DE4434442A1 - Wärmedämmung für Wärmespeicher mit optimiertem Werkstoffeinsatz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Mittel zur Dämm-Materialeinsparung oder zur Verbesserung der Dämmwirkung insbesondere bei Brauchwasser- und Heizungsspeichern. Bei herkömmlich isolierten derartigen Wärmespeichern erfolgt die Dämmung gegen Wärmeverluste durch einen Kunststoffschaum (z. B. Weich- oder Hart-Polyurethan) oder durch Mineralwolle, die um den z. B. warmes Wasser enthaltenden Behälter angeordnet sind. Die Wandstärke der Dämmung ist über die gesamte Speicherhöhe konstant.

Bei einigen Wärmespeichern ist der Deckelbereich stärker gedämmt, da hier wegen des konvektiven Wärmetransports im Speichermedium und der oben meist erhöhten Temperatur die Verlustströme sonst am größten sind.

Bei Warmwasserspeichern kommt zunehmend das Prinzip der geschichteten Be- und Entladung zur Anwendung, da hierdurch die Verfügbarkeit und Speicherkapazität erhöht, die mittlere Speichertemperatur jedoch verringert wird.

Bei der Einschichtung des warmen Wassers in den oberen Speicherbereich (Beladung) wird das darunter befindliche Wasser nach unten verdrängt. Entsprechend umgekehrt wird bei der Entladung des Speichers das kalte Wasser unten eingeschichtet und das wärmere Wasser nach oben verdrängt. Durch das beschriebene Schichtenspeicherprinzip nehmen die im statistischen Mittel anzutreffenden Temperaturen im Speicher von oben nach unten ab. Der Temperaturgradient zwischen warmem und kaltem Speicherwasser ist im Vergleich zu Speichern mit gemischter Beladung noch deutlich stärker ausgeprägt, da bei Speichern ohne Schichtenspeicherprinzip eine gleichmäßigere Erwärmung des gesamten Speichervolumens stattfindet.

Erfindungsgemäß kann eine Verbesserung der Dämmwirkung bei gleichem Materialeinsatz oder eine Materialeinsparung bei gleicher Dämmwirkung durch die Anpassung der Wandstärke erreicht werden. Die Wandstärke wird dabei so dimensioniert, daß die Gesamtwärmeverluste im zeitlichen Mittel minimal sind. Dies kann bei üblichen zylinderförmigen Speicherbehältern folgendermaßen erreicht werden:

• - Im seitlichen Speicherbereich ist eine Anpassung der Wandstärke an die lokale, zeitlich gemittelte Temperaturdifferenz zwischen Innen und Außen durch eine noch unten abnehmende Wandstärke möglich. Dies wirkt sich bei Schichtenspeichern noch stärker hinsichtlich einer Verbesserung der Dämmwirkung bzw. einer Kostenreduktion aus.
• - Je nach Geometrie des zu isolierenden Wandbereichs (flache, ein- oder zweidimensional gekrümmte Fläche) gibt es eine andere optimale Wandstärke.

Diese Geometriezusammenhänge werden anhand Fig. 1 im folgenden vereinfacht erläutert:
Das Dämmstoffvolumen setzt sich zusammen aus den Bereichen Deckel (1), Seitenbereich (2), und Boden (3):

V_ges = V_D + V_S + V_B.

Die Wärmeverluste des Speichers analog:

Q_ges = Q_D + Q_S + Q_B.

Bei vorgegebener Innengeometrie und Dämmvolumen lassen sich durch Bildung der Ableitungen des Gesamtwärmeverlustes nach den einzelnen Parametern der Außenabmessungen die optimalen Abmessungen der äußeren Form ermitteln, bei denen der Gesamtwärmeverlust minimal ist. Beispielhaft ist dies für eine einfache Formpaarung dargestellt. Der Innentank wird von einer zylinderförmigen Dämmung seitlich und einer flachen Dämmung im Deckel- und Bodenbereich umgeben. Die Temperaturdifferenz ΔT zwischen Speichermedium und Umgebung wird in der folgenden vereinfachten Darstellung als konstant über den gesamten Speicher angenommen und Konvektion im Speicher wird nicht berücksichtigt.

Ebenfalls wird die Konvektion an der Außenseite der Dämmung vernachläßigt. Der Fehler hierdurch im Vergleich zu realen Anordnungen ist klein, da der thermische Widerstand der Dämmung deutlich größer ist.

Das Dämmstoffvolumen ergibt sich mit dem Innenradius r, dem Außenradius r_z, der Zylinderhöhe h und der Plattendicke δ zu:

V_ges = π h(r²_z-r²)+2πr²δ.

Der Wärmeverlust durch Wärmeleitung (ohne Berücksichtigung der Verluste an den Stößen zwischen Zylinder und Deckel bzw. Boden) beträgt mit der Wärmeleitfähigkeit λ:

Bei Festlegung des Innenradius, der Zylinderhöhe und des Dämmstoffvolumens läßt sich mit der Volumenbeziehung aus der Ableitung dieser Gleichung implizit ein Außenradius und eine Plattendicke, für welche die Wärmeverluste minimal sind, bestimmen.

Beispiel: Zylinderhöhe h = 1,7 m, Innenradius r = 0,32 m, Dämmstoffvolumen V_ges = 0,605 m³. Die optimale Zylinderwandstärke beträgt in diesem Fall 125 mm, die der Deckel- und Bodenplatten 150 mm.

Aus diesem Rechenbeispiel ist ersichtlich, daß allein aus der geometrieabhängigen Optimierung des Werkstoffeinsatzes bei zylindrischen Speicherbehältern folgt, daß ein flacher Deckel stärker isoliert sein sollte, als der übrige Bereich. Verstärkt wird diese Tendenz durch die oben beschriebenen Gründe (Speicherschichtung, Konvektion im Speichermedium).

Für andere Formpaarungen ergeben sich ähnliche Zusammenhänge, gekrümmte Formen nutzen dabei den Dämmstoff besser aus als flache.

Die optimale Dimensionierung der Übergangsbereiche zwischen unterschiedlichen Geometrieabschnitten (im obigen Beispiel Seitenwand (2) und Deckel (1) bzw. Boden (3)) läßt sich nicht mehr mit einfachen mathematischen Beziehungen durchführen. Numerische Rechenverfahren nach der Finiten-Element-Methode sind hierfür geeignet. Grundsätzlich gilt jedoch erfindungsgemäß, daß beim Übergang von Zylinderwänden in flache Deckel (bzw. Böden) eine Materialreduzierung gegenüber einer Deckelisolation, die mit konstanter Wandstärke bis zum Außenradius der Seitendämmung geführt wird, erfolgen kann. Dies folgt (entgegen der herkömmlichen Auffassung, nach der Ecken besonders gut isoliert werden sollen) aus den oben erläuterten Optimierungsrechnungen, wonach stark gekrümmte Bereiche schwächer isoliert werden, als weniger gekrümmte.

Kostenreduktionen bei gleicher Dämmwirkung sind auch durch Lufteinschlüsse in Form von Aussparungen an der Innenseite der Isolation möglich, da unter günstigen Randbedingungen (bei geringer Konvektion) die Dämmwirkung von Luft den Dämmstoff ersetzen kann. Besonders günstig sind hohe enge Spalte, da sich die Konvektion bei dieser Spaltgeometrie durch die gegenläufigen Strömungen selbst behindert (s. a. Kast, W. u. H. Klan, Wärmeübergang durch freie Konvektion in geschlossenen Gas- und Flüssigkeitsschichten. VDI-Wärmeatlas 5/88).

Die Dämmwirkung von Isolationen mit derartigen Lufteinschlüssen kann durch Verringerung des Strahlungsanteils noch weiter verbessert werden. Rechnungen und Versuche haben ergeben, daß dies durch Einbringung von metallischen Folien oder Blechen auf der Innenseite der Dämmung durch den verringerten Absorptionskoeffizienten oder auf der Außenseite des Speicherbehälters durch den geringeren Emissionskoeffizienten geschehen kann.

Für Spalthöhen größer als 40 cm bei Spalttiefen geringer 2 cm im Seitenbereich des Speichers ergeben sich für Lufteinschlüsse unter Berücksichtigung des Strahlungs- und Konvektionsanteils gute Dämmwerte. Ohne Reflexionsfolien, d. h., bei hohen Emissions- bzw. Absorptionskoeffizienten für Strahlung sollten die Spalte nicht tiefer als 1 cm sein.

Die Maßnahmen zur Steigerung der Dämmwirkung bzw. zur Minimierung des Materialeinsatzes lassen sich anhand der Fig. 2-3 wie folgt einteilen:

Deckelbereich (1): Im Vergleich zur Seitenwand (2) dickere Wandstärke des Deckels (1) mit an den Rändern ausgeprägter Materialeinsparung.

Seitenbereich (2): Von oben nach unten abnehmende Wandstärke entsprechend der mittleren angenommenen Temperaturverteilung über die Lebensdauer.

Bodenbereich (3): Ausgeprägte Materialeinsparung am äußeren Rand und eine deutlich verringerte Dicke des Bodens (3), da die mittlere Speichertemperatur im unteren Speicherbereich kleiner ist als oben. Insbesondere unterhalb des Beladewärmetauschers oder des Einleitungspunktes z. B. bei externen Wärmetauschern können nur durch Wärmeleitung die darunter liegenden Wasserschichten erwärmt werden, da sich wegen der stabilen Wasserschichtung keine Konvektionsströmung einstellt.

Lufteinschlüsse und Strahlungsreflexionsfolien (siehe Fig. 3): Lufteinschlüsse (5) ermöglichen bei entsprechender geometrischer Gestaltung in allen beschriebenen Bereichen bei gleicher Dämmwirkung eine zusätzliche Materialeinsparung. Im Seitenbereich sind Lufteinschlüsse durch horizontale oder vertikale Nuten realisierbar. In Fig. 3 ist der seitliche Bereich der Speicherdämmung mit horizontalen Nuten (5) dargestellt. Die Dämmung ist mit Innentank im Schnitt dargestellt. Verringert werden kann der Anteil der Wärmeverluste durch Strahlung durch die Einbringung von metallischen Folien mit geringen Emissions/Absorptionskoeffizienten vorzugsweise an den Stellen mit besonders hohem Temperaturunterschied zur Umgebung d. h. im oberen Speicherbereich, seitlich und unter dem Deckel.

Erfindungsgemäß besonders geeignet für die Realisierung der beschriebenen Isolations- Formgebungen mit optimiertem Materialeinsatz sind Partikelschäume wie z. B. expandiertes Polypropylen oder expandiertes Polystyrol, letzteres gegebenenfalls in einer modifizierten, temperaturstabileren Form.

Claims (9)

1. Wärmedämmung für Wärmespeicher, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation so gestaltet ist, daß die Gesamtwärmeverluste bei gegebenem Dämmstoffvolumen minimal sind.

2. Wärmedämmung für Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weniger gekrümmte Wandbereiche bei gleicher Temperaturdifferenz zwischen innen und außen stärker gedämmt sind, als stärker oder in einer weiteren Dimension gekrümmte Wandbereiche.

3. Wärmedämmung für Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese am Rand des Deckelbereichs (1) und/oder Bodenbereichs (3) Abrundungen oder Schrägen aufweist.

4. Wärmedämmung für Wärmespeicher nach Anspruch 1, wobei das Speichermedium flüssig ist, und im zeitlichen Mittel oben höhere Temperaturen als unten vorliegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke der Speicherdämmung (2) von oben nach unten abnimmt.

5. Wärmedämmung für Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämmung innen zur Behälterwand des Speichers hin Materialaussparungen (5) aufweist.

6. Wärmedämmung für Wärmespeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämmung im seitlichen Bereich innen Materialaussparungen (5) in Form wenigstens einer horizontal oder vertikal angeordneten Nut aufweist.

7. Wärmedämmung für Wärmespeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämmung im Deckel- oder Bodenbereich eine oder mehrere schlitz- oder punktförmige Aussparung(en) aufweist.

8. Wärmedämmung für Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Luftspalten zwischen Innentank (4) und Dämmung (1, 2, 3) wenigstens eine vorzugsweise metallische Folie oder Blech mit geringen Emissions- bzw. Absorptionskoeffizienten für Wärmestrahlung (vorzugsweise metallisch) angebracht ist.

9. Wärmedämmung für Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß für den Dämmstoff Partikelschäume wie expandiertes Polypropylen oder expandiertes Polystyrol, letzteres gegebenenfalls in einer modifizierten, temperaturstabileren Form, eingesetzt werden.