EP3126768A1 - Wärmespeicheranordnung und verfahren zum betrieb einer solchen - Google Patents

Wärmespeicheranordnung und verfahren zum betrieb einer solchen

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EP3126768A1
EP3126768A1 EP15709874.0A EP15709874A EP3126768A1 EP 3126768 A1 EP3126768 A1 EP 3126768A1 EP 15709874 A EP15709874 A EP 15709874A EP 3126768 A1 EP3126768 A1 EP 3126768A1
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EP
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heat
storage
thermal insulation
insulation layer
hollow bodies
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15709874.0A
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Inventor
Ferdinand Schmidt
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Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the present invention relates to a heat storage arrangement and a method for operating such.
  • the heat storage arrangement contains an inner storage tank, an inner heat-insulating layer at least partially surrounding the inner storage tank, a device for transferring a heat loss layer passing through the inner heat-insulating layer of the inner storage tank to a heat transfer fluid and a heat pump containing an evaporator.
  • the device for transmitting the heat flow is hydraulically connectable to the evaporator of the heat pump.
  • solar thermal combined systems are systems that serve both domestic water heating and heating support. These plants usually have at least one hot water tank, which is provided with thermal insulation in order to heat lessen the memory.
  • the term "heat losses of the storage” or in short “storage losses” is understood here to mean the self-discharge of the storage due to the heat flow through the thermal insulation to the environment.
  • Typical combination storage tanks according to the prior art have a heat loss rate of about 4 W / K at a volume of 1,000 liters. In a medium
  • the storage medium here is water throughout, it can immediately serve as a heat carrier fluid through which heat exchangers (for example radiators) flow.
  • phase change In latent heat storage, a phase change (usually solid) is used to increase the usable heat capacity in a given temperature interval.
  • the phase change material (PCM, eg water / ice, salt hydrates or paraffin) can either be an unencapsulated substance directly fill a storage tank into which a heat exchanger is integrated, or the phase change material can be integrated into a composite (eg a graphite matrix to increase the thermal conductivity) are formed from the shaped body such as plates, which are brought into heat exchange with a heat transfer fluid.
  • An encapsulation of the phase change material in macrocapsules or microcapsules is also known, wherein the macrocapsules can be introduced directly into a storage container, so that a heat transfer fluid can flow between the capsules.
  • PCS Phase change slurries
  • a suspension of PCM microcapsules in a heat transfer fluid or of an emulsion consist of a suspension of PCM microcapsules in a heat transfer fluid or of an emulsion.
  • the use of PCS in a heat accumulator for buildings is described in EP 1 798 487 B1.
  • sorption storage and thermochemical storage are known.
  • the main problems of the sorption reservoirs to date are high costs, not yet available sorption materials with regard to the requirement of the application (in particular storage density and long-term stability) and not yet mature concepts for system integration in building energy systems.
  • thermal storage The most important goals in the further development of thermal storage are the increase of the usable energy density and, if necessary, the heat transfer performance of the storage (if the storage medium is not also heat transfer fluid) and the increase in storage efficiency, which is defined as the energy usable in the storage discharge in relation to the Storage charge spent energy.
  • the reduction of heat loss plays a key role in sensitive and latent heat storage.
  • An important approach here is improved thermal insulation (eg by evacuated highly porous insulating materials such as perlite or fumed silica, so-called vacuum super insulation).
  • thermal storage are known, which are used in combination with solar and heat pump systems.
  • thermal storage are known, which are used in combination with solar and heat pump systems.
  • DE 20 2006 012 871 Ul a water / ice storage is described, the
  • Uniformization of the heat supply of a heat pump is used and is located in the flow of the heat pump evaporator.
  • the heat losses to the environment represent a hitherto unavoidable disadvantage.
  • the heat loss rate of hot water storage tanks in W / K is not greater than 0.16 x ⁇ / ⁇ ⁇ with the nominal volume V n in liters.
  • the heat loss rate is 16 W / K and the heat losses / day at
  • Soil as a heat source can not be developed or only with great effort and possibly unreasonable burdens on the building users.
  • electric heat pumps that use air as a source of heat can usually achieve little more than the primary efficiency of gas fired boilers in the building stock - with annual work figures of 2.6.
  • EP 2532940 A2 describes a pressure-loadable segment memory which can be designed in such a way that the individual segments need not be pressure-resistant at their contact surfaces.
  • the hydraulic connection between The individual segments can be realized by means of pipe grommets that seal when filling the memory under pressure due to the pressure resulting from the pressure to the outside.
  • Object of the present invention is therefore to provide a heat storage arrangement that significantly increases the total energy efficiency of the system with low cost in solar thermal combined systems with a heat pump as an alternative heating system.
  • the heat storage arrangement should be advantageously usable in cases where the solar heat storage is outside the insulated building envelope, as is often the case with energetically renovated existing buildings.
  • the solution according to the invention should be so executable that a temporal flexibilization of the heat pump operation (load displacement / load decoupling) is made possible according to aspects that are independent of the current heat demand of the building and the current solar radiation offer.
  • This object is related to a heat storage arrangement with the Characteristics of claim 1 and with respect to a method for operating a heat storage arrangement having the features of claim 15.
  • the respective dependent claims are advantageous developments.
  • a heat storage arrangement which comprises an inner storage tank, an inner heat-insulating layer at least partially surrounding the inner storage tank, a device disposed on the side of the thermal-barrier layer facing away from the inner storage tank for transferring a heat loss layer of the inner storage tank passing through the inner heat-insulating layer to a heat - Includes meffyfluid and a heat pump containing an evaporator.
  • the device for transmitting the waste heat flow is hydraulically connectable to the evaporator of the heat pump.
  • the loss heat flow of an insulated heat accumulator can be absorbed at a low temperature level and supplied to the evaporator of a heat pump.
  • the system according to the invention has the advantage that heat storage of solar thermal combined systems can be arranged outside the insulated building envelope, without the heat flow is lost to the heating system through the thermal insulation of the memory.
  • the primary energy cost of the heating system compared to solar thermal combination systems according to the prior art can be reduced with the same collector and memory size.
  • Combi systems in conjunction with a heat pump reduce the primary energy costs or increase the solar coverage. This is achieved by utilizing the heat losses of the accumulator to raise the temperature level in the evaporator circuit of the heat pump, so that the heat pump can achieve a higher annual operating efficiency.
  • the device for transmitting a heat flow is designed as a sheath storage, wherein the sheath memory, a fluid or a phase change material (PCM), which may be in thermal contact with the heat transfer fluid contains.
  • PCM phase change material
  • a further preferred embodiment provides that the device for transmitting a heat flow is designed as a heat exchanger and contains no further memory elements.
  • an outer heat-insulating layer is disposed on the side of the inner heat-insulating layer facing away from the device, wherein the heat transfer resistance of the inner thermal barrier coating is greater than the heat transfer resistance of the outer thermal barrier coating. Due to the outer heat-insulating layer, a condensation of atmospheric moisture on the outside of the storage arrangement can be avoided since the water vapor contained in the ambient air can not reach the cold surfaces of the heat storage arrangement. In this case, relatively diffusion-tight (closed-cell) insulating materials can be used as the outer thermal barrier coating.
  • the device formed as a sheath storage is formed by at least two, preferably made of plastic, hollow body, each having an outer wall and an inner side and an outer side, wherein the shape of the at least two hollow body adapted to the surface of the inner thermal barrier coating is and each two adjacent hollow body of the at least two hollow bodies have a common contact surface.
  • the at least two hollow bodies are in this case substantially form-fitting around the arrangement of inner storage container and inner thermal barrier coating arranged around.
  • extrusion blow molding offers a cost-effective production process.
  • a further preferred embodiment provides that in each case one of the at least two hollow bodies, and in each case a part of the inner thermal barrier coating and optionally each part of the outer thermal barrier coating is integrated in each one of at least two prefabricated elements, wherein the at least two prefabricated elements substantially form - Are arranged around the inner storage container around.
  • a further preferred embodiment of the heat storage arrangement according to the invention provides that the inner thermal barrier coating consists of a hard foam and substantially positively abuts a wall of the inner storage container, also the outer wall of the at least two hollow body and / or optionally the outer thermal barrier coating is made hard enough, in order to limit a deformation of the outside of the hollow body, and the at least two hollow bodies are held in position by at least one tensile structure, preferably a steel drawstring, wherein the at least one tensile structure on an outer periphery of the assembly comprising the inner storage container inner heat-insulating layer, which is arranged at least two hollow body and optionally the outer thermal barrier coating.
  • This arrangement prevents the hollow bodies from bulging too much at the common contact surfaces. Furthermore, by the support on the inner
  • the at least two hollow bodies are designed such that they have at least one fluid passage at each contact surface to an adjacent hollow body, which is sealed by a pressure applied via the zugbelastbare structure contact pressure to the outside, and the at least two hollow body in addition a total of two more Have fluid connections on its outer side, so that on the at least two hollow bodies, a fluid circuit is constructed, through which all existing hollow body can be flowed through.
  • the at least two hollow bodies are designed so that they have two fluid passages at different heights at each contact surface to an adjacent hollow body and also each have a tensile structure in the respective height of these two fluid passages. In this way, the contact pressure can be maximized. In addition, if two fluid passages are present at different heights, a thermal stratification in the hollow bodies can occur as a result of the buoyancy forces.
  • the at least two prefabricated elements are designed so that heat-conducting planar elements rest in the regions on the inner heat-insulating layer, in which a heat flow from the inner storage container to the at least two
  • the sheath storage contains at least one phase change material (PCM), which has a melting point between -5 ° C and 30 ° C.
  • PCM phase change material
  • the PCM is preferably ice here if the refrigerant used in the heat pump allows operation below 0 ° C.
  • the jacket reservoir contains at least one phase change slurry (PCS) which is pumpable and can be used to transfer heat to the heat pump evaporator, the PCS containing at least one phase change material (PCM) having a melting point between 5 ° C and 30 ° C.
  • PCS phase change slurry
  • PCM phase change material
  • the melting point of the at least one phase change material is between 4 ° C and 20 ° C.
  • the refrigerant used in the heat pump is preferably water.
  • a further preferred embodiment of the heat storage arrangement according to the invention provides that the evaporator of the heat pump in addition to the shell memory with at least one other heat source is connected, at least a serial flow of the further heat source, the shell memory and the evaporator of the heat pump with the heat transfer fluid allows in this order becomes. In this way, a temporal flexibility of the heat pump operation (load displacement / load decoupling) can be made possible.
  • the heat pump is a sorption heat pump, in which water is preferably used as the refrigerant.
  • the heat pump is a thermally driven heat pump (in particular sorption heat pump)
  • the temporal flexibility is relevant if the heat source of the heat pump is coupled to a power generator (cogeneration). Due to the high mass-specific heat of evaporation of water, the highest (annual) operating figures can be achieved with water as the refrigerant for sorption heat pumps, provided that suitable low-temperature heat sources are available.
  • the present invention is also directed to a method for operating a heat storage arrangement according to the invention, wherein heat from a heat source, preferably a solar thermal system, introduced into the inner storage tank and used after removal to cover a heating and / or hot water demand, wherein the heat - Additional heat pump is also used to cover the heating and / or hot water demand, characterized in that when the heat of the inner storage tank in a foreseeable future time, preferably within the next two to four days, probably not alone Cover heat and / or hot water requirements, the heat pump is switched on before a complete discharge of the inner storage container periodically to cover the heating and / or hot water demand in the way that on average over the storage period of the device for transmitting a heat flow of the evaporator the heat pump receives at least the waste heat flow from the inner storage tank.
  • a heat source preferably a solar thermal system
  • Whether the heat of the inner storage tank alone can cover the heating heat and / or hot water demand in a specific time can be assessed, for example, by means of a predictive control.
  • the device for transmitting a heat flow is designed as a sheath storage, this is preferably operated in a temperature range between 0 ° C and 20 ° C.
  • the volume of the jacket storage is then preferably dimensioned so that the heat flow from the inner storage tank over a period of 8 hours at most leads to a temperature increase of 10 K in the shell memory. This achieves a temporal flexibility with regard to the heat pump operation, which can be used, for example in the case of compression heat pumps, to take electricity grid loads and fluctuating electricity prices into account.
  • the heat pump is an electric heat pump, it is possible to use the sheath accumulator for charging the inner storage container with high power, preferably in times of favorable electricity supply.
  • a further preferred variant of the method according to the invention provides that the heat pump is a thermally driven heat pump, preferably a sorption heat pump, and drive heat for the heat pump is provided by an additional heat source, preferably a burner or a CHP plant.
  • a further preferred variant of the method according to the invention provides that, when falling below a first threshold temperature in the inner storage tank, the heat and / or hot water demand is primarily covered by the heat from the heat pump when a second threshold temperature is exceeded in the heat flow transfer apparatus. and the coverage of the heating heat demand otherwise takes place primarily by the heat from the inner storage tank.
  • the inner storage tank is used as a layer heat storage, wherein the heat pump additionally introduces heat into a central region of the inner storage tank. In this way, the annual yield of the solar system can be increased.
  • Fig. 1 shows a detail of a cross section through a part of a heat storage arrangement according to the invention.
  • An inner storage container 1 is surrounded by an inner thermal barrier coating 2.
  • a device 3 for transmitting a passing through the inner thermal barrier coating 2 heat loss of the inner storage tank 1 to a heat transfer fluid, which is designed as a shell memory.
  • a heat transfer fluid which is designed as a shell memory.
  • an outer thermal barrier coating 5 is arranged on the side facing away from the inner thermal barrier coating 2 side of the designed as a shell memory device 3.
  • the jacket store is made up of a plurality of hollow bodies which have been produced by extrusion blow molding from a suitable plastic (for example HDPE). The individual hollow bodies are shaped so that they can be positively arranged around the inner storage container 1 and the inner thermal insulation layer 2.
  • the device 3 shows a part of a device 3 for transferring a heat loss stream passing through the inner thermal barrier coating 2 of the inner storage tank 1 onto a heat transfer fluid from various perspectives.
  • the device 3 is designed as a sheath storage and is constructed from hollow bodies.
  • the connection of the hollow body is made by a quick connection system with flexible hose pieces 6 and prefabricated on the hollow body attached fittings 7.
  • Such quick connectors are known from solar thermal collectors and are usually realized there because of the high temperature requirements with stainless steel corrugated pipes. From the heating technology are also tool-free mountable quick connectors for plastic / metal composite pipes known that may be suitable here (eg plug-in fittings).
  • the connecting pieces 7 In the region of the connecting pieces 7 are on the hollow bodies indentations or recesses, which allow a connection of the elements in a form-fitting arrangement around the inner storage container 1 around.
  • the entirety of the hollow body is connected by a Tichelmann interconnection in order to achieve the most uniform possible flow through the elements.
  • perforated tubes 9 are arranged within the storage elements between the connecting pieces 7, which together with the connecting pieces represent the distributor and collector of the Tichelmann interconnection.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmespeicheranordnung enthaltend einen inneren Speicherbehälter, eine den inneren Speicherbehälter zumindest bereichsweise umgebende innere Wärmedämmschicht, eine auf der dem inneren Speicherbehälter abgewandten Seite der Wärmedämmschicht angeordnete Vorrichtung zur Übertragung eines durch die innere Wärmedämmschicht tretenden Verlustwärmestroms des inneren Speicherbehälters auf ein Wärmeträgerfluid und eine einen Verdampfer enthaltende Wärmepumpe, wobei die Vorrichtung mit dem Verdampfer der Wärmepumpe hydraulisch verbindbar ist.

Description

Wärmespeicheranordnung und Verfahren zum Betrieb einer solchen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmespeicheranordnung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen. Die Wärmespeicheranordnung enthält dabei einen inneren Speicherbehälter, eine den inneren Speicherbehälter zumindest bereichsweise umgebende innere Wärmedämmschicht, eine Vorrichtung zur Übertragung eines durch die innere Wärmedämmschicht tretenden Verlustwärmestroms des inneren Speicherbehälters auf ein Wärmeträgerfluid und eine einen Verdampfer enthaltende Wärmepumpe. Die Vorrichtung zur Übertragung des Wärmestroms ist dabei mit dem Verdampfer der Wärmepumpe hydraulisch verbindbar.
Im Bereich der Gebäudeenergieversorgung und der thermischen Solarenergienutzung versteht man unter solarthermischen Kombianlagen solche Anlagen, die sowohl der Brauchwassererwärmung als auch der Heizungsunterstützung dienen. Diese Anlagen weisen in der Regel mindestens einen Warmwasserspeicher auf, der mit einer Wärmedämmung versehen ist, um Wärmever- luste des Speichers zu verringern. Unter„Wärmeverluste des Speichers" oder kurz„Speicherverlusten" wird hier die Selbstentladung des Speichers aufgrund des Wärmestroms durch die Wärmedämmung an die Umgebung verstanden. Typische Kombispeicher nach dem Stand der Technik haben bei 1.000 Liter Volumen eine Wärmeverlustrate von ca. 4 W/K. Bei einer mittleren
Temperaturdifferenz zu einem unbeheizten Aufstellungsraum von 35 K und einer Heizperiode von 8 Monaten (September bis April) summieren sich diese Wärmeverluste auf ca. 800 kWh. Bei Kombianlagen kommen, insbesondere bezüglich der Brauchwassererwärmung, verschiedene Speicherausführungen zum Einsatz, von denen die wichtigsten von Peuser (F. A. Peuser, K.-H. Remmers und M. Schnauss: Langzeiterfahrung Solarthermie, Solarpraxisverlag, ISBN 3-934595-07-3, 2001) beschrieben werden. Bezüglich der Klassifikation thermischer Energiespeicher handelt es sich dabei durchweg um sensible Wärmespeicher, die also Wärme durch
Temperaturerhöhung eines Mediums (ohne Phasenwechsel) speichern. Da das Speichermedium hier durchweg Wasser ist, kann es sogleich als Wärme- trägerfluid dienen, mit dem Wärmeübertrager (z.B. Heizkörper) durchströmt werden.
In den letzten Jahren wird verstärkt an Konzepten gearbeitet, um bei Kombianlagen den solaren Deckungsgrad am Gesamtwärmebedarf eines Gebäudes zu erhöhen. Dazu ist gegenüber heute typischen Kombisystemen sowohl eine Vergrößerung der Kollektorfläche als auch eine Erhöhung der Wärmekapazität des Speichers erforderlich. Das Konzept des„Solar-Aktiv-Hauses" setzt dabei auf sehr große Speichervolumina bei Warmwasserspeichern, wobei langfristig die Entwicklung neuartiger thermochemischer Wärmespeicher mit einer gegenüber Warmwasserspeichern um den Faktor 8 höheren Energiedichte angestrebt wird. Ein weiterer in den letzten Jahren verstärkt verfolgter Ansatz zu Gebäudeenergieversorgung ist die Kombination von thermischer Solarenergienutzung mit elektrischen Wärmepumpen.
Bei der latenten Wärmespeicherung wird ein Phasenwechsel (meist festflüssig) zur Erhöhung der nutzbaren Wärmekapazität in einem gegebenen Temperaturintervall genutzt. Das Phasenwechselmaterial (PCM, z.B. Wasser/Eis, Salzhydrate oder Paraffin) kann entweder als unverkapselter Stoff direkt einen Speicherbehälter ausfüllen, in den ein Wärmeübertrager integriert ist, oder das Phasenwechselmaterial kann in einen Komposit (z.B. eine Graphitmatrix zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit) integriert sein, aus dem Formkörper wie z.B. Platten gebildet sind, die mit einem Wärmeträgerfluid in Wärmeaustausch gebracht werden. Auch eine Verkapselung des Phasenwech- selmaterials in Makro kapseln oder Mikro kapseln ist bekannt, wobei die Mak- rokapseln direkt in einen Speicherbehälter eingebracht werden können, so dass zwischen den Kapseln ein Wärmeträgerfluid strömen kann. Es sind auch Phasenwechselfluide (phase change slurries, PCS) bekannt, die aus einer Suspension von PCM-Mikrokapseln in einem Wärmeträgerfluid oder aus einer Emulsion bestehen. Der Einsatz von PCS in einem Wärmespeicher für Gebäude wird in der EP 1 798 487 Bl beschrieben. Weiterhin sind Sorptionsspeicher und thermochemische Speicher bekannt.
Hauptprobleme der Sorptionsspeicher sind bisher hohe Kosten, noch nicht verfügbare Sorptionsmaterialien bzgl. der Anforderung der Anwendung (insbesondere Speicherdichte und Langzeitstabilität) und noch nicht ausgereifte Konzepte zur Systemintegration in Gebäudeenergiesysteme.
Die wichtigsten Ziele bei der Weiterentwicklung thermischer Speicher sind die Erhöhung der nutzbaren Energiedichte und ggfs. der Wärmeübertragungsleistung der Speicher (sofern das Speichermedium nicht zugleich Wärmeträgerfluid ist) sowie die Erhöhung der Speichereffizienz, die definiert ist als bei der Speicherentladung nutzbare Energie im Verhältnis zur bei der Speicherladung aufgewendeten Energie. Zur Erhöhung der Speichereffizienz kommt bei sensiblen und latenten Wärmespeichern der Reduzierung von Wärmeverlusten eine Schlüsselrolle zu. Ein wichtiger Ansatz besteht hier in verbesserter Wärmedämmung (z.B. durch evakuierte hochporöse Dämmmaterialien wie Perlite oder pyrogene Kieselsäure, sog. Vakuumsuperisolation). Bei gegebener Speicherkapazität besteht ein enger Zusammenhang zwischen Energiedichte und Speichereffizienz, da ein Speicher mit höherer Energiedichte in einem kleineren Volumen und somit mit kleinerer Oberfläche realisiert werden kann, so dass bei gleicher Qualität der Wärmedämmung auch die Wärmeverluste ver- ringert werden. Da Latent-Wärmespeicher (und erst recht Sorptions- und thermochemische Speicher) aufgrund der Materialkosten in der Herstellung deutlich teurer sind als Wasserspeicher und zudem bei den meisten bekannten Bauformen die Wärmeübertragungsleistung ein limitierender Faktor ist, wurde nach Möglich- keiten gesucht, die Vorteile von Latent- oder Sorptionsspeichern (hohe Energiedichte bzw. auch deutlich reduzierte Wärmeverluste) mit denen von Wasserspeichern (kostengünstig, hohe Wärmeübertragungsleistung) zu kombinieren. Als Ergebnis dieser Bemühungen sind verschiedene Kombispeicher bekannt. Beispielsweise beschreibt die EP 2204618 A2 einen Warmwasserspei- eher, der um den Wassertank im oberen Bereich einen Mantel enthält, der mit einem PCM gefüllt ist.
Weiterhin sind thermische Speicher bekannt, die in Kombination mit Solarund Wärmepumpensystemen genutzt werden. Beispielsweise wird in der DE 20 2006 012 871 Ul ein Wasser/Eisspeicher beschrieben, der der
Vergleichmäßigung der Wärmezufuhr einer Wärmepumpe dient und sich im Vorlauf des Wärmepumpen-Verdampfers befindet.
Die Kombination einer Absorptionskältemaschine/-wärmepumpe mit einem Latentspeicher wird in der WO 2006/100047 A2 beschrieben. Hierbei ist der
Latent-Wärmespeicher in den Kondensatorkreis der Absorptionswärmepumpe integriert.
Bei großen Warmwasserspeichern nach dem Stand der Technik, wie sie für Kombisysteme mit hohen solaren Deckungsgraden benötigt werden, stellen die Wärmeverluste an die Umgebung einen bisher unvermeidlichen Nachteil dar. Nach der Norm DIN EN 12977-1 (2012) soll die Wärmeverlustrate von Warmwasserspeichern in W/K nicht größer sein als 0,16 x Λ/ϊ^ mit dem Nennvolumen Vn in Litern. Für ein Speichervolumen von 10 m3 beträgt nach dieser Formel die Wärmeverlustrate 16 W/K und die Wärmeverluste/Tag bei
ΔΤ = 35 K betragen 13 kWh. Für ein typisches kleines Kombisystem mit einem 1 m3 Solarspeicher ergeben sich unter denselben Bedingungen zulässige Wärmeverluste von 4,3 kWh/Tag. Nachteilig sind diese Wärmeströme insofern, als dass sie den Heizenergiebedarf des Gebäudes (insbesondere den nicht aus der Solaranlage gedeckten Anteil) erhöhen, wenn sich der Speicher außerhalb der gedämmten Gebäudehülle befindet. Befindet er sich innerhalb der gedämmten Hülle, decken diese Wärmeströme zwar im Winter einen Teil der Heizlast, im Sommer können sie jedoch zu einer Überhitzung des Gebäudes beitragen bzw. erhöhen den Kühlbedarf. Insgesamt ist der Entwicklungsstand thermischer Speicher für solarthermische
Kombisysteme mit hohen solaren Deckungsgraden noch unbefriedigend. Das Konzept des„Solar-Aktiv-Hauses" mit einem sehr großen Warmwasserspeicher (ab ca. 5 m3) adressiert bisher nur einen Nischenmarkt (fast ausschließlich im Neubaubereich), da sich der Speicher aufgrund der großen Wärmever- luste innerhalb der gedämmten Gebäudehülle befinden sollte und sich dies im
Altbaubestand nur selten realisieren lässt.
Ein Bedarf an verbesserten Systemen zur thermischen Solarenergienutzung besteht aber aufgrund des großen Potentials zur Substitution fossiler Energie- träger vor allem im Altbaubestand. Hier sind die attraktiven Möglichkeiten zur
Senkung des Heizwärmebedarfs im Zuge einer Sanierung häufig begrenzt, sei es aufgrund erhaltenswerter Fassaden oder aufgrund nur sehr aufwendig behebbarer Wärmebrücken, fehlendem Platz für die Dachstuhl- und Kellerdeckendämmung etc. Auch der Einsatz hocheffizienter Kompressionswärme- pumpen wird bei der Bestandsanierung häufig dadurch erschwert, dass das
Erdreich als Wärmequelle nicht oder nur mit großem Aufwand und möglicherweise unzumutbaren Belastungen für die Gebäudenutzer erschlossen werden kann. Elektrische Wärmepumpen, die Luft als Wärmequelle nutzen, können im Gebäudebestand jedoch meist nur wenig mehr als die primärener- getische Effizienz von Gasbrennwertkesseln erreichen - mit Jahresarbeitszahlen um 2,6.
Bei der Nachrüstung thermischer Speicher im Altbaubestand besteht oft ein Problem bezüglich der Zugänglichkeit der Aufstellungsräume (z.B. Kellerräu- me). Das einbringbare Speichervolumen ist oft durch Abmessungen der Zugangswege (Türen, Treppen) limitiert. Dieses Problem kann entweder durch einen Aufbau eines Speicherbehälters vor Ort im Aufstellungsraum oder durch ein modulares Speicherkonzept gelöst werden. Beispielsweise beschreibt die EP 2532940 A2 einen druckbelastbaren Segmentspeicher, der so ausgeführt werden kann, dass die einzelnen Segmente an ihren Berührungsflächen nicht druckfest ausgeführt zu sein brauchen. Die hydraulische Verbindung zwischen den einzelnen Segmenten kann dabei mittels Rohrdurchführungstüllen realisiert werden, die bei Befüllung des Speichers unter Druck aufgrund der durch den Druck entstehenden Pressung nach außen abdichten.
Wie aus der DE 20 2006 012871 Ul bekannt ist, ist es vorteilhaft, dem Verdampfer einer Wärmepumpe einen Pufferspeicher vorzuschalten, wenn ein Solarkollektor die einzige Wärmequelle für die Wärmepumpe ist. Dort wird jedoch nicht die Nutzung des Wärmeverlustes eines weiteren Wärmespeichers beschrieben. Der Pufferspeicher ist als Wasser/Eisspeicher ausgeführt. Ein solcher ist für Sorptionswärmepumpen, die Wasser als Arbeitsmittel nutzen, nicht ohne weiteres nutzbar, da in der Regel der Verdampfer der Wärmepumpe bei Temperaturen oberhalb 0°C gehalten werden muss, um sein Einfrieren zu verhindern.
Für solarthermische Kombianlagen (Brauchwarmwasser und Heizungsunterstützung) mit hohen solaren Deckungsgraden (bezogen auf den Gesamtwärmebedarf) gibt es bisher keine ausgereiften Konzepte zur Integration von Sorptionswärmepumpen als alternative Wärmequelle. Weiter wäre es wünschenswert, den benötigten großen Warmwasserspeicher außerhalb der gedämmten Gebäudehülle aufstellen zu können. Es gibt jedoch bisher kein System zur Rückgewinnung der dann während der Heizperiode auftretenden Wärmeverluste dieses Speichers.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Wärmespeicheranordnung anzugeben, die bei solarthermischen Kombianlagen mit einer Wärmepumpe als alternativem Heizsystem die Gesamtenergieeffizienz des Systems mit geringem Aufwand deutlich erhöht. Insbesondere soll die Wärmespeicheranordnung vorteilhaft nutzbar sein in Fällen, in denen sich der Solarwärmespeicher außerhalb der gedämmten Gebäudehülle befindet, wie es bei energetisch sanierten Bestandsgebäuden oft der Fall ist. Ferner soll die erfindungsgemäße Lösung so ausführbar sein, dass eine zeitliche Flexibilisierung des Wärmepumpenbetriebs (Lastverschiebung/Lastentkopplung) ermöglicht wird nach Gesichtspunkten, die unabhängig vom aktuellen Wärmebedarf des Gebäudes und vom aktuellen Solarstrahlungsangebot sind.
Diese Aufgabe wird bezüglich einer Wärmespeicheranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und bezüglich eines Verfahrens zum Betrieb einer Wärmespeicheranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst. Die jeweiligen abhängigen Patentansprüche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungen dar.
Erfindungsgemäß wird eine Wärmespeicheranordnung angegeben, die einen inneren Speicherbehälter, eine den inneren Speicherbehälter zumindest bereichsweise umgebende innere Wärmedämmschicht, eine auf der dem inneren Speicherbehälter abgewandten Seite der Wärmedämmschicht angeordne- te Vorrichtung zur Übertragung eines durch die innere Wärmedämmschicht tretenden Verlustwärmestroms des inneren Speicherbehälters auf ein Wär- meträgerfluid und eine einen Verdampfer enthaltende Wärmepumpe enthält. Die Vorrichtung zur Übertragung des Verlustwärmestroms ist dabei mit dem Verdampfer der Wärmepumpe hydraulisch verbindbar.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass für solarthermische Kombianlagen (zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung), die eine Wärmepumpe als alternative Wärmequelle nutzen, die Verlustwärmeströme durch die Speicherdämmung in einfacher Weise zu großen Teilen genutzt werden können, und dass dies zu einer signifikanten Erhöhung des solaren Deckungsgrades des
Systems und einer entsprechenden Primärenergieeinsparung führen kann. Durch die erfindungsgemäße Wärmespeicheranordnung kann hierbei der Verlustwärmestrom eines gedämmten Wärmespeichers auf niedrigem Temperaturniveau aufgefangen und dieser dem Verdampfer einer Wärmepumpe zuge- führt werden.
Für die energetische Sanierung von Bestandgebäuden bietet das erfindungsgemäße System den Vorteil, dass Wärmespeicher von solarthermischen Kombisystemen außerhalb der gedämmten Gebäudehülle angeordnet werden können, ohne dass der Wärmestrom durch die Wärmedämmung des Speichers dem Heizsystem verloren geht. Durch das erfindungsgemäße System kann also die primärenergetische Aufwandszahl der Heizungsanlage gegenüber solarthermischen Kombisystemen nach dem Stand der Technik bei gleicher Kollektor- und Speichergröße reduziert werden.
Auch gegenüber bereits aus dem Stand der Technik bekannten solarthermi- sehen Kombisystemen in Verbindung mit einer Wärmepumpe wird die primärenergetische Anlagenaufwandszahl verringert bzw. der solare Deckungsgrad erhöht. Dies wird dadurch erreicht, dass die Wärmeverluste des Speichers zur Anhebung des Temperaturniveaus im Verdampferkreis der Wärmepumpe genutzt werden, so dass die Wärmepumpe eine höhere Jahresarbeitszahl erreichen kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Vorrichtung zur Übertragung eines Wärmestroms als Mantelspeicher ausgebildet ist, wobei der Mantelspeicher ein Fluid oder ein Phasenwechselmaterial (PCM), das in thermischem Kontakt mit dem Wärmeträgerfluid stehen kann, enthält.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Vorrichtung zur Übertragung eines Wärmestroms als Wärmeübertrager ausgebildet ist und keine weiteren Speicherelemente enthält.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmespeicheranordnung ist auf der der inneren Wärmedämmschicht abgewandten Seite der als Mantelspeicher ausgebildeten Vorrichtung eine äußere Wärmedämmschicht angeordnet, wobei der Wärmedurchgangswiderstand der inneren Wärmedämmschicht größer ist als der Wärmedurchgangswiderstand der äußeren Wärmedämmschicht. Durch die äußere Wärmdämmschicht kann eine Kondensation von Luftfeuchtigkeit an der Außenseite der Speicheranordnung vermieden werden, da der in der Umgebungsluft enthaltene Wasserdampf nicht an die kalten Oberflächen der Wärmespeicheranordnung gelangen kann. Als äußere Wärmedämmschicht können dabei relativ diffusionsdichte (geschlossenzellige) Dämmstoffe verwendet werden.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die als Mantelspeicher ausgebildete Vorrichtung durch mindestens zwei, bevorzugt aus Kunststoff bestehende, Hohlkörper gebildet wird, die jeweils eine äußere Wand sowie eine Innenseite und eine Außenseite aufweisen, wobei die Form der mindestens zwei Hohlkörper an die Oberfläche der inneren Wärmedämmschicht angepasst ist und jeweils zwei benachbarte Hohlkörper der mindestens zwei Hohlkörper eine gemeinsame Kontaktfläche aufweisen. Die mindestens zwei Hohlkörper sind hierbei im Wesentlichen formschlüssig um die Anordnung aus innerem Speicherbe- hälter und innerer Wärmedämmschicht herum angeordnet. Vorteil eines solchen modularen, aus mehreren Hohlkörpern bestehenden Mantelspeichers ist seine leichtere Einbringbarkeit in Räume mit engen Zugängen (wie typischerweise Kellerräume bei der Gebäudesanierung). Es kann hierbei die in einen gegebenen Raum mit engem Zugang (Tür, Treppe) einbringbare effektive
Speicherkapazität gegenüber einem Wasserspeicher nach dem Stand der Technik deutlich erhöht werden kann. Für die Hohlkörper bietet sich das Extrusionsblasformen als kostengünstiges Herstellungsverfahren an. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass jeweils einer der mindestens zwei Hohlkörper, sowie jeweils ein Teil der inneren Wärmedämmschicht und gegebenenfalls jeweils ein Teil der äußeren Wärmedämmschicht in jeweils eines von mindestens zwei vorgefertigten Elementen integriert ist, wobei die mindestens zwei vorgefertigten Elemente im Wesentlichen form- schlüssig um den inneren Speicherbehälter herum angeordnet sind.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmespeicheranordnung sieht vor, dass die innere Wärmedämmschicht aus einem Hartschaum besteht und im Wesentlichen formschlüssig an einer Wandung des inneren Speicherbehälters anliegt, außerdem die äußere Wand der mindestens zwei Hohlkörper und/oder gegebenenfalls die äußere Wärmedämmschicht hart genug ausgeführt ist, um eine Verformung der Außenseite der Hohlkörper zu begrenzen, und die mindestens zwei Hohlkörper durch mindestens eine zugbelastbare Struktur, bevorzugt ein Zugband aus Stahl, in Position gehalten werden, wobei die mindestens eine zugbelastbare Struktur an einem äußeren Umfang der Anordnung umfassend den inneren Speicherbehälter, die innere Wärmedämmschicht, die mindestens zwei Hohlkörper und gegebenenfalls die äußere Wärmedämmschicht angeordnet ist. Durch diese Anordnung wird verhindert, dass sich die Hohlkörper an den gemeinsamen Kontakt- flächen zu stark ausbeulen. Ferner kann durch die Abstützung am inneren
Speicherbehälter und den Zugbändern der Mantelspeicher bei höherem Druck betrieben werden. Eine ringförmige Anordnung der Hohlkörper bietet gegenüber einer alternativen linearen Anordnung den Vorteil, dass die bei einer linearen Anordnung notwendigen druckstabilen Endplatten nicht benötigt werden. Weiterhin ist bevorzugt, dass die mindestens zwei Hohlkörper so ausgeführt sind, dass sie an jeder Kontaktfläche zu einem benachbarten Hohlkörper mindestens eine Fluiddurchführung aufweisen, die durch einen über die zugbelastbare Struktur aufbringbaren Anpressdruck nach außen abgedichtet wird, und die mindestens zwei Hohlkörper zusätzlich insgesamt zwei weitere Fluid- anschlüsse an ihrer Außenseite aufweisen, so dass an den mindestens zwei Hohlkörpern ein Fluidkreis aufgebaut ist, über den alle vorhandenen Hohlkörper durchströmt werden können. Besonders bevorzugt sind die mindestens zwei Hohlkörper so ausgeführt, dass sie an jeder Kontaktfläche zu einem be- nachbarten Hohlkörper zwei Fluiddurchführungen auf unterschiedlicher Höhe aufweisen und außerdem jeweils eine zugbelastbare Struktur in der jeweiligen Höhe dieser beiden Fluiddurchführungen aufweisen. Auf diese Weise kann der Anpressdruck maximiert werden. Zudem kann sich, wenn zwei Fluiddurchführungen in unterschiedlicher Höhe vorhanden sind, infolge der Auftriebs- kräfte eine thermische Schichtung in den Hohlkörpern einstellen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die mindestens zwei vorgefertigten Elemente so ausgeführt, dass wärmeleitende flächige Elemente in den Bereichen an der inneren Wärmedämmschicht anliegen, in denen ein Wärmestrom aus dem inneren Speicherbehälter an den mindestens zwei
Hohlkörpern vorbei an die Umgebung der Wärmespeicheranordnung gelangen könnte, und die wärmeleitenden flächigen Elemente eine Überlappfläche mit der Innenseite der mindestens zwei Hohlkörper aufweisen, um den Wärmestrom zumindest teilweise zu den mindestens zwei Hohlkörpern umzulei- ten, wobei die wärmeleitenden flächigen Elemente bevorzugt Metallbleche sind. Durch diese Ausführungsform kann eine noch effizientere Rückgewinnung der Wärmeverluste des inneren Speicherbehälters, insbesondere an dessen Deckel- und Bodenbereich, erreicht werden. Weiterhin ist bevorzugt, dass der Mantelspeicher mindestens ein Phasen- wechselmaterial (PCM) enthält, das einen Schmelzpunkt zwischen -5° C und 30° C aufweist. Das PCM ist hier bevorzugt Eis, wenn das in der Wärmepumpe verwendete Kältemittel einen Betrieb unter 0° C zulässt. Dies ist beispielsweise bei Sorptionswärmepumpen mit Ammoniak oder Methanol als Kältemittel und bei nahezu allen Kompressionswärmepumpen der Fall. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält der Mantelspeicher mindestens ein Phasenwechselfluid (phase change slurry, PCS), das pumpbar ist und zur Wärmeübertragung auf den Verdampfer der Wärmepumpe verwendet werden kann, wobei das PCS mindestens ein Phasenwechselmaterial (PCM) enthält, welches einen Schmelzpunkt zwischen -5° C und 30° C aufweist. Das Phasenwechselfluid ist hierbei bevorzugt ein Eisbrei.
Weiterhin ist bevorzugt, dass der Schmelzpunkt des mindestens einen Pha- senwechselmaterials (PCM) zwischen 4° C und 20° C liegt. Hierbei ist das in der Wärmepumpe verwendete Kältemittel bevorzugt Wasser.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmespeicheranordnung sieht vor, dass der Verdampfer der Wärmepumpe zusätzlich zum Mantelspeicher noch mit mindestens einer weiteren Wärmequelle verbindbar ist, wobei zumindest eine serielle Durchströmung der weiteren Wärmequelle, des Mantelspeichers und des Verdampfers der Wärmepumpe mit dem Wärmeträgerfluid in dieser Reihenfolge ermöglicht wird. Hierdurch kann eine zeitliche Flexibilisierung des Wärmepumpenbetriebs (Lastverschiebung/Lastentkopplung) ermöglicht werden.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die Wärmepumpe eine Sorptionswärmepumpe ist, bei welcher bevorzugt Wasser als Kältemittel eingesetzt wird. In dem Fall, dass die Wärmepumpe eine thermisch angetriebene Wärmepumpe (insbesondere Sorptionswärmepumpe) ist, ist die zeitliche Flexibilisierung dann relevant, wenn die Wärmequelle der Wärmepumpe mit einem Stromerzeuger gekoppelt ist (Kraft-Wärme-Kopplung). Aufgrund der hohen massenspezifischen Verdampfungswärme von Wasser, lassen sich mit Wasser als Kältemittel bei Sorptionswärmepumpen die höchsten (Jahres-)Arbeitszahlen erreichen, sofern geeignete Niedertemperatur-Wärmequellen zur Verfügung stehen.
Die vorliegende Erfindung ist außerdem gerichtet auf ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Wärmespeicheranordnung, wobei Wärme aus einer Wärmequelle, bevorzugt einer thermischen Solaranlage, in den inneren Speicherbehälter eingebracht und nach Entnahme zur Deckung eines Heizwärme- und/oder Warmwasserbedarfs genutzt wird, wobei durch die Wär- mepumpe abgegebene zusätzliche Wärme ebenfalls zur Deckung des Heizwärme- und/oder Warmwasserbedarfs genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Wärme des inneren Speicherbehälters in einer absehbaren folgenden Zeit, bevorzugt innerhalb der folgenden zwei bis vier Ta- ge, voraussichtlich nicht allein den Heizwärme- und/oder Warmwasserbedarf decken kann, die Wärmepumpe bereits vor einer vollständigen Entladung des inneren Speicherbehälters periodisch zur Deckung des Heizwärme- und/oder Warmwasserbedarfs in der Art zugeschaltet wird, dass im zeitlichen Mittel über die Speicherdauer der Vorrichtung zur Übertragung eines Wärmestroms der Verdampfer der Wärmepumpe mindestens den Verlustwärmestrom aus dem inneren Speicherbehälter aufnimmt.
Ob in einer bestimmten Zeit die Wärme des inneren Speicherbehälters allein den Heizwärme und/oder Warmwasserbedarf decken kann, kann beispiels- weise mittels einer prädiktiven Regelung beurteilt werden.
Wenn die Vorrichtung zur Übertragung eines Wärmestroms als Mantelspeicher ausgeführt ist, wird dieser bevorzugt in einem Temperaturbereich zwischen 0°C und 20°C betrieben. Das Volumen des Mantelspeichers wird dann bevorzugt so bemessen, dass der Wärmestrom aus dem inneren Speicherbehälter über einen Zeitraum von 8 Stunden höchstens zu einer Temperaturerhöhung von 10 K im Mantelspeicher führt. Dadurch wird eine zeitliche Flexibilität bezüglich des Wärmepumpenbetriebs erreicht, die zum Bespiel bei Kompressionswärmepumpen zu einer Berücksichtigung von Stromnetzauslas- tungen und schwankenden Strompreisen genutzt werden kann.
Ist die Wärmepumpe eine elektrische Wärmepumpe, kann bevorzugt in Zeiten günstigen Stromangebots der Mantelspeicher zum Laden des inneren Speicherbehälters mit hoher Leistung verwendet werden.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Wärmepumpe eine thermisch angetriebene Wärmepumpe, bevorzugt eine Sorptionswärmepumpe, ist und durch eine zusätzliche Wärmequelle, bevorzugt einen Brenner oder eine KWK-Anlage, Antriebswärme für die Wärmepumpe bereitgestellt wird. Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass bei Unterschreiten einer ersten Schwellentemperatur im inneren Speicherbehälter die Deckung des Heizwärme und/oder Warmwasserbedarfs vorrangig durch die Wärme aus der Wärmepumpe erfolgt, wenn in der Vorrichtung zur Übertragung eines Wärmestroms eine zweite Schwellentemperatur überschritten wird, und die Deckung des Heizwärmebedarfs sonst vorrangig durch die Wärme aus dem inneren Speicherbehälter erfolgt.
In einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der innere Speicherbehälter als Schichtwärmespeicher genutzt, wobei die Wärmepumpe zusätzlich Wärme in einen mittleren Bereich des inneren Speicherbehälters einbringt. Auf diese Weise kann der Jahresertrag der Solaranlage erhöht werden.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert ohne die Erfindung auf die speziell dargestellten Ausführungsformen und Parameter zu beschränken.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnittes durch einen Teil einer erfindungsgemäßen Wärmespeicheranordnung. Ein innerer Speicherbehälter 1 ist von einer inneren Wärmedämmschicht 2 umgeben. Auf der dem inneren Speicherbehälter 1 abgewandten Seite der Wärmedämmschicht 2 befindet sich eine Vorrichtung 3 zur Übertragung eines durch die innere Wärmedämmschicht 2 tretenden Verlustwärmestroms des inneren Speicherbehälters 1 auf ein Wärmeträgerfluid, welche als Mantelspeicher ausgebildet ist. Auf der der inneren Wärmedämmschicht 2 abgewandten Seite der als Mantelspeicher ausgebildeten Vorrichtung 3 ist eine äußere Wärmedämmschicht 5 angeordnet. Der Mantelspeicher ist hierbei aus mehreren Hohlkörpern aufgebaut, die im Extrusionsblasformverfahren aus einem geeigneten Kunststoff (z.B. HDPE) hergestellt wurden. Die einzelnen Hohlkörper sind so geformt, dass sie sich formschlüssig um den inneren Speicherbehälter 1 und die innere Wärmdämmschicht 2 anordnen lassen.
Fig. 2 zeigt einen Teile einer Vorrichtung 3 zur Übertragung eines durch die innere Wärmedämmschicht 2 tretenden Verluswärmestroms des inneren Speicherbehälters 1 auf ein Wärmeträgerfluid aus verschiedenen Perspekti- ven. Die Vorrichtung 3 ist dabei als Mantelspeicher ausgebildet und ist aus Hohlkörpern aufgebaut. Die Verbindung der Hohlkörper erfolgt durch ein Schnellverbindungssystem mit flexiblen Schlauchstücken 6 und am Hohlkörper vorgefertigt befestigten Anschlussstücken 7. Derartige Schnellverbinder sind von thermischen Solarkollektoren bekannt und werden dort wegen der hohen Temperaturanforderungen meist mit Edelstahl-Wellrohren realisiert. Aus der Heizungstechnik sind ebenfalls werkzeuglos montierbare Schnellverbinder für Kunststoff/Metall-Verbundrohre bekannt, die hier geeignet sein können (z.B. Steckfittinge). Im Bereich der Anschlussstücke 7 befinden sich an den Hohlkörpern Einbuchtungen bzw. Aussparungen, die eine Verbindung der Elemente bei formschlüssiger Anordnung um den inneren Speicherbehälter 1 herum erlauben. Die Gesamtheit der Hohlkörper ist durch eine Tichelmann- Verschaltung verbunden, um eine möglichst gleichmäßige Durchströmung der Elemente zu erreichen. Um dies weiter begünstigen, sind innerhalb der Speicherelemente zwischen den Anschlussstücken 7 perforierte Rohre 9 angeordnet, die zusammen mit den Verbindungsstücken die Verteiler und Sammler der Tichelmann-Verschaltung darstellen.

Claims

Patentansprüche
Wärmespeicheranordnung enthaltend einen inneren Speicherbehälter (1), eine den inneren Speicherbehälter (1) zumindest bereichsweise umgebende innere Wärmedämmschicht (2), eine auf der dem inneren Speicherbehälter (1) abgewandten Seite der Wärmedämmschicht (2) angeordnete Vorrichtung (3) zur Übertragung eines durch die innere Wärmedämmschicht (2) tretenden Verlustwärmestroms des inneren Speicherbehälters (1) auf ein Wärmeträgerfluid und eine einen Verdampfer enthaltende Wärmepumpe (4), wobei die Vorrichtung (3) mit dem Verdampfer der Wärmepumpe (4) hydraulisch verbindbar ist.
Wärmespeicheranordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (3) zur Übertragung eines Wärmestroms als Mantelspeicher ausgebildet ist, wobei der Mantelspeicher ein Fluid oder ein Phasenwechselmaterial (PCM), das in thermischem Kontakt mit dem Wärmeträgerfluid stehen kann, enthält.
Wärmespeicheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (3) zur Übertragung eines Wärmestroms als Wärmeübertrager ausgebildet ist und keine weiteren Speicherelemente enthält.
Wärmespeicheranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der inneren Wärmedämmschicht (2) abgewandten Seite der als Mantelspeicher ausgebildeten Vorrichtung (3) eine äußere Wärmedämmschicht (5) angeordnet ist, wobei der Wärmedurchgangswiderstand der inneren Wärmedämmschicht (2) größer ist als der Wärmedurchgangswiderstand der äußeren Wärmedämmschicht (5).
Wärmespeicheranordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die als Mantelspeicher ausgebildete Vor- richtung (3) durch mindestens zwei, bevorzugt aus Kunststoff bestehende, Hohlkörper gebildet wird, die jeweils eine äußere Wand sowie eine Innenseite und eine Außenseite aufweisen, wobei die Form der mindestens zwei Hohlkörper an die Oberfläche der inneren Wärmedämmschicht (2) angepasst ist und jeweils zwei benachbarte Hohlkörper der mindestens zwei Hohlkörper eine gemeinsame Kontaktfläche aufweisen.
Wärmespeicheranordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils einer der mindestens zwei Hohlkörper, sowie jeweils ein Teil der inneren Wärmedämmschicht (2) und gegebenenfalls jeweils ein Teil der äußeren Wärmedämmschicht (5) in jeweils eines von mindestens zwei vorgefertigten Elementen integriert ist, wobei die mindestens zwei vorgefertigten Elemente im Wesentlichen formschlüssig um den inneren Speicherbehälter (1) herum angeordnet sind.
Wärmespeicheranordnung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Wärmedämmschicht (2) aus einem Hartschaum besteht und im Wesentlichen formschlüssig an einer Wandung des inneren Speicherbehälters (1) anliegt, außerdem die äußere Wand der mindestens zwei Hohlkörper und/oder gegebenenfalls die äußere Wärmedämmschicht (5) hart genug ausgeführt ist, um eine Verformung der Außenseite der Hohlkörper zu begrenzen, und die mindestens zwei Hohlkörper durch mindestens eine zugbelastbare Struktur, bevorzugt ein Zugband aus Stahl, in Position gehalten werden, wobei die mindestens eine zugbelastbare Struktur an einem äußeren Umfang der Anordnung umfassend den inneren Speicherbehälter (1), die innere Wärmedämmschicht (2), die mindestens zwei Hohlkörper und gegebenenfalls die äußere Wärmedämmschicht (5) angeordnet ist.
Wärmespeicheranordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Hohlkörper so ausgeführt sind, dass sie an jeder Kontaktfläche zu einem benachbarten Hohlkörper mindestens eine Fluiddurchführung aufweisen, die durch einen über die zugbelastbare Struktur aufbringbaren Anpressdruck nach außen abgedichtet wird, und die mindestens zwei Hohlkörper zusätzlich insgesamt zwei weitere Fluidanschlüsse an ihrer Außenseite aufweisen, so dass an den mindestens zwei Hohlkörpern ein Fluidkreis aufgebaut ist, über den alle vorhandenen Hohlkörper durchströmt werden können.
Wärmespeichanordnung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wärmeleitende flächige Elemente in den Bereichen an der inneren Wärmdämmschicht (2) anliegen, in denen ein Wärmestrom aus dem inneren Speicherbehälter (1) an den mindestens zwei Hohlkörpern vorbei an die Umgebung der Wärmespeicheranordnung gelangen könnte, und die wärmeleitenden flächigen Elemente eine Überlappfläche mit der Innenseite der mindestens zwei Hohlkörper aufweisen, um den Wärmestrom zumindest teilweise zu den mindestens zwei Hohlkörpern umzuleiten, wobei die wärmeleitenden flächigen Elemente bevorzugt Metallbleche sind.
Wärmespeicheranordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelspeicher mindestens ein Phasenwechselmaterial (PCM) enthält, das einen Schmelzpunkt zwischen -5 °C und 30 °C aufweist.
Wärmespeicheranordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelspeicher mindestens ein Phasenwechselfluid (Phase Change Slurry, PCS) enthält, das pumpbar ist und zur Wärmeübertragung auf den Verdampfer der Wärmepumpe (4) verwendet werden kann, wobei das PCS mindestens ein Phasenwechselmaterial (PCM) enthält, welches einen Schmelzpunkt zwischen -5 °C und 30 °C aufweist.
Wärmespeicheranordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzpunkt des mindestens einen Phasenwechselmaterials (PCM) zwischen 4 °C und 20 °C liegt. Wärmespeicheranordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer der Wärmepumpe (4) zusätzlich zum Mantelspeicher noch mit mindestens einer weiteren Wärmequelle verbindbar ist, wobei zumindest eine serielle
Durchströmung der weiteren Wärmequelle, des Mantelspeichers (3) und des Verdampfers der Wärmepumpe (4) mit dem Wärmeträger- fluid in dieser Reihenfolge ermöglicht wird.
Wärmespeicheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (4) eine Sorptionswärmepumpe ist, bei welcher bevorzugt Wasser als Kältemittel eingesetzt wird.
Verfahren zum Betrieb einer Wärmespeicheranordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Wärme aus einer Wärmequelle, bevorzugt einer thermischen Solaranlage, in den inneren Speicherbehälter (1) eingebracht und nach Entnahme zur Deckung eines Heizwärme- und/oder Warmwasserbedarfs genutzt wird, wobei durch die Wärmepumpe (4) abgegebene zusätzliche Wärme ebenfalls zur Deckung des Heizwärme- und/oder Warmwasserbedarfs genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Wärme des inneren Speicherbehälters (1) in einer absehbaren folgenden Zeit, bevorzugt innerhalb der folgenden zwei bis vier Tage, voraussichtlich nicht allein den Heizwärme- und/oder Warmwasserbedarf decken kann, die Wärmepumpe (4) bereits vor einer vollständigen Entladung des inneren Speicherbehälters (1) periodisch zur Deckung des Heizwärme- und/oder Warmwasserbedarfs in der Art zugeschaltet wird, dass im zeitlichen Mittel über die Speicherdauer der Vorrichtung (3) zur Übertragung eines Wärmestroms der Verdampfer der Wärmepumpe (4) mindestens den Verlustwärmestrom aus dem inneren Speicherbehälter (1) aufnimmt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (4) eine thermisch angetriebene Wärmepumpe, bevorzugt eine Sorptionswärmepumpe, ist und durch eine zusätzliche Wärmequelle, bevorzugt einen Brenner oder eine KWK-Anlage, Antriebswärme für die Wärmepumpe (4) bereitgestellt wird.
17. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten einer ersten Schwellentemperatur im inneren Speicherbehälter (1) die Deckung des Heizwärme- und/oder Warmwasserbedarfs vorrangig durch die Wärme aus der Wärmepumpe (4) erfolgt, wenn in der Vorrichtung (3) zur Übertragung eines Wärmestroms eine zweite Schwellentemperatur überschritten wird, und die Deckung des Heizwärmebedarfs sonst vorrangig durch die Wärme aus dem inneren Speicherbehälter (1) erfolgt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Speicherbehälter (1) als Schichtwärmespeicher genutzt wird, wobei die Wärmepumpe (4) zusätzlich Wärme in einen mittleren Bereich des inneren Speicherbehälters (1) einbringt.
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