monaten ist eine gute Wärmedämmung sehr wichtig.

Zur Wärmedämmung wird eine ein bis zwei Meter dicke Schicht aus Strohballen verwendet.

Stroh ist ein sehr guter Wärmedämmstoff. Es steht in seinen Dämmeigenschaften hinter den technisch hergestellten Dämmstoffen nicht zurück.

Das Stroh wächst jährlich nach und es kann in der unmittelbaren Umgebung des Speichers gewonnen werden.

Die Strohballen haben eine Nutzungsdauer von mehreren Jahrhunderten, solange sie trockengehalten werden. Stroh ist aufgrund seiner Verholzung, des hohen Gehaltes an Silikaten (wirkt auf die Kleinlebewesen wie Scheuersand) und des Mangels an Eiweiß, Stickstoff, Phosphor usw. (das sind Nährstoffe für die Kleinlebewesen) sehr beständig gegenüber biologischem Abbau. Im Mittelalter sind die Ausfachungen in den Fachwerkhäusern mit einer Mischung aus Stroh und Lehm hergestellt worden und das Stroh hat bei diesem Anwendungszweck viele Jahrhundert überdauert, ohne zu verrotten.

Eine Dämmung aus Stroh ist darüber hinaus sehr billig und die spätere Entsorgung ist sehr einfach. Denn das Stroh kann später immer noch als Brennstoff oder Bodendünger verwendet werden werden.

c) Gegenstrombetrieb

Wir haben schon erwähnt, daß der Speicher möglichst groß sein soll und außen wärmegedämmt sein soll. Eine weitere sehr wirksame Maßnahme ist der Gegenstrombetrieb.

Der Kollektor wird im Sommerhalbjahr von innen heraus geladen. Die heiße Luft wird mittels eines Kanals in das Kollektorinnere geleitet und von dort durch die Kiesschicht von vielen Metern Dicke nach außen geblasen. In der äußeren Speicherschicht sind Rohre mit luftdurchlässiger Wandung verlegt. Mit diesen Rohren wird die Luft aus dem Speicher herausgeführt. Die nebenstehende Zeichnung zeigt den Speicher im Ladebetrieb (Sommerbetrieb).

Der Speicher heizt sich von innen her auf. Die heiße Zone erreicht den Randbereich erst gegen Ende des Sommerhalbjahrs. Erst dann können überhaupt Energieverluste nach außen auftreten. Vor diesem Zeitpunkt werden alle durch Wärmeleitung von innen her in die mittleren und äußeren Speicherbereiche vordringenden Wärmemengen durch die enorme Wärmekapazität dieser Bereiche quasi aufgesaugt und verbleiben auf diese Art im Speicher.

Die Entladung im Winterhalbjahr beginnt an der Außenseite. Die Luft wird von außen nach innen durch den Speicher hindurchgesaugt. Aus der Mitte wird die Heißluft entnommen und dem Energieverbraucher zugeführt.

Die Strömungsrichtung der Luft ist im Entladebetrieb (Winterbetrieb) entgegengesetzt zur Strömungsrichtung im Sommerbetrieb.

Der Außenbereich des Speichers ist schon nach wenigen Wochen wieder kalt, so daß keine Energieverluste an die Umgebung auftreten können. Energiemengen, die aus dem Speicherinneren durch Wärmeleitung in die äußeren Bereiche dringen wollen, werden durch die in Gegenrichtung einströmende Luft daran gehindert.

Die Energie wird im Kiesspeicher-Kern viele Monate lang gespeichert, durch den Gegenstrombetrieb sind die äußeren Speicherbereiche aber nur wenige Wochen im Betrieb. Entsprechend gering sind die Ganzjahres-Energieverluste dieses Speichers.

d) Verwendung von Erdreich zur Kiesersparnis

Der Kies ist in der Regel mit relativ hohen Transportkosten behaftet. Zu 90% kann man ihn durch Erdreich, das an Ort und Stelle oder in geringer Entfernung gewonnen wird, ersetzen. Damit ist eine sehr erhebliche Kosteneinsparung gegeben.

Es handelt sich bei dem Kies-Erdpeicher um einen großen Erdhaufen, der von Kieskanälen durchzogen ist. Wärmedämmung und äußere Abdeckung wie beim oben beschriebenen Kiesspeicher.

Die Kieskanäle sind luftdurchlässig und werden mittels eines Gebläses von Luft durchströmt. Sie dienen auf diese Art dem Wärmeenergietransport in den Speicher hinein oder heraus. Um die Kieskanäle herum befindet sich das Erdreich. Die Wärmeenergie wird durch Wärmeleitung quer zu den Kieskanälen ins das Erdreich hineingeleitet und bei der Entladung wieder herausgeleitet. Erde ist zwar kein besonders guter Wärmeleiter, aber es stehen bei einem Jahresspeicher je rund 100 Tage für den Ladevorgang und auch für den Entladevorgang zur Verfügung. Der Jahresspeicher ist ein Speicher mit sehr großer Kapazität, aber sehr geringer Lade- und Entladegeschwindigkeit. Deshalb ist die geringe Wärmeleitfähigkeit des Erdreichs für diesen Anwendungszweck kein Nachteil.

Im Gegenteil, die geringe Wärmeleitfähigkeit des Erdreichs bewirkt eine stark verbesserte Speicherwärmedämmung bei teilweise entleertem Speicher.

Die Kieskanäle sollen mäanderförmig von innen nach außen verlaufen, so daß der Speicher im Gegenstrombetrieb gefahren werden kann (Laden zuerst im Kern, späteres Entladen zuerst im Randbereich). Siehe nebenstehende Abbildung.

e) Abdeckung gegen Regen

Der Kies/Erdspeicher wird nach oben mit einer 1 . . . 2 m starken Erdschicht abgedeckt. Diese Schicht wird mit einer stark wasserverbrauchenden Pflanzenart bepflanzt. Aufgrund der von unten nachdringenden Wärme können die Pflanzen fast das ganze Jahr über wachsen und der Erdschicht Wasser entziehen. Bei gelegentlich auftretenden Wasserüberschüssen durch starke Regenfälle wirkt die Erdschicht als ein Pufferspeicher, so daß keine Feuchte in das Speicherinnere eindringen kann.

Im Sommer kann es sogar notwendig sein, den Speicher zu beregnen, damit die Pflanzen kräftig wachsen und damit eine dichte Pflanzendecke erhalten bleibt.

Es bietet sich an, den Pflanzenaufwuchs in irgendeiner Form zu verwerten. Man kann eine Baumschule oder dergleichen anlegen. Aufgrund der Wärme aus dem Untergrund und der Beregnung im Sommer sind die Wachstumsbedingungen ideal.

Die abdeckende Erdschicht bietet nicht nur Standort und Wurzelraum für die wasserentziehenden Pflanzen, sondern sie ist auch aufgrund ihrer Dicke eine gute Wärmedämmung.

Erdreich aus Bauaushub oder Wascherde von Zuckerrüben- oder Kartoffelverarbeitungsfabriken wird manchmal sogar kostenlos angeliefert.

f) Temperaturniveau

Je höher die Speichertemperatur ist, desto mehr Wärmeenergie kann gespeichert werden. Bei der Verwendung von Sonnenkollektoren zur Gewinnung der einzuspeichernden Energie sind solche mit einer Nutztemperatur von über 100 Grad Celsius in dieser Hinsicht vorteilhaft.

Weitere Ausgestaltung der Erfindung

Auf dem Jahreszeitenspeicher können wärmebedürftige und/oder bewässerungsbedürftige Pflanzen wachsen, Freiland- Gärtnereibetriebe, Gewächshäuser, oder auch ein Sportplatz angelegt werden. Ein warmer Boden, Bewässerungseinrichtungen und Drainage sind ja ohnehin vorhanden.

Auch ist es möglich, Gebäude auf dem Speicher zu errichten, welche unmittelbar vom Boden her beheizt werden. In den hier angesprochenen Fällen ergeben sich erhebliche Synergieeffekte, die offensichtlich sind und die Wirtschaftlichkeit des Jahreszeiten-Wärmespeichers weiter verbessern können.

Erzielbare Vorteile

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß billige Werkstoffe verwendet werden können,
daß die Lebensdauer viele Jahrhunderte betragen kann,
daß 90% der Masse des Wärmespeichers (Erde, Stroh) aus der unmittelbaren Umgebung gewonnen werden können und nicht mit Transportkosten behaftet sind,
daß aufgrund der sehr guten Wärmedämmung und der Gegenstromführung der Luft die Energieverluste sehr gering sind.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Bild 1

1 Erdschicht
2 Strohschicht
3 Kanal zur Lufthinführung beim Ladebetrieb
4 Kanal zur Luftwegführung beim Ladebetrieb
5 Bewegungsrichtung des Wärmeträgers Luft beim Ladebetrieb
6 Speicherinneres (Erde)
7 mäanderförmiger Kanal aus Kies zur Luftführung
8 Geländeboden.

Im Speicherladebetrieb im Sommer wird warme Luft entsprechend der eingezeichneten Pfeilrichtung in den Kollektor eingeleitet. Sie strömt durch den mäanderförmigen Kieskanal und wird im äußeren Bereich des Kollektors mit einem weiteren Kanal weggeführt.

Die Wärmeenergie der Luft geht an die Kieselsteine über, und von denen wird sie durch Wärmeleitung an das umgebende Erdreich weitergeleitet.

Der Speicher wird zuerst im inneren Bereich aufgeladen und erst später im äußeren Bereich.

Beim Speicherentladebetrieb im Winter wird die Luft in umgekehrter Richtung geführt. Sie entnimmt den Kieselsteinen Wärmeenergie und heizt sich dadurch auf. Die erhitzte Luft wird im Kollektorinneren entnommen und mit Kanal (3) abgeführt. Aus dem Erdreich gelangt Wärmeenergie durch Wärmeleitung in den Kieskanal (7).

Bild 2

Bezeichnung der Nummern wie Bild 1. Die Funktion ist im wesentlichen dieselbe wie bei Bild 1. Ladebetrieb: die Luft strömt allseitig vom Zentralschacht zu den Absaugstellen. Entladebetrieb: Die Luft strömt von den Punkten (4) zum Zentralschacht (3).

Bild 3

Kanäle in der Ausführung als konzentrische Kreise mit radialen Verbindungskanälen. Ansicht von oben.
9 Lufteinlaß bei Ladebetrieb
10 Luftauslaß bei Ladebetrieb.

Bei Entladebetrieb ist es genau umgekehrt.

Bild 4

Verlauf der Kanäle bei einem langgestreckten Speicher.
11 Kanäle
12 langgestreckter Speicher.

Wärmedämmung und Regenschutz sind nicht eingezeichnet.

Claims

1. "Jahreszeiten-Wärmeenergiespeicher", dadurch gekennzeichnet,
daß er aus einem großen Kieshaufen besteht,
und daß dieser Kieshaufen nach außen durch eine oder mehrere Deckschichten gegen Regen und gegen Wärmeverluste geschützt ist,
und daß als Wärmespeichermaterial der Kies dient,
und daß als Wärmetransportmedium Luft dient,
und daß beim Laden (im Sommer) die heiße Luft an zentraler Stelle in den Speicher eingeführt wird, durch den Kies nach außen strömt und auf ihrem Weg die Wärmeenergie an den Kies abgibt und als abgekühlte Luft entweder im äußeren Speicherbereich (aber noch innerhalb des Kiesbereiches, der von den Deckschichten begrenzt wird) mit Rohren oder Kanälen entnommen wird oder aber durch Öffnungen in der Deckschicht frei nach außen strömt, daß der Speicher somit zuerst im Kern geladen wird,
und daß beim Entladen (im Winter) die kalte Luft entweder von außen durch Öffnungen in den Deckschichten in den Speicher eintritt oder im äußeren Speicherbereich (aber noch innerhalb des Kiesbereiches, der von den Deckschichten begrenzt wird) mit Rohren oder Kanälen zugeführt wird, durch den Kies hindurchströmt, sich dabei erhitzt und als erhitzte Luft an zentraler Stelle entnommen wird, daß also der Speicher am Rand zuerst entladen wird und in der Mitte zum Schluß,
und daß die äußeren Randbereiche dadurch, daß sie im Winterhalbjahr zuerst entladen werden und daß die Luft beim Entladen von außen nach innen strömt, als zusätzliche Wärmedämmung für den inneren Speicherbereich wirken.

2. "Jahreszeiten-Wärmeenergiespeicher" nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kieshaufen durch einen Erdhaufen ersetzt wird, der von Kanälen durchzogen ist, die von der Luft durchströmt werden können.

3. "Jahreszeiten-Wärmeenergiespeicher" nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle aus einer Kiesschüttung bestehen und die Luft durch die Hohlräume zwischen den Kieselsteinen strömt.

4. "Jahreszeiten-Wärmeenergiespeicher" nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle aus Tonrohren, Betonrohren, Beton-U-Formen oder ähnlichem Material bestehen.

5. "Jahreszeiten-Wärmeenergiespeicher" nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle mäanderförmig oder spiralförmig von innen nach außen im Erdhaufen verlaufen derart, daß die äußeren Kanäle die inneren Kanäle nach Art der Zwiebelschalen oder der russischen Puppen umschließen.

6. "Jahreszeiten-Wärmeenergiespeicher" nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kanäle in konzentrischen Kreisen verlaufen, die mit radialen Kanälen untereinander verbunden sind, wobei jeder Verbindungskanal zum nächstinneren und nächstäußeren Verbindungskanal um etwa 180 Winkelgrad versetzt ist,
und insbesondere, daß die konzentrischen Kreise horizontal angeordnet sind, daß der innere Kreis mit einem luftdurchlässigen vertikalen Zentralschacht in Verbindung steht, und daß mehrere gleichartige Sätze von konzentrischen Kreisen horizontal übereinander angeordnet sind, wobei der Raum außerhalb der Kanäle durch Erde ausgefüllt ist.

7. "Jahreszeiten-Wärmeenergiespeicher" nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kanäle langgestreckt und parallel zueinander verlaufen, wobei der Speicher vorzugsweise eine langgestreckte Form aufweisen soll,
und daß die Kanäle parallel zur Längserstreckung des Speichers verlaufen, einige Kanäle sich im äußeren Speicherbereich befinden und einige Kanäle im Innenbereich, von den Außenkanälen umrahmt,
und daß beim Beladen des Speichers zuerst die inneren Kanäle benutzt werden und dann gegen Ende des Sommers die äußeren Kanäle,
und daß beim Entladen zuerst die äußeren Kanäle und gegen Ende des Winters die inneren Kanäle benutzt werden.

8. "Jahreszeiten-Wärmeenergiespeicher" nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß von einem senkrechten, luftdurchlässigen Zentralschacht ausgehend abwechselnd Erdschichten und Kiesschichten aufeinander folgen, die horizontal übereinanderliegen, wobei im Außenbereich des Speichers die Erdschichten durch Kies ersetzt werden, so daß im äußeren Bereich der Speicher wie nach Anspruch 1 arbeitet.

9. "Jahreszeiten-Wärmeenergiespeicher" nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung gegen Regen und Wärmeverlust aus einer dicken Strohschicht und einer darüberliegenden Erdschicht, die mit wasserverbrauchenden Pflanzen und einer Drainage versehen ist, besteht. Die Drainage leitet überschüssiges Regenwasser ab. Das Erdreich speichert das Regenwasser. Die Pflanzenwurzeln entziehen auch aus größerer Tiefe die Feuchtigkeit aus dem Boden.

10. "Jahreszeiten-Wärmeenergiespeicher" nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher mit Pflanzenanbau, Gärtnereibetrieben, Gewächshäusern, Sportplätzen, Wohn- und Nutzgebäuden auf seiner Oberfläche verbunden ist, insbesondere daß Synergieeffekte aus den beiden miteinander kombinierten Nutzungsformen die Wirtschaftlichkeit verbessern.