EP1204838A1

EP1204838A1 - Latentkälte-speicherverfahren und latentkälte-speicher für ein kaltwassernetz

Info

Publication number: EP1204838A1
Application number: EP00954327A
Authority: EP
Inventors: Peter Noeres; Daniel HÖLDER
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-08-16
Filing date: 2000-07-07
Publication date: 2002-05-15
Also published as: AU6683700A; DE19938725C1; WO2001013056A1

Abstract

Latentkälte-Speicherverfahren und Latentkälte-Speicher (1) für Temperaturen zwischen 2 und 12 °C zur Einbindung in ein Kaltwassernetze wobei Wasser als Transportmedium jeweils zur Kälteabgabe (Laden) und zur Kälteaufnahme (Entladen) an einem Speichermedium vorbei geführt wird, das vom Transportmedium durch eine Trennwand getrennt ist. Als Speichermedium (3) wird ein n-Tetradecan oder ein n-Pentadecan technischer Güte eingesetzt.

Description

Latentkälte-Speicherverfahren und Latentkälte-Speicher für ein Kaltwassernetz

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Latentkälte-Speicherverfahren sowie einen Latentkälte- Speicher für Temperaturen zwischen 2 und 12°C zur

Einbindung in ein Kaltwassernetz oder eine Kälteanlage, die mit Wasser als Kältemittel arbeitet.

Die Bereitstellung von Kaltwasser im Bereich von 2-12°C ist insbesondere in der Klimatechnik zur Kühlung einer Vielzahl von Objekten erforderlich. So wird Kaltwasser mit einer Vorlauftemperatur von 6° C beispielsweise zur Kühlung von Gebäuden eingesetzt. Ein weiteres Anwendungsfeld liegt im Bereich der chemischen Industrie und der Lebensmittelindustrie, in denen das Kaltwasser zur Produkt- und Lagerkühlung erforderlich ist .

Die Abkühlung des Wassers erfolgt bei diesen Anwendungen in der Regel mit einer geeigneten Kälte- maschine. Durch den zusätzlichen Einsatz von Speichersystemen können hierbei Energiekosten gesenkt werden, da die Kälteerzeugung zu einem Teil in die Niedertarif- zeit der Stromversorgung verschoben werden kann. Der Einsatz von Kälte-Speichersystemen ermöglicht weiterhin die Sicherung einer Kälte-Notversorgung sowie die Abdeckung von Spitzenkältelasten ohne eine entsprechende Überdimensionierung der Kältemaschine.

Im vorliegenden Bereich der Latentkälte- Speicherung für Kaltwassernetze oder Kaltwasser- kreisläufe werden bisher nur Kaltwasserspeicher eingesetzt, die beispielsweise als sogenannte Schichtspeicher oder als reine Pufferspeicher arbeiten. Bei diesen Speichern wird eine große abgekühlte Wassermenge in einem entsprechend dimensionierten und zur Umgebung hin isolierten Behältnis gelagert und bei Bedarf abgerufen. Ein wesentlicher Nachteil dieser Art von Speicher ist jedoch das große Speichervolumen, das zur Bereitstellung einer ausreichenden Menge an Kaltwasser erforderlich ist. Dieses große Speichervolumen bedingt einerseits einen ausreichenden Platzbedarf und ist zum anderen mit relativ hohen Kosten für die Bereitstellung der erforderlichen Behälter verbunden.

Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche weitere Verfahren zur Kältespeicherung bekannt, die jedoch nicht für die Einbindung in ein Kaltwassernetz geeignet sind.

So sind sogenannte Eisspeichersysteme bekannt, die entweder mit direktem Kälteübergang auf das zu kühlende Medium oder indirekt über ein zwischengeschaltetes Transportmedium auf Basis einer Sole arbeiten. Diese Eis- bzw. Solespeicher weisen eine hohe Speicherdichte auf und lassen sich mit relativ geringen Investitions- kosten verwirklichen. Zum Laden der Systeme sind allerdings je nach Ladezustand Temperaturen des zum Laden eingesetzten Transportmediums von -5°C bis -10°C erforderlich. Der Einsatz dieser Systeme in Kaltwassernetzen, bei denen das Wasser selbst als Transportmedium zum Laden und Beladen herangezogen werden soll, ist daher nicht möglich. Andererseits verursacht ein derartiges System bei indirekter Kühlung unter Einsatz einer Sole unnötig hohe Kälteerzeugungskosten, da zur Bereitstellung der tiefen Ladetemperaturen wesentlich niedrigere Verdampfertemperaturen der eingesetzten Kältemaschine benötigt werden, als dies für die Bereitstellung von Kaltwasser im Bereich von 2-12°C erforderlich wäre. Weiterhin verursachen die Bereitstellung eines zusätzlichen Solekreislaufes zum Be- und Entladen des Speichermediums sowie die größere Auslegung der Kältemaschine zusätzliche Investitionskosten. Aufgrund des vermehrten Einsatzes von kombinierten Kälte- und Wärmeversorgungskonzepten hat der Einsatz von Absorptionskältemaschinen auf Wasser/LiBr-Basis in Kaltwassernetzen deutlich zugenommen. Derartige Absorptionskältemaschinen können aufgrund des Einsatzes von Wasser als Kältemittel ebenfalls nicht mit Eis- und Solespeichern angetrieben werden.

Ein weiteres Kältespeicherverfahren für den Temperaturbereich von 2-12 °C arbeitet auf der Basis von Clathraten in Verbindung mit dem Kältemittel R11/R12. Der hohe Zersetzungsdruck bei derartigen Clathrat- speichern bedingt jedoch aufwendige und damit teure Druckbehälter. Neben den verwendeten FCKW's als Kältemittel wurde diese Art Speicher bisher mit keinem anderen Kältemittel eingesetzt.

Weiterhin sind Salzlösungen, wie beispielsweise wäßrige Lösungen an Glaubersalz, LiBr oder LiCl, als Kältespeichermedien bekannt. Glaubersalz und andere Salze sind jedoch zu teuer, um in größerem Umfang als Speichermaterial eingesetzt werden zu können. Weiterhin weisen diese Materialien aufgrund ihrer Korrosivität den Nachteil auf, daß bei ihrem Einsatz hochwertige Werkstoffe verwendet werden müssen. Ein weiteres, in vielen Temperaturbereichen sehr verbreitetes Speichermaterial ist Paraffin. So ist beispielsweise aus der DE 27 41 829 AI ein Latentwärmespeicher mit einem aus Paraffin bestehenden Speicher- medium bekannt, bei dem die Paraffinteilchen von einem Kunststoffilm ummantelt und in einem Behältnis eingefüllt sind, das von Wasser als Transportmedium für die Wärme durchströmt wird. Bei diesem Verfahren der Wärme- speicherung werden technische Paraffine mit einem Schmelzbereich zwischen 30 und 60°C eingesetzt, die mit geringen Kosten hergestellt werden können.

Technischen Paraffinen wird allerdings in der Fachwelt der Nachteil zugeschrieben, daß sie eine zu geringe Schmelzenthalpie aufweisen, um in vernünftigem Maße für die Kältespeicherung eingesetzt werden zu können. Für die Speicherung von Kälte werden daher in der Regel reine Paraffine verwendet, die jedoch aufgrund ihres aufwendigen Herstellungsprozesses sehr teuer sind. Der Einsatz von Paraffinen zur Kältespeicherung in einem Kaltwassernetz oder in einer Kälteanlage, die mit Wasser als Kältemittel arbeitet, ist der Anmelderin derzeit nicht bekannt. Dies liegt insbesondere daran, daß die im Temperaturbereich von 2-12°C zur Verfügung stehenden Paraffine einen sehr geringen Abstand ihrer

Schmelztemperatur vom Gefrierpunkt von Wasser haben. Zum Beladen des Speichermediums ist jedoch eine niedrigere Temperatur als die Schmelztemperatur des Speichermediums erforderlich, so daß Wasser zum Laden der entsprechenden Paraffine für den Fachmann nicht geeignet erscheint. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Latentkälte-Speicherverfahren sowie einen Latentkälte-Speicher bereitzustellen, die eine Kältespeicherung zwischen 2 und 12°C mit geringen Kosten und hoher Effizienz in einem Kaltwassernetz ermöglichen. Das erfindungsgemäße Verfahren soll weiterhin unter Verwendung bereits bestehender Speicheranlagen ohne große Modifikationen eingesetzt werden können .

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und dem Speicher gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und des Speichers sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Latentkälte-Speicherverfahren wird als Speichermedium ein n-Tetradecan (Cι₄H₃o) oder ein n-Pentadecan (Cι₅H₃₂) technischer Güte eingesetzt, das durch eine Trennwand von einem Volumen für das Kälte-Transportmedium getrennt ist. Das

Transportmedium wird durch das Wasser des Kaltwasser- netzes bzw. der Kälteanlage gebildet und zur Kälteabgabe (Laden des Speichermediums) bzw. zur Kälteaufnahme (Entladen des Speichermediums) direkt an der Trennwand zum Speichermedium vorbei geführt.

Bei einem Ladezyklus wird das Wasser vor dem Durchgang durch den Speicher in einer Kälteanlage, beispielsweise einer Absorptionskälteanlage, auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Speicher- mediums abgekühlt. Das Speichermedium kühlt sich mit diesem Wasser ab. Nach dem Ladevorgang kann erwärmtes Wasser an dem nun abgekühlten Speichermedium vorbei geführt werden, um dessen gespeicherte Kälte aufzu- nehmen bzw. Wärme an das kalte Speichermedium abzugeben. Es versteht sich von selbst, daß die Trennwand zwischen dem Speichermedium und dem Wasser aus einem ausreichend wärmeleitfähigen Material bestehen sollte.

Der erfindungsgemäße Latentkälte-Speicher besteht demgemäß aus einem oder mehreren Volumina für das Speichermedium, die von einem Volumen für das Transportmedium durch eine Wand getrennt sind. Das Volumen für das Transportmedium weist weiterhin einen Zu- und einen Ablauf auf. Das Speichermedium besteht bei dem erfindungsgemäßen Latentkälte-Speicher aus n-Tetradecan oder n-Pentadecan technischer Güte.

In der vorliegenden Anmeldung ist hierbei unter technischer Güte ein Reinheitsgrad der angegebenen Paraffine von ≤ 98% zu verstehen. Vorzugsweise bewegt sich der Reinheitsgrad des n-Tetradecans bzw. des n- Pentadecans technischer Qualität zwischen 92 Gew.% und 98 Gew.%. Bei diesen technischen Paraffinen ist der Unterkühlungseffekt aufgrund von Verunreinigungen relativ gering sowie der sich ergebenden Schmelzbereich relativ klein.

Es hat sich bei Messungen herausgestellt, daß das eingesetzte n-Tetradecan technischer Güte im Gegensatz zu den in der Fachliteratur anzutreffenden Werten eine relativ hohe Schmelzenthalpie von 227 kJ/kg aufweist. Mit diesem Speichermaterial läßt sich daher die Kälte auf effiziente Weise speichern.

Aufgrund ihres unterschiedlichen Schmelzpunktes bzw. Schmelzbereiches wird beim vorliegenden Verfahren n-Tetradecan vorzugsweise für den Bereich zwischen 2 und 6°C und n-Pentadecan vorzugsweise für den Temperaturbereich zwischen 8 und 12°C eingesetzt.

Das beim erfindungsgemäßen Verfahren und dem zuge- hörigen Speicher vorzugsweise eingesetzte n-Tetradecan hat einen Schmelzpunkt von 4°C und einen Erstarrungspunkt von 2,5 - 4°C. Kaltwassersätze bzw. Wasser-LiBr- Absorptionskältemaschinen wurden bisher in der Regel nur bis Kaltwassertemperaturen von 4°C betrieben. Bei niedrigeren Temperaturen wurde die Gefahr des rohr- seitigen Einfrierens im Verdampfer gesehen. Die Erfinder des vorliegenden Verfahrens bzw. des vorliegenden Kältespeichers haben jedoch herausgefunden, daß, insbesondere bei Gewährleistung eines annähernd konstanten Volumenstromes des Wassers durch die

Kältemaschine, auch Kaltwassertemperaturen von bis zu 1,5°C im Betrieb sichergestellt werden können, ohne ein Einfrieren des Wassers herbeizuführen. Zusätzliche Frostschutzmittel im Wasser sind hierbei nicht erforderlich.

Der Einsatz von n-Tetradecan in Kaltwassernetzen ist daher entgegen der bisher vertretenen Meinung ohne Probleme möglich.

Aufgrund der Verwendung von n-Tetradecan bzw. n- Pentadecan technischer Güte, die als Zwischenprodukt in der chemischen Industrie anfallen und daher in großen Mengen und zu günstigen Preisen erworben werden können, ist die Bereitstellung und der Betrieb des erfindungsgemäßen Speichers nur mit vergleichsweise geringen Kosten verbunden.

Der vorgeschlagene Latentkälte-Speicher benötigt deutlich kleinere Speichervolumina als die bisher auf dem Gebiet der Kaltwassernetze eingesetzten Kaltwasserspeicher. Das Volumen beträgt nur etwa 1/3 bis 1/5 des Volumens von Kaltwasserspeichern. Weiterhin ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren den Einsatz von am Markt verfügbaren Eisspeichersystemen, wie beispielsweise dem Eiskugelsystem oder dem Eisbanksystem, die nachfolgend näher erläutert werden, ohne größere Modifikationen. N-Tetradecan technischer Qualität steht in ausreichenden Mengen zur Verfügung und ist sehr kostengünstig erhältlich. Das gleiche gilt für n-Pentadecan. Beide

Stoffe sind weder toxisch noch aggressiv und können in Verbindung mit PP und HDPE bzw. Standardwerkstoffen eingesetzt werden.

Für den Betrieb des erfindungsgemäßen Speichers sind keine Solesysteme zum Be- und Entladen erforderlich, welche zusätzlich vom Kaltwassernetz beispielsweise über Plattenwärmeüberträger entkoppelt werden müßten. Weiterhin fallen gegenüber diesen Systemen geringere Betriebskosten und niedrigere Anlagekosten im Bereich der Kältemaschine an.

Ein besonderer Vorteil des vorgestellten Verfahrens sowie des vorgestellten Speichers besteht darin, daß sie eine Latentkälte-Speicherung für thermische Kälteprozesse, beispielsweise für Wasser-

LiBr-Absorptionskältemaschinen, ermöglichen. Gerade für diesen Maschinentyp ist zur Gewährleistung besserer Betriebsbedingungen der Einsatz von Kältespeichern von großem Vorteil.

Der vorgeschlagene Latentkälte-Speicher kann mit normalem Kaltwasser ohne Glykolzusätze beladen werden. Die direkte Einbindung in ein Kaltwassernetz ist daher ohne weitere Probleme oder Maßnahmen in vorteilhafter Weise möglich.

Gegebenenfalls können zur Erhöhung der Sicherheit hinsichtlich des Einfrierens geringe Mengen an handelsüblichen Korrosionsschutzmitteln beigegeben werden. Auch durch regelungstechnische Maßnahmen, wie beispielsweise der Aufrechterhaltung eines konstanten Volumenstromes durch die Kälteanlage, kann die Sicherheit zusätzlich erhöht werden.

Vorzugsweise werden für die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des erfindungsgemäßen Speichers die bereits bekannten Eisspeichersysteme, das Eiskugelsystem und das Eisbanksystem, eingesetzt. Beim Eiskugelsystem wird das Speichermaterial in Kugeln mit bis zu 10cm Durchmesser abgefüllt. Diese Kugeln besitzen ein geringes Puffervolumen zum Ausgleich von thermischen Volumenänderungen. Die für Eis- und Solesysteme bekannten Füllkörper können hier ohne Probleme eingesetzt werden, da bei Eis/Wassersystemen die

Volumenänderung am Erstarrungspunkt wesentlich größer ist als im vorliegenden Fall. Die gefüllten Kugeln werden als Kugelschüttung in einen Behälter verfüllt. Die Kugelschüttung wird vom Kaltwasser als Transport- medium durchströmt, wobei das Kaltwasser je nach

Ladezustand des Speichermediums abgekühlt oder erwärmt wird. Selbstverständlich können die Füllkörper hierbei auch eine von der Kugelform abweichende Form aufweisen.

Beim Eisbanksystem wird das Kaltwasser durch Rohre gepumpt, die in einem größeren Volumen bzw. Behälter verlaufen, der mit dem Speichermedium gefüllt ist. Beim Beladen des Speichers mit Kaltwasser erstarrt das Ό | ^•d cn o d Φ d cn SH -d d m

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den Fall, daß die gleiche Lade- und Entladeleistung gewünscht ist, wie sie herkömmliche Eisspeicher bieten.

Die Einbindung des erfindungsgemäßen Latentkälte- Speichers in ein Kaltwassernetz wird anhand der Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei wird vorzugsweise durch Einsatz einer Lade- bzw. Entladepumpe in Verbindung mit geeigneten Armaturen eine ausreichende Regelgüte für die Kaltwasservorlauf- temperatur bzw. die Kaltwasserrücklauftemperatur entsprechend der örtlichen Rahmenbedingungen sichergestellt. Vorzugsweise sind am Zu- bzw. Ablauf des Kaltwassers vom Kältespeicher Temperatursensoren vorgesehen, die einer Steuereinrichtung die jeweiligen Temperaturen übermitteln. Die Steuereinrichtung steuert die Lade- bzw. Entladepumpe in Abhängigkeit von dieser übermittelten Temperatur, um eine konstante Vor- bzw. Rücklauftemperatur gewährleisten zu können.

Das erfindungsgemäße Latentkälte-Speicherverfahren, der erfindungsgemäße Latentkälte-Speicher sowie deren Einbindung in ein Kaltwassernetz werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals erläutert.

Hierbei zeigen:

Figur 1 ein Beispiel für die Einbindung einer

Ausführungsform des Latentkälte-Speichers in ein Kaltwassernetz;

Figur 2 ein weiteres Beispiel für die Einbindung einer Ausführungsform des Latentkälte- Speichers in ein Kaltwassernetz; und Figur 3 ein drittes Beispiel für die Einbindung einer Ausführungsform des Latentkälte-Speichers in ein Kaltwassernetz.

Bei den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen wird das erfindungsgemäße Speicherverfahren anhand einer Ausführungsform auf Basis des Eiskugel- syste s erläutert. Es versteht sich von selbst, daß alle nachfolgend gezeigten Beispiele analog auf das Eisbanksystem anwendbar sind. Die Anbindung an das Kaltwassernetz erfolgt analog zu herkömmlichen Eisspeichertechniken. Bei den dargestellten Beispielen werden zusätzlich eine Ladepumpe, ein Stellventil und ein Regelventil eingesetzt.

Die in den drei Figuren dargestellte Ausführungsform des Latentkälte-Speichers 1 besteht aus einem Behältnis 2, in dem mit dem Speichermaterial gefüllte Kugeln 3 eingefüllt sind. Das Behältnis weist einen Zu- und einen Ablauf 4, 5 auf, über die das Kaltwasser in das Behältnis 2 einströmen bzw. aus diesem Ausströmen kann.

Figur 1 zeigt hierbei eine hydraulische Verschal- tung mit dem Kaltwassernetz, bei der der Speicher 1 dezentral im Kaltwassernetz vorgesehen werden kann. Eine derartige Verschaltung bietet sich insbesondere bei größeren Kaltwassernetzen oder bei einem Kältenetz an, bei dem zwischen Kälteverteiler und Kälteerzeuger- kreis nicht unterschieden wird.

Im vorliegenden Beispiel ist der Kaltwasserrücklauf 6, der Wasser mit einer Temperatur von 8-12°C aufweist, über eine Entladepumpe Pl mit dem Zu- bzw. κo 1 d Φ | TJ CQ

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Figur 3 zeigt schließlich ein Realisierungs- beispiel, bei dem aufgrund der geringen Druckverluste innerhalb des Speichers 1 auf Lade- bzw. Entladepumpe verzichtet werden kann. Der Anwendungsbereich betrifft wiederum den Einsatz in einer Kältezentrale. Auf eine genaue Einstellung der Kaltwasservorlauftemperatur wird bei dieser Anordnung verzichtet. Das Speichersystem selbst besteht wiederum aus den gleichen Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorangegangenen Figuren. In diesem Falle wird der Speicher 1 ohne zusätzliche Armaturen direkt zwischen Netzvorlauf 7 und Netzrücklauf 6 geschaltet. Der Lade- und Entladevorgang kann durch geeignete Steuerung der Leistung der Kaltwasserpumpe P3 des Verdampferkreises sowie der Netzpumpe P4 geregelt werden.

Selbstverständlich kann auch in diesem Fall durch Vorsehen eines Bypaßes mit einem Bypaßregelventil wie bei Figur 2 die Kaltwasservorlauftemperatur konstant gehalten werden.

Claims

Patentansprüche

1. Latentkälte-Speicherverfahren für Temperaturen zwischen 2 und 12°C für ein Kaltwassernetz oder eine Kälteanlage mit Wasser als Kältemittel, bei dem Wasser als Transportmedium jeweils zur Kälteabgabe (Laden) und zur Kälteaufnahme (Entladen) an einem Speichermedium vorbei geführt wird, das vom Transportmedium durch eine Trennwand getrennt ist, wobei als Speichermedium ein n-Tetradecan oder ein n- Pentadecan technischer Güte eingesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium in kugelförmigen Umhüllungen (3) bereitgestellt wird, die in einen Behälter (2) eingefüllt und vom Transportmedium umströmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium in einem Behältnis (2) bereitgestellt wird, in dem ein oder mehrere Rohre verlaufen, durch die das Transportmedium geführt wird.

4. Latentkälte-Speicher zur Einbindung in ein Kaltwassernetz oder eine Kälteanlage mit Wasser als

Kältemittel, mit einem oder mehreren Volumina für ein Speichermedium, die von einem Volumen für ein Transportmedium durch eine Wand getrennt sind, sowie einem Zulauf (4) und einem Ablauf (5) für das Transportmedium, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium ein n-Tetradecan oder ein n-

Pentadecan technischer Güte ist.

5. Latentkälte-Speicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium von kugelförmigen Umhüllungen (3) umschlossen wird, die in einen Behälter (2) eingefüllt sind, der den Zulauf (4) und den Ablauf (5) für das Transportmedium aufweist.

6. Latentkälte-Speicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium in ein Behältnis (2) eingefüllt ist, in dem ein oder mehrere Rohre verlaufen, die das Volumen für das Transportmedium bilden.

7. Latentkälte-Speicher nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Zulaufes (4) oder des Ablaufes (5) eine Lade- bzw. Entladepumpe (Pl, P2) vorgesehen ist.

8. Latentkälte-Speicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperatursensor (9, 14) im Bereich des Zulaufes (4) oder des Ablaufes (5) sowie eine Steuerung vorgesehen sind, die die Leistung der Lade- bzw. Entladepumpe (Pl, P2 ) in Abhängigkeit von der durch den Temperatursensor (9, 14) erfaßten Temperatur des

Transportmediums steuert.