EP4215860A1 - Latentwärmespeicher, energieversorgungssystem mit wenigstens einem latentwärmespeicher und verfahren zum betreiben eines energieversorgungssystems mit wenigstens einem latentwärmespeicher - Google Patents

Latentwärmespeicher, energieversorgungssystem mit wenigstens einem latentwärmespeicher und verfahren zum betreiben eines energieversorgungssystems mit wenigstens einem latentwärmespeicher Download PDF

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EP4215860A1
EP4215860A1 EP22206731.6A EP22206731A EP4215860A1 EP 4215860 A1 EP4215860 A1 EP 4215860A1 EP 22206731 A EP22206731 A EP 22206731A EP 4215860 A1 EP4215860 A1 EP 4215860A1
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EP
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heat
heat exchanger
module
exchanger unit
transfer fluid
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EP22206731.6A
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Daniel Eisenmann
Damian Skoruppa
Heiko LÜDEMANN
Michael Huhn
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Viessmann Holding International GmbH
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Viessmann Climate Solutions SE
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Definitions

  • the invention concerns
  • Latent heat storage devices for storing sensible and latent heat are generally known, particularly in the form of ice storage devices.
  • a problem with such ice stores is that the storage medium, water, solidifies when heat is removed and increases in volume. This entails the risk that the storage container as well as heat exchangers arranged in the storage medium will be damaged or even destroyed.
  • the formation of ice hinders the thermal exchange between the storage medium and the heat exchanger.
  • a latent heat storage device in the form of an ice storage device with a heat-insulated storage container in a building basement is known.
  • the bottom of the ice bank is covered with a flat heat exchanger in the form of a ribbed sheet, on which pipes of a cooling device and hot water circulation are placed.
  • a flat heat exchanger in the form of a ribbed sheet on which pipes of a cooling device and hot water circulation are placed.
  • ice is continuously formed in recesses in the heat exchanger and detached by the hot water circulation.
  • the EP 0 019 235 A1 discloses a latent heat store in the form of an ice store, the bottom of the container forming the evaporator of a heat pump.
  • the ice that forms on the evaporator is periodically defrosted by supplying heat from an external heat source or switching the heat pump.
  • a latent heat store in the form of an ice store which has a cooling plate on the bottom of the storage container, which is connected to a heat pump.
  • the egg layer that forms on the cooling plate when heat is withdrawn is detached by briefly applying heat and in turn enables heat to be withdrawn via the cooling plate.
  • the heat extraction can be adjusted periodically.
  • a thermostat control is superordinate to the time period, which terminates the defrosting process when a certain outlet temperature of the heat transfer fluid is reached and switches back to heat extraction.
  • the brine outlet temperature is determined while the ice layer is thawing. If the brine outlet temperature is below the set value, either hot gas defrosting takes place or the heat pump is switched off as a whole and warm brine is fed to the cold plate from a heat accumulator.
  • a latent heat store in the form of an ice store is known, in which individual plate heat exchangers are placed in the direction of the vertical axis at the bottom of the storage container.
  • the connections for supplying and removing the heat transfer fluid are arranged on the side edges of the plates, which are separated from the surface of the plates with a barrier structure.
  • the plate heat exchangers are fully submerged in water and the barrier structures prevent the ice sheets forming on the plate surfaces from growing into areas below the inlet and outlet connections, viewed in the direction of gravity. Likewise, a form fit with the forming ice sheets is prevented, which further facilitates the detachment of the ice.
  • the EP 0 004 552 A1 discloses a latent heat store in the form of an ice store with slats arranged vertically in the storage container, on which slabs of ice can form on both sides, which grow together at the free end of the slats. Heat is supplied to the lamellae for detachment.
  • an evaporator tube is arranged at the base of the fins, which forms part of the evaporator of a heat pump and has a refrigerant, for example a fluorocarbon, flowing through it.
  • a line through which a heat transport fluid flows is arranged at the base of the lamellae.
  • a storage is known in US 5,000,000 in which pieces of ice are stored in the storage container for refrigeration purposes.
  • the memory is thermally insulated from the outside.
  • cooling element in the form of a flattened coiled tube is provided on both sides with an electrically conductive plate. Ice can form on the plate when heat is removed.
  • the plate is provided with electrical contacts. In order to detach the ice, the plate can be energized, whereby the plate heats up and the ice that has formed is detached.
  • the ice floats to the surface of the storage tank and can be removed from there when needed.
  • the water level in the bin is monitored to determine the amount of ice available in the storage bin.
  • One object of the invention is to provide a production-friendly latent heat storage device.
  • a further object of the invention is to provide an energy supply system which is easy to manufacture and has at least one latent heat accumulator.
  • a further object of the invention is to provide a method for operating such a power supply system.
  • a latent heat storage device for providing heat and cold for a consumer, with a storage container for accommodating a storage medium in an interior space and a heat exchanger unit arranged therein, which is in thermal contact with the storage medium and through which a heat transfer fluid flows in the operating state.
  • the heat exchanger unit has heat exchanger plates, each of which has the heat transfer fluid flowing through it.
  • the heat exchanger plates of the heat exchanger unit form at least one compact module.
  • the heat exchanger plates of the at least one module are arranged spaced apart from one another at a first desired distance transversely to a vertical axis of the storage container.
  • the at least one module is arranged with its heat exchanger plates at a distance from the tank bottom and from the tank wall.
  • the at least one module, with its heat exchanger plates along the vertical axis takes up at most half of a target level of the storage medium in the interior of the storage container.
  • the latent heat store is in particular a component of an energy supply system for supplying a consumer with thermal energy, in particular with heat and cold.
  • the storage medium can in particular be water.
  • an energy supply system with such a latent heat store can be designed and used as a long-term or short-term/high-performance store.
  • the latent heat accumulator is preferably dimensioned in such a way that it can supply a consumer in the form of a residential building, in particular a single-family house or two-family house, with heat in winter and cold in summer.
  • the latent heat accumulator advantageously interacts in an energy supply system with a heat pump, which receives the heat transfer fluid from the heat exchanger unit on its primary side.
  • the heat exchanger unit with one or more modules with heat exchanger plates can optionally also be used for a regeneration system as an absorber, energy fence, etc.
  • the storage container is advantageously arranged in the ground.
  • the latent heat accumulator is favorably in thermal contact with the soil surrounding it.
  • the heat exchanger unit can be fixed to the floor in such a way that there is a gap of 15-20 cm between the bottom plate and the underside of the heat exchanger unit. This space can be used for cable routing. In addition, it can be ensured in this way that the ground under the storage tank does not freeze and that any water present temporarily does not freeze and thus cannot exert any forces on the storage tank
  • the storage tank can already be equipped with the heat exchanger unit by the manufacturer, ie prefabricated.
  • the industrial production of the heat exchanger unit ensures the required quality and reduces complex and expensive manual work on the construction site. In addition, the assembly time on site is reduced.
  • the modular design of the heat exchanger unit allows the storage container to be equipped with a heat exchanger unit, which comprises one, two or more modules, as required.
  • the number of modules can be adjusted according to the expected energy requirements of the consumer and the general conditions at the consumer's place of use.
  • the prefabricated storage container can be designed in particular for road transport and can therefore be easily transported to the consumer. All that needs to be provided is a pit for receiving the storage container. Elaborate construction work, such as pouring the storage tank at the place of use, labor-intensive assembly of the extraction heat exchanger and the like can be omitted.
  • the storage container can be filled with the storage medium, for example water, on site. Likewise, the heat transfer fluid can be filled into the heat exchanger unit on site, or this can already be done during installation in the storage container.
  • the heat exchanger plates can be made of aluminium, stainless steel or plastic (PE).
  • PE plastic
  • the heat exchanger unit and all lines are preferably filled with a glycol/water mixture, also known as brine.
  • lines for the inlet and outlet to the heat exchanger plates can be thermally insulated. It is thus possible to avoid an uncontrolled build-up of ice above the heat exchanger unit inside the storage container.
  • one advantage of the modular design of the heat exchanger unit is the possibility of industrial prefabrication and the quality assurance associated therewith, as well as the lower outlay in terms of material use and assembly.
  • the use of self-contained modules for the heat exchanger unit simplifies the effort for the simulation and design of the energy supply systems with such latent heat storage devices at the manufacturer.
  • the energy supply system can advantageously be used worldwide for climate-friendly heating and cooling applications, regardless of many years of experience.
  • the heat exchanger plates are arranged with their intended end faces facing the tank bottom on a pallet, in particular a plastic pallet, similar to a so-called Euro pallet.
  • the pallet can be welded to the heat exchanger plates or firmly connected in some other suitable manner, and in this way forms a stable module that can therefore be transported and stored.
  • the at least one module can have a distribution line and a collecting line.
  • fluid inlets of the heat exchanger plates can open into the distribution line and fluid outlets of the heat exchanger plates can open out into the collecting line for the heat transfer fluid.
  • the heat exchanger plates can be connected in parallel in terms of flow. If two or more modules are to be installed in the latent heat storage device, they can simply be interconnected via their distribution lines and collection lines.
  • distribution lines and collecting lines of several modules can be connected together in terms of flow, in particular in parallel in terms of flow, in the storage container.
  • the number of modules can easily be expanded as required.
  • the at least one module with its heat exchanger plates along the vertical axis can occupy at most one third of the target level of the storage medium.
  • the free volume of the storage medium in the storage tank above the heat exchanger unit can accommodate those ice sheets that have been detached from the heat exchanger unit and that are floating upwards in the storage tank. In this case, no pressure is exerted on the storage container by the floating ice, so that an explosive effect in the event of ice formation can advantageously be avoided.
  • the at least one module with its heat exchanger plates can have an area of at least 2 m 2 , in particular up to 2.5 m 2 , for heat extraction.
  • each panel has a surface area of approx. 2 to 2.5 m 2 .
  • a module of a heat exchanger unit can favorably consist of 8 to 12 heat exchanger plates.
  • a module of a heat exchanger unit with such dimensions is sufficient to supply a single-family house with an area to be heated of approximately 150 m 2 , for example in Central Europe, in order to supply it with heat and possibly cold throughout the year. Should more capacity be required, the capacity of the heat exchanger unit can be increased by installing additional modules and connecting them together.
  • the module with its heat exchanger plates can have an envelope enclosing the module with a volume of at most 20%, preferably 15%, particularly preferably at most 10% of the volume of the storage medium.
  • the module can be cuboid, for example, so that the envelope is a cuboid.
  • the heat exchanger unit is installed in the lower area of the storage tank and only takes up a small volume of the storage tank, the space above the heat exchanger unit can be used as an "ice store" for the ice sheets that are separating and drift to the water surface.
  • the storage tank and the construction of the heat exchanger unit do not have to absorb any relevant mechanical forces and can therefore be provided easily and cheaply.
  • the extraction capacity of the heat exchanger unit remains almost constant and the overall system operates at an advantageous level of efficiency.
  • headers and headers of the heat exchanger unit are located outside of areas where ice may occur.
  • the at least one module with its heat exchanger plates can have a distance from the container bottom that is dimensioned such that the storage medium within the distance is ice-free even in the intended coldest operating state of the at least one module. If the heat exchanger plates of the module are arranged on a pallet, the distance essentially corresponds to that of the end faces of the heat exchanger plates facing the tank bottom.
  • the storage container can be prefabricated with the at least one module. This simplifies the transport logistics to the consumer and the on-site assembly work.
  • the storage container can be thermally coupled to its surroundings.
  • the storage container can be arranged in the ground in the operating state.
  • an energy supply system with at least one latent heat store is proposed.
  • the latent heat accumulator for providing heat and cold for a consumer is provided with a storage container for accommodating a storage medium in an interior space and a heat exchanger unit arranged therein, which is in thermal contact with the storage medium and through which a heat transfer fluid flows in the operating state.
  • the heat exchanger unit has heat exchanger plates, each of which has the heat transfer fluid flowing through it.
  • the heat exchanger plates of the heat exchanger unit are designed as at least one module.
  • the heat exchanger plates of the at least one module are arranged spaced apart from one another at a first desired distance transversely to a vertical axis of the storage container.
  • the at least one module is arranged with its heat exchanger plates at a distance from the tank bottom and from the tank wall.
  • the at least one module, with its heat exchanger plates along the vertical axis, takes up at most half of a target level of the storage medium in the interior.
  • the heat exchanger unit is coupled to a heat pump, which at least temporarily extracts heat from the storage medium via the heat exchanger unit, and to a regeneration system, which at least temporarily provides heat to the storage medium via the heat exchanger unit, and to a control and/or regulation unit, which at least controls or regulates cooling and heating of the heat exchanger unit.
  • the heat exchanger unit can be connected to the heat pump and the regeneration system via a hydraulic module, which includes system hydraulics and a control and/or regulating unit.
  • the regeneration system can advantageously have a roof absorber and/or an energy fence.
  • further heat generators can also be integrated, which can support the regeneration, i.e. the warming up, of the heat exchanger unit. Both sensible and latent energy can be extracted from the heat exchanger unit via the heat pump.
  • the heat exchanger unit can optionally also be used for a regeneration system as an absorber, energy fence, etc.
  • Renewable energy can be supplied to the latent heat storage device via the regeneration system and/or other heat generators.
  • a consequence of the heat extraction is that ice plates form on the surfaces of the heat exchanger plates, for example up to 30 mm.
  • the heat exchanger unit can be switched from extraction to regeneration. The result is a detachment of the ice sheets from the surfaces of the heat exchanger plates. Due to the force of gravity, the pieces of ice float to the surface of the storage medium, in particular the water surface, and the heat exchanger plates are again in contact with the storage medium (usually water). The icing process and thus the use of crystallization heat or the build-up of additional cooling capacity can start again.
  • the thickness of the ice sheets can be defined by influencing the regeneration time.
  • an emergency circuit can be provided that prevents the ice sheets from becoming too thick and growing together. In this way it can be achieved that no undesired pressure forces act within the heat exchanger unit.
  • a changeover device with at least one changeover valve for influencing a flow direction of the heat transfer fluid, at least one temperature sensor for detecting the temperature of the heat transfer fluid and at least one volume flow sensor for detecting a heating request and/or cooling request from the heat pump can be arranged between the latent heat storage device, heat pump and regeneration system.
  • the heat transfer fluid can be routed selectively between the components as required.
  • At least one mixing valve can be arranged in a flow connection between latent heat storage device, heat pump and regeneration system, with which heat transfer fluid from the regeneration system and heat transfer fluid from the heat exchanger unit are mixed.
  • the mixing ratio can be set in such a way that the heat transfer fluid is fed to the heat pump on the primary side at a temperature that is favorable for heat pump operation.
  • a first operating mode a first circuit of the heat transfer fluid can be formed between the latent heat storage device and a primary side of the heat pump.
  • a second circuit of the heat transfer fluid can be formed between the regeneration system and the heat pump.
  • a third circuit of the heat transfer fluid can be formed between the regeneration system and the heat exchanger unit of the latent heat accumulator.
  • the heat exchanger unit extracts heat from the storage medium of the latent heat storage device and cools it down accordingly, with the appropriately temperature-controlled heat transfer fluid being fed to the heat pump for heating purposes or possibly also for cooling purposes.
  • the regeneration system extracts heat from the environment, for example, with the appropriately tempered heat transfer fluid being fed to the heat pump for heating purposes or possibly also for cooling purposes.
  • the heat exchanger unit is heated by the warmer heat transfer fluid of the regeneration system and the storage medium as a whole is heated. If necessary, ice that is present on the heat exchanger plates is defrosted. The latter can in particular take place intermittently during an extraction period during which the latent heat store is cooled by heat extraction.
  • heat transfer fluid from the heat exchanger unit and from the regeneration system can be fed mixed to the primary side of the heat pump in a further operating mode.
  • the heat transfer fluid can be supplied to the heat pump on the primary side at a mixing temperature that is favorable for heat pump operation.
  • the mixing ratio can be adjusted as required.
  • the latent heat storage device, heat pump and regeneration system can be connected to a hydraulic module which has the switching device with the at least one switching valve, the at least one temperature sensor and the at least one volume flow sensor.
  • the hydraulic module can expediently also have conveying means for the heat transfer fluid.
  • the heat pump can have its own pump on the primary side.
  • the hydraulic module is advantageously designed as a self-sufficient device with its own control and/or regulation unit, which uses the signals from the at least one volume flow sensor and the temperature signals of the heat transfer fluid in the hydraulic module to independently actuate the switching device and, if necessary, the mixing valve in order to carry out the heating and, if necessary, cooling requirements of the heat pump or the thermal regeneration of the heat exchanger unit in the latent heat accumulator or also a thermal regeneration of the regeneration system.
  • the latent heat accumulator, heat pump and regeneration system only need to be fluidly connected to the hydraulic module.
  • the usual control and/or regulation unit of the heat pump does not have to be adapted to the hydraulic module and its regulation or control.
  • a method for operating an energy supply system with at least one latent heat store is proposed, the latent heat store providing heat and cold for a consumer via a heat exchanger unit which is in thermal contact with the storage medium and through which a heat transfer fluid flows in the operating state.
  • the heat exchanger unit is coupled with a heat pump, which at least temporarily extracts heat from the storage medium via the heat exchanger unit, and with a regeneration system, which at least temporarily provides heat to the storage medium via the heat exchanger unit, and with a control and/or regulation unit, which at least controls or regulates cooling and heating of the heat exchanger unit.
  • the heat exchanger plates of the heat exchanger unit are defrosted depending on an exit temperature of the heat transfer fluid at or after exit from the heat exchanger unit, as soon as the exit temperature reaches or falls below a preset temperature threshold.
  • the latent heat store in particular ice energy store, is equipped with one or more modules of the heat exchanger unit that are connected to one another, each consisting of several heat exchanger plates, which enable heat to be extracted from the storage medium and the latent heat store or the storage medium of the latent heat store to be regenerated, i.e. to heat it up.
  • a hydraulic module with system hydraulics and a control and/or regulation unit for the heat source management is favorably present.
  • the system hydraulics include all lines for the heat transfer fluid as well as pumps, sensors and actuators for operating the hydraulic module.
  • the control and/or regulation unit can decide which energy source is to be used or when the latent heat accumulator is to be regenerated by comparing the temperatures in the heat transfer fluid circuits.
  • crystallization energy becomes usable and ice plates several centimeters thick form on the surfaces of the heat exchanger plates.
  • warm heat transfer fluid, in particular brine from the regeneration system or other existing heating circuits flows through the heat exchanger plates.
  • the ice plates detach from the heat exchanger plates and drift to the water surface due to gravity.
  • the regeneration can also take place via an electric heating element.
  • the energy introduced in this way is used to the full and is retained as sensible heat. Determining the ice thickness is of great importance for successful system operation.
  • the ice thickness on the heat exchanger plates is determined via the change in the temperature of the heat transfer fluid at the outlet of the heat transfer fluid from the heat exchanger unit, which can advantageously be recorded in the hydraulic module. This avoids complex wiring of sensors in the heat exchanger unit or the latent heat storage device.
  • the thermal regeneration of the heat exchanger unit can take place via absorbers of the regeneration system, such as roof absorbers, energy fences and the like, existing heating circuits at the consumer, an electric heating element, in particular in the latent heat store, or other sources.
  • absorbers of the regeneration system such as roof absorbers, energy fences and the like, existing heating circuits at the consumer, an electric heating element, in particular in the latent heat store, or other sources.
  • an electric heating element in particular in the latent heat store, or other sources.
  • several such components can also be combined.
  • This process is controlled via the changing temperatures within the circuit of the heat transfer fluid.
  • the outlet temperature of the heat transfer fluid is measured in the hydraulic module as it exits the heat exchanger unit.
  • a temperature threshold for example a temperature in the range between -4°C and -8°C, the regeneration of the heat exchanger unit is activated for a certain period of time.
  • the heat exchanger unit is supplied with warm heat transfer fluid, in particular from the regeneration system, and/or the storage medium is heated, for example via an electric heating rod.
  • the exact end of the regeneration is also controlled via the outlet temperature of the heat transfer fluid recorded in the hydraulic module when it leaves the heat exchanger unit. As soon as this outlet temperature is above freezing again, the de-icing process can be ended.
  • the set temperature threshold of the heat transfer fluid from the heat exchanger unit defines a thickness of the ice plates formed on the heat exchanger plates.
  • a corresponding graphic can also be created for this purpose and stored in the control and/or regulation unit.
  • the temperatures at the inlet of the heat exchanger unit are not at least 4 K above the freezing point, an electric heating element can be activated.
  • the melting time can advantageously be only a few minutes, so that the heat exchanger unit is quickly available again for extracting heat from the storage medium.
  • the melting of the ice itself is energetically favorable, since the energy used is retained in the form of sensible heat in the latent heat storage system and can be used again later.
  • the heat extraction is only briefly interrupted by the melting of the ice.
  • the preset temperature threshold of the heat transfer fluid from the heat exchanger unit can be selected such that the thickness of ice on the heat exchanger plates of the at least one module is less than half the first target distance between the heat exchanger plates of the at least one module.
  • the temperature threshold can be selected in the range of -5°C and -9°C, preferably in the range of -4°C and -8°C. The thickness of the ice on the surface of the heat exchanger plates can be reliably inferred from the outlet temperature of the heat transfer fluid when it leaves the heat exchanger unit, without having to intervene in a module of the heat exchanger unit or the latent heat accumulator.
  • heat can be supplied until the outlet temperature reaches or exceeds at least 0.degree.
  • the heat extraction from the latent heat storage device is only briefly interrupted.
  • heat transfer fluid in a first operating mode, can flow in a first circuit between the latent heat storage device and a primary side of the heat pump, and in a second operating mode, heat transfer fluid can flow in a second circuit between the regeneration system and the heat pump, it being possible to switch between the first and second circuits depending on the operating conditions of the heat exchanger unit and/or the heat pump.
  • the heat pump receives heat transfer fluid in a favorable temperature range.
  • the heat exchanger unit is automatically de-iced when the outlet temperature reaches or falls below a temperature threshold and is again available for heat extraction from the storage medium.
  • heat transfer fluid can flow in a third circuit between the heat exchanger unit of the latent heat storage device and the regeneration system, which allows the storage medium to be heated and, in particular, ice to be thawed from the surface of the heat exchanger plates. It can be switched between the circuits depending on the operating conditions of the heat exchanger unit and/or the heat pump.
  • figure 1 illustrates in a schematic manner a power supply system 200 according to an embodiment of the invention
  • figure 2 shows a heat exchanger unit 40 that can be used advantageously in the energy supply system 200.
  • FIG. In this case, such a heat exchanger unit 40 will advantageously be installed in a latent heat accumulator 100 .
  • such a heat exchanger unit 40 can also be used in a regeneration system of the energy supply system 200 .
  • the energy supply system 200 includes a latent heat store 100.
  • the latent heat store 100 has a storage container 10 which is provided for receiving a storage medium 12 with latent heat.
  • the storage medium 12 is water, for example.
  • the latent heat storage serves as the first energy source.
  • a heat exchanger unit 40 is arranged in the storage medium 12, which is provided for the exchange of heat with the storage medium 12 and at least one module 50 ( figure 2 ), which has a heat transfer fluid 52 flowing through it during operation.
  • the module 50 is formed by a plurality of parallel and spaced apart heat exchanger plates 60 which extend parallel to the vertical axis 110 of the storage container 10 .
  • two or more such modules 50 ( figure 2 ) be interconnected and form the heat exchanger unit 40.
  • the heat transfer fluid 52 is, for example, brine or a glycol-water mixture or the like.
  • the energy supply system 200 also includes a heat pump 210, the primary side of which is fluidly connected to the heat exchanger unit 40 of the latent heat storage device 100, and a second energy source in the form of a regeneration system 220, for example in the form of a roof absorber and/or an energy fence. Furthermore, the energy supply system 200 includes a hydraulic module 1000 with the hydraulic system 300 and an associated open-loop and/or closed-loop control unit 350 which is connected to the hydraulic system 300 .
  • the system hydraulic system 300 fluidly connects the heat exchanger unit 40 of the latent heat storage device 100, the regeneration system 220 and the heat pump 210.
  • the heat pump 210 is coupled to the hydraulic module 1000 via a fluid interface 212, the heat exchanger unit 40 via a fluid interface 102, and the regeneration system 220 via a fluid interface 222, with the fluid interfaces 102, 212 , 222 each include connections for the entry and exit of heat transfer fluid 52 into or out of the components 100, 210, 220.
  • the heat pump 210 supplies a consumer 150, for example a detached house, with heat or, if required, with cooling.
  • a conveying means 214 is provided, for example, which conveys a heat transfer fluid from the secondary side of the heat pump 210 to the consumer 150 .
  • figure 2 shows a heat exchanger unit 40, as used in the latent heat storage device 100 in figure 1 can be used and which is in thermal contact with the storage medium 12 in the interior 14 of the storage container 10 and which has a heat transfer fluid 52 flowing through it in the operating state.
  • figure 3 shows a plan view of the module 50 of the heat exchanger unit 40.
  • In figure 4 are different distances related to the heat exchange unit 40 in the storage tank 10 ( figure 1 ) indicated.
  • the heat exchanger unit 40 has at least one module 50 with heat exchanger plates 60, each of which has the heat transfer fluid 52 flowing through it.
  • the heat exchanger plates 60 of the heat exchanger unit 40 are designed as a compact module 50 that can be interconnected with other modules 50 in the latent heat storage device 100 if required.
  • the heat exchanger unit 40 provides the primary side of the heat pump 210 with sensible and also latent heat from the latent heat store 100 .
  • the heat exchanger plates 60 in the module 50 are arranged at a distance from one another at a first desired distance 62 transversely to a vertical axis 110 of the storage container 10 .
  • the module 50 is arranged with its heat exchanger plates 60 at a distance from the tank bottom 16 and from the tank wall 18 .
  • the module 50 with its heat exchanger plates 60 along the vertical axis 110 occupies at most half of a target level 20 of the storage medium 12 in the interior 14 .
  • the module 50 has a distribution line 80 and a collecting line 90 , fluid inlets 64 of the heat exchanger plates 60 opening into the distribution line 80 and fluid outlets 66 of the heat exchanger plates 60 opening into the collecting line 90 for the heat transfer fluid 52 .
  • the heat exchanger plates 60 are connected in parallel in terms of flow. If two or more modules 50 are arranged in the latent heat accumulator 100, a common distribution line 80 and a common collecting line 90 can be present for all of them.
  • each module 50 can have its own distribution line 80 and its own collection line 90 .
  • the lines are expediently arranged in the ice-free area.
  • the module 50 with its heat exchanger plates 60 occupies at most one third of the target level 20 of the storage medium 12 along the vertical axis 110 .
  • ice is formed on the surface of the heat exchanger plates 60 when heat is withdrawn from the latent heat storage device 100 and is defrosted essentially in a pulsed manner when a predetermined ice thickness is reached. Small fluctuations in the water level 20 when the ice forms on the heat exchanger plates 60 of the heat exchanger unit 40 or when the ice is defrosted can be neglected compared to the distances.
  • the ice detached from the heat exchanger unit 40 can be accommodated in the free space 24 above the heat exchanger unit 40 placed near the bottom of the storage tank 10 without undesired forces being exerted on the heat exchanger unit 40 or storage wall 18 or storage floor 16 of the storage tank 10.
  • the module 50 with its heat exchanger plates 60 has, for example, an area of at least about 2 to 2.5 m 2 for heat extraction, with a favorable width of the heat exchanger plates 60 of, for example, about 800 mm to 1200 mm and a height of up to 1200 mm.
  • a module 50 of a heat exchanger unit 40 can advantageously consist of 8 to 12 heat exchanger plates 60 and is sufficient to supply a single-family house with approx. 150 m 2 of area to be heated, for example in Central Europe, in order to supply it with heat and, if necessary, cold over the year. Should more power be required, additional modules 50 can be installed and interconnected
  • the module 50 with its heat exchanger plates 60 has a volume of at most 20%, preferably 15%, particularly preferably at most 10% of the volume of the storage medium 12 .
  • the volume refers to the outer dimensions of an envelope of the heat exchanger plates 60 in the module 50, which are arranged here, for example, in a cuboid as an envelope.
  • the module 50 With its heat exchanger plates 60, the module 50 has a distance 54 from the container bottom 16, which is dimensioned such that the storage medium 12 is free of ice within the distance 54 even when the module 50 is in its intended coldest operating state.
  • the heat exchanger plates 60 can be arranged with their end faces facing the storage floor 16 on a pallet 65 which has spacers 66 corresponding to the storage floor 16 .
  • the storage container 10 is thermally coupled to its surroundings and is arranged in the ground in the operating state. This allows ambient heat to be absorbed, with the soil surrounding the storage container 10 generally having a temperature above the freezing point all year round.
  • the modular design of the heat exchanger unit 40 allows the storage tank 10 to be prefabricated with the at least one module 50 .
  • the latent heat accumulator 100 can be transported to the place of use without any problems by road transport and only needs to be inserted there into a prepared pit and, if necessary, also be filled with storage medium 12 and/or heat transfer fluid 52 .
  • a first circuit 202 of heat transfer fluid 52 is formed between latent heat store 100 and a primary side of heat pump 210 .
  • a second circuit 204 of the heat transfer fluid 52 is formed between the regeneration system 220 and the heat pump 210 .
  • a switching device (not shown) can be used to switch between the two circuits 202, 204, so that when heat pump 210 requests extraction, the energy source that is more favorable for heat pump 210, namely latent heat storage device 100 or regeneration system 220, always delivers heat to heat pump 210.
  • the heat transfer fluid 52 can be mixed, so that the heat pump 210 receives the heat transfer fluid 52 at a mixed temperature from the first and second circuits 202, 204.
  • a third circuit 206 is formed between the latent heat storage device 100 and the regeneration system 220 . This allows regeneration of the latent heat store 100 after the withdrawal period, the storage medium 12 of which is heated up in the process. Further, this allows for a brief regeneration of the heat exchanger unit 40 during the withdrawal period when ice that has formed temporarily on the surface of the heat exchanger plates 60 is removed in order to improve the thermal contact with the storage medium 12 .
  • Switching is expediently effected by control and/or regulation unit 350 of hydraulic module 1000, which on the one hand recognizes a request from heat pump 210 by measuring volume flow and temperature and switches circuits 202, 204 accordingly and, by measuring the outlet temperature of heat transfer fluid 52 from heat exchanger unit 40, recognizes whether there is ice on the surface of heat exchanger plates 60 and whether this should be removed.
  • the hydraulic module 1000 contains all the components, i.e. valves, temperature sensors, conveying means, volume flow sensors and the like, which are necessary for autonomous operation, so that intervention in a controller of the heat pump 210 is not necessary.
  • the figures 7 and 8th schematically illustrate configurations of a method for operating an energy supply system 200 with at least one latent heat store 100, which provides heat and cold for a consumer 150 via a heat exchanger unit 40.
  • the heat exchanger unit 40 is to be freed from ice during the extraction period in order to then be ready again for heat extraction.
  • step S100 in the hydraulic module 1000 ( figures 1 , 5 ) the exit temperature T_40 of the heat transfer fluid 52 from the heat exchanger unit 40 is detected. This can be done continuously or periodically. Temperature sensors are arranged in the system hydraulics 300 for this purpose.
  • step S102 the regulation and/or control unit 350 of the hydraulic module 1000 checks whether the outlet temperature T_40 is equal to or below a temperature threshold T_REG at which the regeneration of the heat exchanger unit 40 is to take place.
  • the temperature threshold T_REG corresponds to a defined thickness of the ice on the surface of the heat exchanger plates 60 and is advantageously in the range of -4°C and -8°C,
  • T_40 ⁇ T_REG (“y” in the flowchart)
  • the heat exchanger unit 40 is regenerated in step S104. If T_40 is above the temperature threshold T_REG (“n” in the flowchart), more heat is withdrawn from the latent heat storage device 100 .
  • step S106 the regulation and/or control unit 350 of the hydraulic module 1000 checks whether the outlet temperature T_40 exceeds a temperature value, for example 0°C. If this is the case ("y" in the flow chart), the regulation and/or control unit 350 of the hydraulic module 1000 switches back to the extraction mode in step S120. If this is not the case ("n" in the flow chart), the regeneration is continued in step S104.
  • a temperature value for example 0°C.
  • FIG 8 shows a variant of the procedure. Steps S100-S106 proceed as in figure 7 to which reference is made to avoid unnecessary repetition.
  • step S110 it is also checked whether an inlet temperature T_1 of the heat transfer fluid 52 in the heat exchanger unit 40 is greater by a defined value, for example 4 K, than the outlet temperature T_40. If this is the case ("y" in the flowchart), in step S120 a switch is made to the withdrawal mode. If the temperature difference is lower ("n" m flow chart), a heating source is switched on in step S112, for example an electric heating element in the storage medium 12, in order to warm up the storage medium 12.
  • a heating source is switched on in step S112, for example an electric heating element in the storage medium 12, in order to warm up the storage medium 12.
  • step S114 it is again checked whether an inlet temperature T_1 of the heat transfer fluid 52 in the heat exchanger unit 40 is greater by a defined value, for example 4 K, than the outlet temperature T_40. If this is the case ("y" in the flowchart), in step S120 a switch is made to the withdrawal mode. If the temperature difference is lower ("n" m flow chart), the storage medium 12 continues to be heated by means of the additional heat source.
  • a defined value for example 4 K

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher (100), ein Energieversorgungssystem sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb zur Bereitstellung von Wärme und Kälte für einen Verbraucher, mit einem Speicherbehälter (10) zur Aufnahme eines Speichermediums (12) in einem Innenraum (14) und einer darin angeordneten Wärmetauschereinheit (40), die im Betriebszustand von einem Wärmeträgerfluid (52) durchströmt ist. Die Wärmetauschereinheit (40) weist Wärmetauscherplatten (60) auf, welche als wenigstens ein kompaktes Modul (50) ausgebildet sind, wobei die Wärmetauscherplatten (60) des wenigstens einen Moduls (50) quer zu einer Hochachse (110) des Speicherbehälters (10) zueinander in einem ersten Soll-Abstand (62) beabstandet angeordnet sind. Das wenigstens eine Modul (50) ist mit seinen Wärmetauscherplatten (60) beabstandet zum Behälterboden (16) und zur Behälterwand (18) angeordnet, wobei das wenigstens eine Modul (50) mit seinen Wärmetauscherplatten (60) entlang der Hochachse (110) höchstens die Hälfte eines Soll-Pegelstandes (20) des Speichermediums (12) im Innenraum (14) einnimmt.

Description

    Die Erfindung betrifft Stand der Technik
  • Latentwärmespeicher zur Speicherung von sensibler und latenter Wärme sind insbesondere in Form von Eisspeichern allgemein bekannt. Ein Problem bei derartigen Eisspeichern besteht darin, dass das Speichermedium, Wasser, beim Wärmeentzug erstarrt und sein Volumen vergrößert. Dies birgt die Gefahr, dass der Speicherbehälter ebenso wie im Speichermedium angeordnete Wärmetauscher beschädigt oder gar zerstört werden. Zudem behindert die Eisbildung den thermischen Austausch zwischen Speichermedium und Wärmetauscher.
  • Aus der EP 1 807 672 B1 ist ein Energieversorgungssystem mit einem von Erde umgebenen Latentwärmespeicher mit einem zentralen Entzugswärmetauscher bekannt, der während der Entzugsphase gerichtet von innen nach außen abgekühlt werden kann, so dass das Speichermedium einen Eismonolithen um den Entzugswärmetauscher bildet. Während der Regenerationsphase wird der Eismonolith gerichtet von außen nach innen aufgetaut.
  • Aus der DE 30 23 592 A1 ist ein Latentwärmespeicher in Form eines Eisspeichers mit einem wärmeisolierten Speicherbehälter in einem Gebäudekeller bekannt. Der Boden des Eisspeichers ist mit einem flachen Wärmetauscher in Form eines gerippten Blechs bedeckt, an dem Rohre einer Kühleinrichtung und einer Warmwasserzirkulation angeordnet sind. Während einer Entzugsperiode wird in Vertiefungen des Wärmetauschers kontinuierlich Eis gebildet und mittels der Warmwasserzirkulation abgelöst.
  • Die EP 0 019 235 A1 offenbart einen Latentwärmespeicher in Form eines Eisspeichers, dessen Behälterboden den Verdampfer einer Wärmepumpe bildet. Periodisch wird das sich am Verdampfer bildende Eis über Wärmezufuhr von einer externen Wärmequelle oder Umschaltung der Wärmepumpe abgetaut.
  • Aus der DE 31 36 614 A1 ist ein Latentwärmespeicher in Form eines Eisspeichers bekannt, der auf dem Boden des Speicherbehälters eine Kühlplatte aufweist, die mit einer Wärmepumpe in Verbindung steht. Die sich bei Wärmeentzug auf der Kühlplatte bildende Eischicht wird durch kurzzeitiges Zuführen von Wärme abgelöst und ermöglicht wiederum den Wärmeentzug über die Kühlplatte. Der Wärmeentzug kann periodisch eingestellt werden. Der Zeitperiode ist eine Thermostatsteuerung übergeordnet, die den Abtauvorgang bei Erreichen einer bestimmten Austrittstemperatur des Wärmeträgerfluids beendet und wieder auf Wärmeentzug schaltet. Hierbei wird während des Auftauens der Eisschicht die Sole-Austrittstemperatur ermittelt. Liegt die Sole-Austrittstemperatur unter dem Sollwert, erfolgt entweder eine Heißgasabtauung oder die Wärmepumpe wird als Ganzes abgeschaltet und der Kälteplatte aus einem Wärmespeicher warme Sole zugeführt.
  • Aus der CH 713 882 B1 ist ein Latentwärmespeicher in Form eines Eisspeichers bekannt, bei dem einzelne Plattenwärmetauscher in Richtung der Hochachse am Boden des Speicherbehälters aufgestellt werden. Die Anschlüsse für Zuführung und Abführung des Wärmeträgerfluids sind an den Seitenrändern der Platten angeordnet, die zur Fläche der Platten hin mit einer Barrierestruktur abgetrennt sind. Die Plattenwärmetauscher sind vollständig in Wasser eingetaucht, und die Barrierestrukturen verhindern ein Hineinwachsen der sich auf den Plattenflächen bildenden Eisplatten in Bereiche, welche sich im in Schwerkraftrichtung gesehen unter den Anschlüssen der Zuführung und Abführung befinden. Ebenso wird ein Formschluss mit den sich bildenden Eisplatten verhindert, was das Ablösen des Eises weiter erleichtert.
  • Die EP 0 004 552 A1 offenbart einen Latentwärmespeicher in Form eines Eisspeichers mit senkrecht im Speicherbehälter angeordneten Lamellen, an denen sich zu beiden Seiten Eisplatten bilden können, die am freien Ende der Lamellen zusammenwachsen. Zum Ablösen wird den Lamellen Wärme zugeführt. Zum Wärmeentzug ist am Fuß der Lamellen jeweils ein Verdampferrohr angeordnet, das ein Teil des Verdampfers einer Wärmepumpe bildet und von einem Kältemittel, z.B. einem Fluorkohlenwasserstoff, durchströmt ist. Ferner ist am Fuß der Lamellen eine Leitung angeordnet, durch welche ein Wärmetransportfluid strömt. Ein unerwünschtes Umklammern der seitlichen Flanken der Lamellenflächen durch das sich bildende Eis wird vermieden, indem die einzelnen Lamellen mit ihren seitlichen Randbereichen in die Seitenwände des Speicherbehälters hineinragen. Der Speicherbehälter und die Lamellen sind in ihren Abmessungen so aufeinander abgestimmt, dass bei maximalem Wärmeentzug und minimalster Wärmezufuhr, die gerade ausreichend ist, um das Eis von Lamellen zu lösen, ein genügend großes Wasservolumen über den Lamellen zur Aufnahme des im Wasser schwimmenden Eises zur Verfügung steht.
  • Aus der CA 3 109 464 C ist ein Speicher in bekannt, bei dem Eisstücke für Kühlzwecke im Speicherbehälter gespeichert wird. Der Speicher ist nach außen thermisch isoliert. Innerhalb des Speicherbehälters im Bodenbereich positioniertes Kühlelement in Form von einer abgeflachten Rohrwendel beidseits mit einer elektrisch leitenden Platte versehen ist. Auf der Platte kann sich bei Wärmeentzug Eis bilden. Die Platte ist mit elektrischen Kontakten versehen. Zum Ablösen des Eises kann die Platte bestromt werden, wobei sich die Platte erwärmt und sich das gebildete Eis löst. Das Eis schwimmt an die Oberfläche des Speicherbehälters und kann dort bei Bedarf entnommen werden. Zur Bestimmung der Menge des verfügbaren Eises im Speicherbehälter wird der Wasserstand im Behälter überwacht.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines fertigungsfreundlichen Latentwärmespeichers.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines fertigungsfreundlichen Energieversorgungssystems, das wenigstens einen Latentwärmespeicher aufweist.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines solchen Energieversorgungssystems.
  • Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
  • Es wird nach einem Aspekt der Erfindung ein Latentwärmespeicher zur Bereitstellung von Wärme und Kälte für einen Verbraucher vorgeschlagen, mit einem Speicherbehälter zur Aufnahme eines Speichermediums in einem Innenraum und einer darin angeordneten Wärmetauschereinheit, die mit dem Speichermedium in thermischem Kontakt ist und die im Betriebszustand von einem Wärmeträgerfluid durchströmt ist. Die Wärmetauschereinheit weist Wärmetauscherplatten auf, von denen jede von dem Wärmeträgerfluid durchströmt ist. Die Wärmetauscherplatten der Wärmetauschereinheit bilden wenigstens ein kompaktes Modul. Die Wärmetauscherplatten des wenigstens einen Moduls sind quer zu einer Hochachse des Speicherbehälters zueinander in einem ersten Soll-Abstand beabstandet angeordnet. Das wenigstens eine Modul ist mit seinen Wärmetauscherplatten beabstandet zum Behälterboden und zur Behälterwand angeordnet. Das wenigstens eine Modul nimmt mit seinen Wärmetauscherplatten entlang der Hochachse höchstens die Hälfte eines Soll-Pegelstandes des Speichermediums im Innenraum des Speicherbehälters ein.
  • Der Latentwärmespeicher ist insbesondere Bestandteil eines Energieversorgungssystems zur Versorgung eines Verbrauchers mit thermischer Energie, insbesondere mit Wärme und Kälte. Das Speichermedium kann insbesondere Wasser sein.
  • Durch eine Veränderung der Abstände zwischen den Wärmetauscherplatten und einer Dicke der Eisplatten kann ein Energieversorgungssystem mit einem derartigen Latentwärmespeicher als Langzeit- oder Kurzzeit/Hochleistungsspeicher ausgelegt und eingesetzt werden.
  • Der Latentwärmespeicher ist vorzugsweise so dimensioniert, dass dieser einen Verbraucher in Form eines Wohngebäudes, insbesondere ein Einfamilienhaus oder Zweifamilienhaus, mit Wärme im Winter und Kälte im Sommer versorgen kann. Vorteilhaft wirkt der Latentwärmespeicher in einem Energieversorgungssystem mit einer Wärmepumpe zusammen, die an ihrer Primärseite das Wärmeträgerfluid aus der Wärmetauschereinheit erhält.
  • Bei dieser Form der Anordnung der Wärmetauscherplatten wirken keine Auftriebskräfte auf den Speicher oder, wie in anderen Fällen, auf ein übliches Montagesystem, das den Entzugswärmetauscher trägt. Die sich an der Wärmetauschereinheit selbst einstellenden Auftriebskräfte werden durch das Eigengewicht der Wärmetauschereinheit aufgehoben.
  • Die Wärmetauschereinheit mit einem oder mehreren Modulen mit Wärmetauscherplatten kann optional auch für ein Regenerationssystem als Absorber, Energiezaun etc., eingesetzt werden.
  • Vorteilhafterweise wird der Speicherbehälter im Erdreich angeordnet. Günstigerweise steht der Latentwärmespeicher in thermischem Kontakt mit dem diesen umgebenden Erdreich.
  • Die Wärmetauschereinheit kann so am Boden fixiert werden, dass zwischen der Bodenplatte und der Unterseite der Wärmetauschereinheit ein Spalt von 15-20 cm verbleibt. Dieser Raum kann für die Leitungsführung genutzt werden. Darüber hinaus kann so sichergestellt werden, dass das Erdreich unter dem Speicherbehälter nicht einfriert und eventuell temporär anstehendes Wasser nicht gefrieren und somit keine Kräfte auf den Speicherbehälter ausüben kann
  • Vorteilhaft kann der Speicherbehälter bereits beim Hersteller mit der Wärmetauschereinheit ausgestattet, d.h. vorkonfektioniert, werden. Die industrielle Fertigung der Wärmetauschereinheit stellt die erforderliche Qualität sicher und reduziert aufwändige und teure handwerkliche Arbeit auf der Baustelle. Darüber hinaus wird die Montagezeit vor Ort reduziert.
  • Dabei erlaubt der modulare Aufbau der Wärmetauschereinheit, nach Bedarf den Speicherbehälter mit einer Wärmetauschereinheit auszustatten, die ein, zwei oder mehr Module umfasst. Die Zahl der Module kann nach dem zu erwartenden Energiebedarf des Verbrauchers und den Rahmenbedingungen am Eisatzort bei dem Verbraucher angepasst werden. Der vorkonfektionierte Speicherbehälter kann insbesondere zum Straßentransport ausgebildet sein und daher leicht zum Verbraucher transportiert werden. Es muss lediglich eine Grube zur Aufnahme des Speicherbehälters bereitgestellt werden. Aufwändige Bauarbeiten, etwa das Gießen des Speicherbehälters am Einsatzort, eine personalintensive Montage des Entzugswärmetauschers und dergleichen, kann unterbleiben. Die Füllung des Speicherbehälters mit dem Speichermedium, beispielsweise Wasser, kann am Einsatzort erfolgen. Ebenso kann das Wärmeträgerfluid vor Ort in die Wärmetauschereinheit eingefüllt werden, oder dies kann bereits beim Einbau in den Speicherbehälter erfolgen.
  • Eine Beschädigung des Speicherbehälters im Betrieb durch Vereisung kann vermieden werden. Tritt ein Defekt am Latentwärmespeicher auf, kann dieser als komplette Einheit einfach ausgetauscht werden.
  • Die Wärmetauscherplatten können aus Aluminium, Edelstahl oder Kunststoff (PE) gefertigt sein. Die Wärmetauschereinheit und alle Leitungen werden vorzugsweise mit einem Glykol/Wasser-Gemisch gefüllt, auch als Sole bekannt.
  • Vorteilhaft können Leitungen für Zulauf und Ablauf zu den Wärmetauscherplatten wärmegedämmt ausgeführt werden. So kann vermieden werden, dass sich innerhalb des Speicherbehälters ein unkontrollierter Eisaufbau oberhalb der Wärmetauschereinheit einstellt.
  • Gegenüber bisherigen Wärmetauschersystemen liegt ein Vorteil des modularen Aufbaus der Wärmetauschereinheit in der Möglichkeit der industriellen Vorfertigung und der damit verbundenen Qualitätssicherung sowie dem geringeren Aufwand hinsichtlich Materialeinsatz und Montage. Durch den Einsatz von in sich abgeschlossenen Modulen für die Wärmetauschereinheit wird der Aufwand für die Simulation und Auslegung der Energieversorgungssysteme mit derartigen Latentwärmespeichern beim Hersteller vereinfacht.
  • Vorteilhaft kann das Energieversorgungssystem unabhängig von langjähriger Erfahrung weltweit für klimafreundliche Heiz- und Kühlanwendungen eingesetzt werden.
  • In einer günstigen Ausgestaltung eines Moduls kann vorgesehen sein, dass die Wärmetauscherplatten mit ihren bestimmungsgemäß dem Behälterboden zugewandten Stirnseiten auf einer Palette, insbesondere einer Kunststoffpalette, angeordnet sind, ähnlich einer so genannten Euro-Palette. Die Palette kann mit den Wärmetauscherplatten verschweißt oder in anderer geeigneter Weise fest verbunden sein, und bildet auf diese Weise ein stabiles Modul, das somit transportfähig und lagerfähig ist.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Latentwärmespeichers kann das wenigstens eine Modul eine Verteilerleitung und eine Sammelleitung aufweisen. Insbesondere können Fluideingänge der Wärmetauscherplatten in die Verteilerleitung und Fluidausgänge der Wärmetauscherplatten in die Sammelleitung für das Wärmeträgerfluid münden. Insbesondere können die Wärmetauscherplatten strömungsmäßig parallel geschaltet sein. Sollen zwei oder mehr Module im Latentwärmespeicher eingebaut werden, können diese einfach über ihre Verteilerleitun und Sammelleitungen zusammengeschaltet sein.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Latentwärmespeichers können im Speicherbehälter Verteilerleitungen und Sammelleitungen mehrerer, insbesondere gleichartiger, Module strömungsmäßig zusammengeschaltet sein, insbesondere strömungsmäßig parallel geschaltet sein. Die Zahl der Module kann nach Bedarf einfach erweitert werden.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Latentwärmespeichers kann das wenigstens eine Modul mit seinen Wärmetauscherplatten entlang der Hochachse höchstens ein Drittel des Soll-Pegelstandes des Speichermediums einnehmen. Vorteilhaft kann das freie Volumen des Speichermediums im Speicherbehälter oberhalb der Wärmetauschereinheit jene Eisplatten aufnehmen, die von der Wärmetauschereinheit abgelöst werden und die im Speicherbehälter nach oben schwimmen. Dabei wird kein Druck durch das aufschwimmende Eis auf den Speicherbehälter ausgeübt, so dass eine Sprengwirkung bei Eisbildung vorteilhaft vermieden werden kann.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Latentwärmespeichers kann das wenigstens eine Modul mit seinen Wärmetauscherplatten eine Fläche wenigstens zum Wärmeentzug von 2 m2, insbesondere bis zu 2,5 m2 aufweisen.
  • Günstige Abmessungen der Wärmetauscherplatten können beispielsweise etwa 800 mm bis 1200 mm Breite und bis zu 1200 mm Höhe sein. Je Platte ergibt sich dann mit Vorderseite und Rückseite eine Oberfläche von ca. 2 bis 2,5 m2. Ein Modul einer Wärmetauschereinheit kann günstigerweise aus 8 bis 12 Wärmetauscherplatten bestehen.
  • Ein Modul einer Wärmetauschereinheit mit derartigen Abmessungen ist zur Versorgung eines Einfamilienhauses mit ca. 150 m2 zu beheizender Fläche beispielsweise in Mitteleuropa ausreichend, um dieses über das Jahr gesehen mit Wärme und gegebenenfalls Kälte zu versorgen. Sollte mehr Leistung erforderlich sein, kann die Leistung der Wärmetauschereinheit vergrößert werden, indem weitere Module installiert und miteinander verbunden werden.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Latentwärmespeichers kann das Modul mit seinen Wärmetauscherplatten eine das Modul einschließende Umhüllende mit einem Volumen von höchstens 20%, bevorzugt 15%, besonders bevorzugt höchstens 10 % des Volumens des Speichermediums aufweisen. Das Modul kann z.B. quaderförmig ausgebildet sein, so dass die Umhüllende einen Quader darstellt.
  • Dadurch, dass die Wärmetauschereinheit im unteren Bereich des Speicherbehälters installiert ist und nur ein geringes Volumen des Speicherbehälters einnimmt, kann der Raum oberhalb der Wärmetauschereinheit somit als "Eislager" für die sich ablösenden Eisplatten genutzt werden, die an die Wasseroberfläche treiben. Der Speicherbehälter und die Konstruktion der Wärmetauschereinheit müssen keine relevanten mechanischen Kräfte aufnehmen und können somit einfach und günstig bereitgestellt werden. Durch das Enteisen der Oberflächen der Wärmetauscherplatten bleibt die Entzugsleistung der Wärmetauchereinheit nahezu konstant, und das Gesamtsystem arbeitet mit einem vorteilhaften Wirkungsgrad. Günstigerweise sind Verteilerleitungen und Sammelleitungen der Wärmetauschereinheit außerhalb der Bereiche angeordnet, in denen Eis auftreten kann.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Latentwärmespeichers kann das wenigstens eine Modul mit seinen Wärmetauscherplatten einen Abstand zum Behälterboden aufweisen, der so bemessen ist, dass das Speichermedium innerhalb des Abstands auch im bestimmungsgemäß kältesten Betriebszustand des wenigstens einen Moduls eisfrei ist. Sind die Wärmetauscherplatten des Moduls auf einer Palette angeordnet, entspricht der Abstand im Wesentlichen dem der dem Behälterboden zugewandten Stirnseiten der Wärmetauscherplatten.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Latentwärmespeichers kann der Speicherbehälter mit dem wenigstens einen Modul vorkonfektioniert hergestellt sein. Dies vereinfacht die Transportlogistik zum Verbraucher und den Montageaufwand vor Ort.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Latentwärmespeichers kann der Speicherbehälter thermisch mit seiner Umgebung gekoppelt sein. Insbesondere kann der Speicherbehälter im Betriebszustand im Erdreich angeordnet sein.
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Energieversorgungssystem mit wenigstens einem Latentwärmespeicher vorgeschlagen. Der Latentwärmespeicher zur Bereitstellung von Wärme und Kälte für einen Verbraucher ist mit einem Speicherbehälter versehen zur Aufnahme eines Speichermediums in einem Innenraum und einer darin angeordneten Wärmetauschereinheit, die mit dem Speichermedium in thermischem Kontakt ist und die im Betriebszustand von einem Wärmeträgerfluid durchströmt ist. Die Wärmetauschereinheit weist Wärmetauscherplatten auf, von denen jede von dem Wärmeträgerfluid durchströmt ist. Die Wärmetauscherplatten der Wärmetauschereinheit sind als wenigstens ein Modul ausgebildet. Die Wärmetauscherplatten des wenigstens einen Moduls sind quer zu einer Hochachse des Speicherbehälters zueinander in einem ersten Soll-Abstand beabstandet angeordnet. Das wenigstens eine Modul ist mit seinen Wärmetauscherplatten beabstandet zum Behälterboden und zur Behälterwand angeordnet. Das wenigstens eine Modul nimmt mit seinen Wärmetauscherplatten entlang der Hochachse höchstens die Hälfte eines Soll-Pegelstandes des Speichermediums im Innenraum ein.
  • Die Wärmetauschereinheit ist mit einer Wärmepumpe, die wenigstens zeitweise dem Speichermedium über die Wärmetauschereinheit Wärme entzieht, und mit einem Regenerationssystem, das wenigstens zeitweise dem Speichermedium über die Wärmetauschereinheit Wärme bereitstellt, gekoppelt, sowie mit einer Steuer- und/oder Regelungseinheit, welche zumindest ein Abkühlen und Aufwärmen der Wärmetauschereinheit steuert oder regelt.
  • Die Wärmetauschereinheit kann über ein Hydraulikmodul, welches eine Anlagenhydraulik und eine Steuer- und/oder Regelungseinheit umfasst, mit der Wärmepumpe und dem Regenerationssystem verbunden sein. Das Regenerationssystem kann vorteilhaft einen Dachabsorber und/oder einen Energiezaun aufweisen. Optional können auch weitere Wärmeerzeuger eingebunden sein, welche die Regeneration, d.h. das Aufwärmen, der Wärmetauschereinheit unterstützen können. Über die Wärmepumpe kann der Wärmetauschereinheit sowohl sensible als auch latente Energie entzogen werden.
  • Die Wärmetauschereinheit kann optional auch für ein Regenerationssystem als Absorber, Energiezaun etc., eingesetzt werden.
  • Über das Regenerationssystem und/oder andere Wärmeerzeuger kann dem Latentwärmespeicher erneuerbare Energie zugeführt werden. Dabei ist eine Folge des Wärmeentzugs, dass sich auf den Oberflächen der Wärmetauscherplatten Eisplatten bilden, beispielsweise bis zu 30 mm. Um diesen Vereisungsprozess zu unterbrechen, kann die Wärmetauschereinheit von Entzug auf Regeneration umgeschaltet werden. Die Folge ist eine Ablösung der Eisplatten von den Oberflächen der Wärmetauscherplatten. Schwerkraftbedingt treiben die Eisstücke an die Oberfläche des Speichermediums, insbesondere Wasseroberfläche, und die Wärmetauscherplatten stehen wieder in Kontakt mit dem Speichermedium (in der Regel Wasser). Der Vereisungsprozess und damit die Nutzung von Kristallisationswärme oder der Aufbau weiterer Kühlkapazität kann von Neuem beginnen.
  • Über eine Beeinflussung des Regenerationszeitpunktes kann die Dicke der Eisplatten definiert werden. Günstigerweise kann eine Notschaltung vorgesehen sein, die verhindert, dass die Eisplatten zu dick werden und zusammenwachsen. So kann erreicht werden, dass keine unerwünschten Druckkräfte innerhalb der Wärmetauschereinheit wirken.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energieversorgungssystems kann zwischen Latentwärmespeicher, Wärmepumpe und Regenerationssystem eine Umschalteinrichtung mit wenigstens einem Umschaltventil zur Beeinflussung einer Strömungsrichtung des Wärmeträgerfluids, wenigstens einen Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des Wärmeträgerfluids und wenigstens einen Volumenstromsensor zur Erfassung einer Heizanforderung und/oder Kälteanforderung der Wärmepumpe angeordnet sein. Vorteilhaft kann das Wärmeträgerfluid bedarfsgerecht selektiv zwischen den Komponenten geleitet werden.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energieversorgungssystems kann in einer Strömungsverbindung zwischen Latentwärmespeicher, Wärmepumpe und Regenerationssystem wenigstens ein Mischventil angeordnet sein, mit dem Wärmeträgerfluid aus dem Regenerationssystem und Wärmeträgerfluid aus der Wärmetauschereinheit gemischt wird. Das Mischungsverhältnis kann dabei so eingestellt werden, dass der Wärmepumpe primärseitig das Wärmeträgerfluid mit einer für den Wärmepumpenbetrieb günstigen Temperatur zugeführt wird.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energieversorgungssystems kann abhängig von Betriebsbedingungen von Wärmetauschereinheit und/oder Wärmepumpe unterschiedliche Kreisläufe des Wärmeträgerfluids vorliegen. In einem ersten Betriebsmodus kann ein erster Kreislauf des Wärmeträgerfluids zwischen Latentwärmespeicher und einer Primärseite der Wärmepumpe ausgebildet sein. In einem zweiten Betriebsmodus kann ein zweiter Kreislauf des Wärmeträgerfluids zwischen Regenerationssystem und Wärmepumpe ausgebildet sein. In einem dritten Betriebsmodus kann ein dritter Kreislauf des Wärmeträgerfluids zwischen Regenerationssystem und Wärmetauschereinheit des Latentwärmespeichers ausgebildet sein. Insbesondere kann eine Umschalteinrichtung mit wenigstens einem Umschaltventil zum Umschalten zwischen den Kreisläufen vorhanden sein. Die verschiedenen Kreisläufe sind abhängig von Betriebsbedingungen von Wärmetauschereinheit und/oder Wärmepumpe aktiviert.
  • Ist der erste Kreislauf aktiv, entzieht die Wärmetauschereinheit Wärme aus dem Speichermedium des Latentwärmespeichers und kühlt dieses entsprechend ab, wobei das entsprechend temperierte Wärmeträgerfluid der Wärmepumpe zu Heizzwecken oder gegebenenfalls auch zu Kühlzwecken zugeführt wird.
  • Ist der zweite Kreislauf aktiv, entzieht das Regenerationssystem Wärme beispielsweise aus der Umgebung, wobei das entsprechend temperierte Wärmeträgerfluid der Wärmepumpe zu Heizzwecken oder gegebenenfalls auch zu Kühlzwecken zugeführt wird.
  • Ist der dritte Kreislauf aktiv, wird die Wärmetauschereinheit durch das wärmere Wärmeträgerfluid des Regenerationssystems erwärmt und das Speichermedium insgesamt aufgewärmt. Gegebenenfalls wird dabei Eis, das auf den Wärmetauscherplatten vorhanden ist, abgetaut. Letzteres kann insbesondere intermittierend während einer Entzugsperiode erfolgen, während der der Latentwärmespeicher durch Wärmeentzug abgekühlt wird.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energieversorgungssystems kann abhängig von Betriebsbedingungen von Wärmetauschereinheit und/oder Wärmepumpe in einem weiteren Betriebsmodus Wärmeträgerfluid aus der Wärmetauschereinheit und aus dem Regenerationssystem der Primärseite der Wärmepumpe gemischt zugeführt ist. Durch das Mischen von Wärmeträgerfluid aus dem Regenerationssystem und Wärmeträgerfluid aus der Wärmetauschereinheit kann der Wärmepumpe primärseitig das Wärmeträgerfluid mit einer für den Wärmepumpenbetrieb günstigen Mischtemperatur zugeführt werden. Das Mischungsverhältnis kann dabei nach Bedarf eingestellt werden.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energieversorgungssystems können Latentwärmespeicher, Wärmepumpe und Regenerationssystem an ein Hydraulikmodul angeschlossen sein, welches die Umschalteinrichtung mit dem wenigstens einen Umschaltventil, den wenigstens einen Temperatursensor und den wenigstens einen Volumenstromsensor aufweist. Zweckmäßigerweise kann das Hydraulikmodul auch Fördermittel für das Wärmeträgerfluid aufweisen. Unabhängig davon kann die Wärmepumpe eine eigene primärseitige Pumpe aufweisen. Das Hydraulikmodul ist vorteilhaft als autarke Vorrichtung mit eigener Steuer- und/oder Regelungseinheit ausgebildet, die anhand der Signale des wenigstens einen Volumenstromsensors und der Temperatursignale des Wärmeträgerfluids in dem Hydraulikmodul autark die Umschalteinrichtung und gegebenenfalls das Mischventil betätigt, um die Heiz- und gegebenenfalls Kühlanforderungen der Wärmepumpe oder die thermische Regeneration der Wärmetauschereinheit im Latentwärmespeicher oder auch eine thermische Regeneration des Regenerationssystems vorzunehmen.
  • Vorteilhaft brauchen Latentwärmespeicher, Wärmepumpe und Regenerationssystem lediglich fluidisch mit dem Hydraulikmodul verbunden werden. Die übliche Steuer- und/oder Regelungseinheit der Wärmepumpe muss nicht an das Hydraulikmodul und dessen Regelung oder Steuerung angepasst werden.
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Energieversorgungssystems mit wenigstens einem Latentwärmespeicher vorgeschlagen, wobei der Latentwärmespeicher Wärme und Kälte für einen Verbraucher über eine Wärmetauschereinheit bereitstellt, die mit Speichermedium in thermischem Kontakt steht und die im Betriebszustand von einem Wärmeträgerfluid durchströmt wird. Die Wärmetauschereinheit wird mit einer Wärmepumpe, die wenigstens zeitweise dem Speichermedium über die Wärmetauschereinheit Wärme entzieht, und mit einem Regenerationssystem, das wenigstens zeitweise dem Speichermedium über die Wärmetauschereinheit Wärme bereitstellt, gekoppelt, sowie mit einer Steuer- und/oder Regelungseinheit, welche zumindest ein Abkühlen und Aufwärmen der Wärmetauschereinheit steuert oder regelt. Bei Wärmeentzug aus dem Speichermedium wird eine Eisbildung auf Wärmetauscherplatten der Wärmetauschereinheit temporär unterbrochen und das Eis von den Wärmetauscherplatten entfernt. Ein Abtauen der Wärmetauscherplatten der Wärmetauschereinheit erfolgt abhängig von einer Austrittstemperatur des Wärmeträgerfluids bei oder nach Austritt aus der Wärmetauschereinheit, sobald die Austrittstemperatur eine voreingestellte Temperaturschwelle erreicht oder unterschreitet.
  • Der Latentwärmespeicher, insbesondere Eis-Energiespeicher, wird mit einer oder mehreren untereinander verbundenen Modulen der Wärmetauschereinheit, die jeweils aus mehreren Wärmetauscherplatten bestehen, ausgestattet, die den Wärmeentzug aus dem Speichermedium und die Regeneration des Latentwärmespeichers bzw. des Speichermediums des Latentwärmespeichers, d.h. dessen Erwärmung, ermöglichen.
  • Günstigerweise ist ein Hydraulikmodul mit einer Anlagenhydraulik und einer Steuer- und/oder Regelungseinheit für das Wärmequellenmanagement vorhanden.
  • Die Anlagenhydraulik umfasst alle Leitungen für das Wärmeträgerfluid sowie Pumpen, Sensoren und Aktoren für den Betrieb des Hydraulikmoduls. In der Steuer- und/oder Regelungseinheit kann situationsabhängig über den Abgleich der Temperaturen in den Wärmeträgerfluid-Kreisläufen entschieden werden, welche Energiequelle genutzt oder wann der Latentwärmespeicher regeneriert werden soll. Bei der Energienutzung unterhalb des Gefrierpunktes des Speichermediums wird Kristallisationsenergie nutzbar, und es bilden sich an den Oberflächen der Wärmetauscherplatten Eisplatten von mehreren Zentimetern Dicke. Bei Unterschreiten einer definierten Temperaturschwelle, des durch die Wärmetauschereinheit fließenden Wärmeträgerfluids werden die Wärmetauscherplatten mit warmen Wärmeträgerfluid, insbesondere Sole, aus dem Regenerationssystem oder anderen vorhandenen Heizkreisen durchströmt. Dabei lösen sich die Eisplatten von den Wärmetauscherplatten und treiben schwerkraftbedingt an die Wasseroberfläche. Die Regeneration kann auch über einen elektrischen Heizstab erfolgen. Die auf diese Art und Weise eingebrachte Energie wird zu vollständig genutzt und bleibt als sensible Wärme erhalten. Für den erfolgreichen Anlagenbetrieb ist die Bestimmung der Eisdicke von großer Bedeutung. Die Bestimmung der Eisdicke auf den Wärmetauscherplatten erfolgt über die Veränderung der Temperatur des Wärmeträgerfluids am Austritt des Wärmeträgerfluids aus der Wärmetauschereinheit, die vorteilhaft in dem Hydraulikmodul erfasst werden kann. Damit wird eine aufwändige Verkabelung von Sensoren in der Wärmetauschereinheit oder dem Latentwärmespeicher vermieden.
  • Die thermische Regeneration der Wärmetauschereinheit kann über Absorber des Regenerationssystems, wie Dachabsorber, Energiezaun und dergleichen, bestehende Heizkreise beim Verbraucher, einen elektrischen Heizstab, insbesondere im Latentwärmespeicher, oder andere Quellen erfolgen. Optional können auch mehrere solcher Komponenten kombiniert werden.
  • Die Steuerung dieses Prozesses erfolgt über die sich verändernden Temperaturen innerhalb des Kreislaufs des Wärmeträgerfluids. Hierzu wird die Austrittstemperatur des Wärmeträgerfluids beim Austritt aus der Wärmetauschereinheit in dem Hydraulikmodul gemessen. Sobald diese einen Temperaturschwelle, beispielsweise eine Temperatur im Bereich zwischen -4°C und -8°C, erreicht oder unterschreitet, wird die Regeneration der Wärmetauschereinheit für einen bestimmten Zeitraum aktiviert.
  • Dazu wird der Wärmetauschereinheit warmes Wärmeträgerfluid, insbesondere aus dem Regenerationssystem, zugeführt und/oder das Speichermedium beispielsweise über einen elektrischen Heizstab erwärmt. Das genaue Ende der Regeneration wird ebenfalls über die in dem Hydraulikmodulerfasste Austrittstemperatur des Wärmeträgerfluids beim Austritt aus der Wärmetauschereinheit gesteuert. Sobald diese Austrittstemperatur wieder über dem Gefrierpunkt liegt, kann der Enteisungsvorgang beendet werden.
  • Die eingestellte Temperaturschwelle des Wärmeträgerfluids aus der Wärmetauschereinheit definiert eine Dicke der auf den Wärmetauscherplatten entstehenden Eisplatten. Hierzu kann auch eine entsprechende Grafik erstellt und in der Steuer- und/oder Regelungseinheit hinterlegt werden.
  • Aus Gründen der Anlageneffizienz wird beim Ablösen der Eisplatten vorrangig auf das Regenerationssystem und auf etwaig vorhandene Heizkreise zugegriffen. Sollten die Temperaturen am Eingang der Wärmetauschereinheit (Eintrittstemperatur) nicht mindestens 4 K oberhalb des Gefrierpunktes liegen, kann ein elektrischer Heizstab aktiviert werden. Je höher die Temperatur des warmen Wärmeträgerfluids bei der Regeneration über dem Gefrierpunkt liegt, desto kürzer fällt die Abschmelzdauer aus. Die Abschmelzdauer kann bei einer Temperaturschwelle zwischen -4°C und -8°C vorteilhaft nur wenige Minuten betragen, so dass die Wärmetauschereinheit schnell wieder zum Wärmeentzug aus dem Speichermedium zur Verfügung steht.
  • Das Abschmelzen des Eises selbst ist energetisch günstig, da die aufgewendete Energie in Form von sensibler Wärme im Latentwärmespeicher erhalten bleibt und später wieder genutzt werden kann. Der Wärmeentzug wird durch das Abschmelzen des Eises also nur kurzzeitig unterbrochen.
  • Weil sich das Eis bei etwas unter 0°C von der Oberfläche der Wärmetauscherplatten ablöst, kann die Temperatur des Eis aufgrund fehlenden weiteren Energieeintrages an der Wasseroberfläche nicht kälter als ca. -2°C werden. Die Folge ist, dass aufgrund der nachströmenden Erdwärme über die Speicherwände des Speicherbehälters keine Eisbildung am Rand des Speicherbehälters erfolgen kann. Folglich kann die Gefahr der Sprengwirkung vermieden werden.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann die voreingestellte Temperaturschwelle des Wärmeträgerfluids aus der Wärmetauschereinheit so gewählt werden, dass eine Dicke von Eis auf den Wärmetauscherplatten des wenigstens einen Moduls kleiner ist als der halbe erste Soll-Abstand zwischen den Wärmetauscherplatten des wenigstens einen Moduls. Insbesondere kann die Temperaturschwelle im Bereich von -5°C und -9°C, bevorzugt im Bereich von -4°C und -8°C, gewählt werden. Über die Austrittstemperatur des Wärmeträgerfluids bei Austritt aus der Wärmetauschereinheit kann zuverlässig auf die Eisdicke an der Oberfläche der Wärmetauscherplatten geschlossen werden, ohne in ein Modul der Wärmetauschereinheit oder den Latentwärmespeicher eingreifen zu müssen.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann eine Wärmezufuhr so lange erfolgen, bis die Austrittstemperatur wenigstens 0°C erreicht oder übersteigt. Vorteilhaft wird der Wärmeentzug aus dem Latentwärmespeicher dabei nur kurzzeitig unterbrochen.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann in einem ersten Betriebsmodus Wärmeträgerfluid in einem ersten Kreislauf zwischen Latentwärmespeicher und einer Primärseite der Wärmepumpe strömen und in einem zweiten Betriebsmodus Wärmeträgerfluid in einem zweiten Kreislauf zwischen Regenerationssystem und Wärmepumpe strömen, wobei abhängig von Betriebsbedingungen der Wärmetauschereinheit und/oder der Wärmepumpe zwischen erstem und zweitem Kreislauf umgeschaltet werden kann. Die Wärmepumpe erhält Wärmeträgerfluid in einem günstigen Temperaturbereich. Die Wärmetauschereinheit wird bei Erreichen oder Unterschreiten einer Temperaturschwelle der Austrittstemperatur automatisch enteist und steht wieder zum Wärmeentzug aus dem Speichermedium zur Verfügung. In einem dritten Betriebsmodus kann Wärmeträgerfluid in einem dritten Kreislauf zwischen der Wärmetauschereinheit des Latentwärmespeichers und dem Regenerationssystem strömen, was ein Erwärmen des Speichermediums und insbesondere ein Abtauen von Eis von der Oberfläche der Wärmetauscherplatten erlaubt. Es kann abhängig von Betriebsbedingungen der Wärmetauschereinheit und/oder der Wärmepumpe zwischen den Kreisläufen umgeschaltet werden.
    • Zeichnung
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
  • Es zeigen beispielhaft:
    • Fig. 1
    in schematischer Darstellung ein Energieversorgungssystem nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
    Fig. 2
    ein Modul einer Wärmetauschereinheit mit Wärmetauscherplatten;
    Fig. 3
    eine Frontansicht eines Moduls nach Figur 2;
    Fig. 4
    verschiedene Abstände in Bezug auf ein Modul nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
    Fig. 5
    in schematischer Darstellung einen Latentwärmespeicher mit einem Hydraulikmodul nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
    Fig. 6
    in schematischer Darstellung verschiedene Kreisläufe eines Wärmeträgerfluids abhängig von einem Bedarf von Wärmetauschereinheit und/oder Wärmepumpe,
    Fig. 7
    ein Flussdiagramm zum intermittierenden Enteisen einer Wärmetauschereinheit nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
    Fig. 8
    ein Flussdiagramm zum intermittierenden Enteisen einer Wärmetauschereinheit nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    Ausführungsformen der Erfindung
  • In den Figuren sind gleichartige oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
  • Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.
  • Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie "links", "rechts", "oben", "unten", "davor" "dahinter", "danach" und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.
  • Figur 1 illustriert in schematischer Weise ein Energieversorgungssystem 200 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und Figur 2 zeigt eine Wärmetauschereinheit 40, die vorteilhaft im Energieversorgungssystem 200 eingesetzt werden kann. Dabei wird eine solche Wärmetauschereinheit 40 vorteilhaft in einem Latentwärmespeicher 100 eingebaut sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine solche Wärmetauschereinheit 40 jedoch auch in einem Regenerationssystem des Energieversorgungssystems 200 eingesetzt sein.
  • Das Energieversorgungssystem 200 umfasst einen Latentwärmespeicher 100. Der Latentwärmespeicher 100 weist einen Speicherbehälter 10 auf, der zur Aufnahme eines Speichermediums 12 mit latenter Wärme vorgesehen ist. Das Speichermedium 12 ist beispielsweise Wasser. Der Latentwärmespeicher dient als erste Energiequelle.
  • In dem Speicherbehälter 10 ist eine Wärmetauschereinheit 40 im Speichermedium 12 angeordnet, die zum Austausch von Wärme mit dem Speichermedium 12 vorgesehen ist und wenigstens ein Modul 50 (Figur 2) aufweist, das im Betrieb von einem Wärmeträgerfluid 52 durchströmt ist. Das Modul 50 ist durch eine Mehrzahl von parallel und beabstandet zueinander angeordneten Wärmetauscherplatten 60 gebildet, die sich parallel zur Hochachse 110 des Speicherbehälters 10 erstrecken.
  • Es können bei Bedarf zwei oder mehr solcher Module 50 (Figur 2) zusammengeschaltet sein und die Wärmetauschereinheit 40 bilden.
  • Das Wärmeträgerfluid 52 ist beispielsweise Sole oder ein Glykol-Wassergemisch oder dergleichen.
  • Das Energieversorgungssystem 200 umfasst weiterhin eine Wärmepumpe 210, die mit ihrer Primärseite fluidisch mit der Wärmetauschereinheit 40 des Latentwärmespeichers 100 verbunden ist, sowie eine zweite Energiequelle in Form eines Regenerationssystems 220, beispielsweise in Form eines Dachabsorbers und/oder eines Energiezauns. Ferner umfasst das Energieversorgungssystem 200 ein Hydraulikmodul 1000 mit der Anlagenhydraulik 300 sowie eine dazugehörige Steuer- und/oder Regelungseinheit 350, die mit der Anlagenhydraulik 300 verbunden ist.
  • Die Anlagenhydraulik 300 verbindet fluidisch die Wärmetauschereinheit 40 des Latentwärmespeichers 100, das Regenerationssystem 220 und die Wärmepumpe 210. Die Wärmepumpe 210 ist über eine Fluid-Schnittstelle 212, die Wärmetauschereinheit 40 über eine Fluid-Schnittstelle 102, das Regenerationssystem 220 über eine Fluid-Schnittstelle 222 an das Hydraulikmodul 1000 gekoppelt, wobei die Fluid-Schnittstellen 102, 212, 222 jeweils Anschlüsse für Eintritt und Austritt von Wärmeträgerfluid 52 in die bzw. aus den Komponenten 100, 210, 220 umfassen.
  • Die Wärmepumpe 210 versorgt einen Verbraucher 150, beispielsweise ein Einfamilienhaus, mit Wärme oder bei Bedarf mit Kühlung. Hierzu ist beispielsweise ein Fördermittel 214 vorgesehen, das ein Wärmeträgerfluid von der Sekundärseite der Wärmepumpe 210 zum Verbraucher 150 fördert.
  • Figur 2 zeigt eine Wärmetauschereinheit 40, wie sie im Latentwärmespeicher 100 in Figur 1 eingesetzt sein kann und die mit dem Speichermedium 12 im Innenraum 14 des Speicherbehälters 10 in thermischem Kontakt ist und die im Betriebszustand von einem Wärmeträgerfluid 52 durchströmt ist. Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf das Modul 50 der Wärmetauschereinheit 40. In Figur 4 sind verschiedene Abstände bezogen auf die Wärmetauschereinheit 40 im Speicherbehälter 10 (Figur 1) angedeutet.
  • Die Wärmetauschereinheit 40 weist wenigstens ein Modul 50 mit Wärmetauscherplatten 60 auf, von denen jede von dem Wärmeträgerfluid 52 durchströmt ist. Die Wärmetauscherplatten 60 der Wärmetauschereinheit 40 sind als ein kompaktes Modul 50 ausgebildet, das bei Bedarf mit weiteren Modulen 50 im Latentwärmespeicher 100 zusammengeschaltet werden kann. Die Wärmetauschereinheit 40 stellt der Primärseite der Wärmepumpe 210 sensible und auch latente Wärme aus dem Latentwärmespeicher 100 bereit.
  • Die Wärmetauscherplatten 60 in dem Modul 50 sind quer zu einer Hochachse 110 des Speicherbehälters 10 zueinander in einem ersten Soll-Abstand 62 beabstandet angeordnet. Das Modul 50 ist mit seinen Wärmetauscherplatten 60 beabstandet zum Behälterboden 16 und zur Behälterwand 18 angeordnet. Das Modul 50 nimmt mit seinen Wärmetauscherplatten 60 entlang der Hochachse 110 höchstens die Hälfte eines Soll-Pegelstandes 20 des Speichermediums 12 im Innenraum 14 ein.
  • Das Modul 50 weist eine Verteilerleitung 80 und eine Sammelleitung 90 auf, wobei Fluideingänge 64 der Wärmetauscherplatten 60 in die Verteilerleitung 80 und Fluidausgänge 66 der Wärmetauscherplatten 60 in die Sammelleitung 90 für das Wärmeträgerfluid 52 münden. Die Wärmetauscherplatten 60 sind strömungsmäßig parallel geschaltet. Sind zwei oder mehr Module 50 im Latentwärmespeicher 100 angeordnet, kann für alle eine gemeinsame Verteilerleitung 80 und eine gemeinsame Sammelleitung 90 vorhanden sein. Optional kann jedes Modul 50 eine eigene Verteilerleitung 80 und eine eigene Sammelleitung 90 aufweisen. Die Leitungen sind zweckmäßigerweise im eisfreien Bereich angeordnet.
  • Das Modul 50 nimmt mit seinen Wärmetauscherplatten 60 entlang der Hochachse 110 höchstens ein Drittel des Soll-Pegelstandes 20 des Speichermediums 12 ein. Bestimmungsgemäß wird auf der Oberfläche der Wärmetauscherplatten 60 bei Wärmeentzug aus dem Latentwärmespeicher 100 Eis gebildet, welches bei Erreichen einer vorbestimmten Eisdicke im Wesentlichen pulsartig abgetaut wird. Geringe Schwankungen des Pegelstandes 20 beim Bilden des Eises auf den Wärmetauscherplatten 60 der Wärmetauschereinheit 40 bzw. beim Abtauen des Eises können gegenüber den Abständen vernachlässigt werden.
  • Das von der Wärmetauschereinheit 40 abgelöste Eis kann im Freiraum 24 oberhalb der nahe am Boden des Speicherbehälters 10 platzierten Wärmetauschereinheit 40 aufgenommen werden, ohne das unerwünschte Kräfte auf die Wärmetauschereinheit 40 oder Speicherwand 18 oder Speicherboden 16 des Speicherbehälters 10 ausgeübt werden.
  • Das Modul 50 weist mit seinen Wärmetauscherplatten 60 beispielsweise eine Fläche wenigstens zum Wärmeentzug von etwa 2 bis 2,5 m2 auf, mit einer günstigen Breite der Wärmetauscherplatten 60 von beispielsweise etwa 800 mm bis 1200 mm und einer Höhe von bis zu 1200 mm. Ein Modul 50 einer Wärmetauschereinheit 40 kann günstigerweise aus 8 bis 12 Wärmetauscherplatten 60 bestehen und ist zur Versorgung eines Einfamilienhauses mit ca. 150 m2 zu beheizender Fläche beispielsweise in Mitteleuropa ausreichend, um dieses über das Jahr gesehen mit Wärme und gegebenenfalls Kälte zu versorgen. Sollte mehr Leistung erforderlich sein, so können weitere Module 50 installiert und miteinander verbunden werden
  • Das Modul 50 weist mit seinen Wärmetauscherplatten 60 ein Volumen von höchstens 20%, bevorzugt 15%, besonders bevorzugt höchstens 10 % des Volumens des Speichermediums 12 auf. Das Volumen bezieht sich dabei auf die äußeren Abmessungen einer Umhüllenden der Wärmetauscherplatten 60 im Modul 50, die hier beispielsweise in einem Quader als Umhüllende angeordnet sind.
  • Das Modul 50 weist mit seinen Wärmetauscherplatten 60 einen Abstand 54 zum Behälterboden 16 auf, der so bemessen ist, dass das Speichermedium 12 innerhalb des Abstands 54 auch im bestimmungsgemäß kältesten Betriebszustand des Moduls 50 eisfrei ist. Vorteilhaft können die Wärmetauscherplatten 60 mit ihren dem Speicherboden 16 zugewandten Stirnseiten auf einer Palette 65 angeordnet sein, die entsprechende Abstandshalter 66 zum Speicherboden 16 aufweist.
  • Der Speicherbehälter 10 ist thermisch mit seiner Umgebung gekoppelt, und ist im Betriebszustand im Erdreich angeordnet ist. Dies erlaubt die Aufnahme vom Umgebungswärme, wobei das den Speicherbehälter 10 umgebende Erdreich in der Regel ganzjährig eine Temperatur oberhalb der Gefriergrenze hat.
  • Der modulare Aufbau der Wärmetauschereinheit 40 erlaubt es, den Speicherbehälter 10 mit dem wenigstens einen Modul 50 vorkonfektioniert herzustellen. Der Latentwärmespeicher 100 kann unproblematisch per Straßentransport zum Einsatzort transportiert werden und braucht dort lediglich in eine vorbereitete Grube eingesetzt werden und gegebenenfalls noch mit Speichermedium 12 und/oder Wärmeträgerfluid 52 befüllt werden.
  • Abhängig von Betriebsbedingungen von Wärmetauschereinheit 40 und/oder Wärmepumpe 210 in einem ersten Betriebsmodus ist ein erster Kreislauf 202 des Wärmeträgerfluids 52 zwischen Latentwärmespeicher 100 und einer Primärseite der Wärmepumpe 210 ausgebildet. In einem zweiten Betriebsmodus ist ein zweiter Kreislauf 204 des Wärmeträgerfluids 52 zwischen Regenerationssystem 220 und Wärmepumpe 210 ausgebildet.
  • Mittels einer nicht dargestellten Umschalteinrichtung kann zwischen den beiden Kreisläufen 202, 204 geschaltet werden, so dass bei einer Entzugs-Anforderung durch die Wärmepumpe 210 stets die für die Wärmepumpe 210 günstigere Energiequelle, nämlich Latentwärmespeicher 100 oder Regenerationssystem 220 Wärme an die Wärmepumpe 210 abgibt. Optional kann eine Mischung des Wärmeträgerfluids 52 erfolgen, so dass die Wärmepumpe 210 das Wärmeträgerfluid 52 mit einer Mischtemperatur aus dem ersten und dem zweiten Kreislauf 202, 204 erhält.
  • In einem weiteren Betriebsmodus ist ein dritter Kreislauf 206 zwischen Latentwärmespeicher 100 und Regenerationssystem 220 ausgebildet. Dies erlaubt eine Regeneration des Latentwärmespeichers 100 nach der Entzugsperiode, dessen Speichermedium 12 dabei aufgewärmt wird. Ferner erlaubt dies eine kurzzeitige Regeneration der Wärmetauschereinheit 40 während der Entzugsperiode, wenn kurzzeitig an der Oberfläche der Wärmetauscherplatten 60 gebildetes Eis entfernt wird, um den thermischen Kontakt mit dem Speichermedium 12 zu verbessert.
  • Ein Umschalten erfolgt zweckmäßigerweise durch die Steuer- und/oder Regelungseinheit 350 des Hydraulikmoduls 1000, dass über Volumenstrommessung und Temperaturmessung einerseits eine Anforderung der Wärmepumpe 210 erkennt und die Kreisläufe 202, 204 entsprechend umschaltet und über die Messung der Austrittstemperatur des Wärmeträgerfluids 52 aus der Wärmetauschereinheit 40 erkennt, ob an der Oberfläche der Wärmetauscherplatten 60 Eis vorliegt und ob dieses entfernt werden soll.
  • Das Hydraulikmodul 1000 enthält alle Komponenten, d.h. Ventile, Temperatursensoren, Fördermittel, Volumenstromsensoren und dergleichen, die für einen autarken Betrieb notwendig sind, so dass ein Eingriff in eine Steuerung der Wärmepumpe 210 nicht notwendig ist.
  • Die Figuren 7 und 8 illustrieren schematisch Ausgestaltungen eines Verfahrens zum Betreiben eines Energieversorgungssystems 200 mit wenigstens einem Latentwärmespeicher 100, der Wärme und Kälte für einen Verbraucher 150 über eine Wärmetauschereinheit 40 bereitstellt. Hierbei soll die Wärmetauschereinheit 40 während der Entzugsperiode von Eis befreit werden, um anschließend wieder zum Wärmeentzug bereitzustehen.
  • In Schritt S100 wird im Hydraulikmodul 1000 (Figuren 1, 5) die Austrittstemperatur T_40 des Wärmeträgerfluids 52 aus der Wärmetauschereinheit 40 erfasst. Dies kann kontinuierlich oder periodisch erfolgen. Hierzu sind Temperatursensoren in der Anlagenhydraulik 300 angeordnet.
  • In Schritt S102 wird in der Regelungs- und/oder Steuereinheit 350 des Hydraulikmoduls 1000 geprüft, ob die Austrittstemperatur T_40 gleich oder unterhalb einer Temperaturschwelle T_REG liegt, bei der die Regeneration der Wärmetauschereinheit 40 erfolgen soll. Die Temperaturschwelle T_REG entspricht einer definierten Dicke des Eises auf der Oberfläche der Wärmetauscherplatten 60 und liegt günstigerweise im Bereich von -4°C und -8°C,
  • Ist T_40≤T_REG ("j" im Flussdiagramm) erfolgt in Schritt S104 die Regeneration der Wärmetauschereinheit 40. Ist T_40 oberhalb der Temperaturschwelle T_REG ("n" im Flussdiagramm), wird dem Latentwärmespeicher 100 weiter Wärme entzogen.
  • In Schritt S106 wird in der Regelungs- und/oder Steuereinheit 350 des Hydraulikmoduls 1000 geprüft, ob die Austrittstemperatur T_40 einen Temperaturwert, beispielsweise 0°C, übersteigt. Ist dies der Fall ("j" im Flussdiagramm), schaltet die Regelungs- und/oder Steuereinheit 350 des Hydraulikmoduls 1000 wieder auf den Entzugsbetrieb in Schritt S120 um. Ist dies nicht der Fall ("n" im Flussdiagramm), wird die Regeneration in Schritt S104 fortgeführt.
  • Figur 8 zeigt eine Variante des Verfahrens. Die Schritte S100-S106 laufen wie in Figur 7 ab, auf die zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen verweisen wird.
  • Übersteigt die Austrittstemperatur T_40 in Schritt S106 einen Temperaturwert, beispielsweise 0°C ("j" im Flussdiagramm), wird in Schritt S110 weiterhin geprüft, ob eine Eintrittstemperatur T_1 des Wärmeträgerfluids 52 in die Wärmetauschereinheit 40 um einen definierten Wert, beispielsweise 4 K, größer ist als die Austrittstemperatur T_40. Ist dies der Fall ("j" im Flussdiagramm), wird in Schritt S120 auf den Entzugsbetrieb umgeschaltet. Ist die Temperaturdifferenz geringer ("n" m Flussdiagramm) wird in Schritt S112 eine Heizquelle zugeschaltet, beispielsweise ein elektrischer Heizstab im Speichermedium 12, um das Speichermedium 12 aufzuwärmen. In Schritt S114 wird wiederum geprüft, ob eine Eintrittstemperatur T_1 des Wärmeträgerfluids 52 in die Wärmetauschereinheit 40 um einen definierten Wert, beispielsweise 4 K, größer ist als die Austrittstemperatur T_40. Ist dies der Fall ("j" im Flussdiagramm), wird in Schritt S120 auf den Entzugsbetrieb umgeschaltet. Ist die Temperaturdifferenz geringer ("n" m Flussdiagramm), wird das Speichermedium 12 weiterhin mittels der weiteren Heizquelle aufgewärmt.
    • Bezugszeichen
    • 10
    Speicherbehälter
    12
    Speichermedium
    14
    Innenraum
    16
    Behälterboden
    18
    Behälterwand
    20
    Soll-Pegelstand
    22
    Abstand
    24
    Freiraum
    40
    Wärmetauschereinheit
    50
    Modul
    52
    Wärmeträgerfluid
    54
    Soll-Abstand
    60
    Wärmetauscherplatte
    62
    Soll-Abstand
    64
    Fluideingang
    65
    Palette
    66
    Abstandshalter
    68
    Fluidausgang
    80
    Verteilerleitung
    82
    Leitung
    90
    Sammelleitung
    92
    Leitung
    100
    Latentwärmespeicher
    102
    Schnittstelle
    110
    Hochachse
    150
    Verbraucher
    200
    Energieversorgungssystem
    202
    Kreislauf
    204
    Kreislauf
    210
    Wärmepumpe
    212
    Schnittstelle
    214
    Fördermittel
    220
    Regenerationssystem
    222
    Schnittstelle
    300
    Anlagenhydraulik
    350
    Steuer- und/oder Regelungseinheit
    1000
    Hydraulikmodul
    S100
    Verfahrensschritt
    S102
    Verfahrensschritt
    S104
    Verfahrensschritt
    S106
    Verfahrensschritt
    S110
    Verfahrensschritt
    S112
    Verfahrensschritt
    S114
    Verfahrensschritt
    S120
    Verfahrensschritt
    T_40
    Austrittstemperatur
    T_REG
    Temperaturschwelle
    T_1
    Eintrittstemperatur

Claims (17)

  1. Latentwärmespeicher (100) zur Bereitstellung von Wärme und Kälte für einen Verbraucher (150), mit einem Speicherbehälter (10) zur Aufnahme eines Speichermediums (12) in einem Innenraum (14) und einer darin angeordneten Wärmetauschereinheit (40), die mit dem Speichermedium (12) in thermischem Kontakt ist und die im Betriebszustand von einem Wärmeträgerfluid (52) durchströmt ist,
    wobei die Wärmetauschereinheit (40) Wärmetauscherplatten (60) aufweist, von denen jede von dem Wärmeträgerfluid (52) durchströmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Wärmetauscherplatten (60) der Wärmetauschereinheit (40) als wenigstens ein kompaktes Modul (50) ausgebildet sind,
    wobei die Wärmetauscherplatten (60) des wenigstens einen Moduls (50) quer zu einer Hochachse (110) des Speicherbehälters (10) zueinander in einem ersten Soll-Abstand (62) beabstandet angeordnet sind,
    wobei das wenigstens eine Modul (50) mit seinen Wärmetauscherplatten (60) beabstandet zum Behälterboden (16) und zur Behälterwand (18) angeordnet ist,
    wobei das wenigstens eine Modul (50) mit seinen Wärmetauscherplatten (60) entlang der Hochachse (110) höchstens die Hälfte eines Soll-Pegelstandes (20) des Speichermediums (12) im Innenraum (14) einnimmt.
  2. Latentwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Modul (50) eine Verteilerleitung (80) und eine Sammelleitung (90) aufweist, insbesondere dass Fluideingänge (64) der Wärmetauscherplatten (60) in die Verteilerleitung (80) und Fluidausgänge (66) der Wärmetauscherplatten (60) in die Sammelleitung (90) für das Wärmeträgerfluid (52) münden, insbesondere wobei die Wärmetauscherplatten (60) strömungsmäßig parallel geschaltet sind.
  3. Latentwärmespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Speicherbehälter (10) Verteilerleitungen (80) und Sammelleitungen (90) mehrerer, insbesondere gleichartiger, Module (50) strömungsmäßig zusammengeschaltet sind, insbesondere strömungsmäßig parallel geschaltet sind.
  4. Latentwärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Modul (50) mit seinen Wärmetauscherplatten (60) entlang der Hochachse (110) höchstens ein Drittel des Soll-Pegelstandes (20) einnimmt.
  5. Latentwärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (50) mit seinen Wärmetauscherplatten (60) ein Volumen von höchstens 20%, bevorzugt 15%, besonders bevorzugt höchstens 10 % des Volumens des Speichermediums (12) aufweist.
  6. Latentwärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Modul (50) mit seinen Wärmetauscherplatten (60) einen Abstand (54) zum Behälterboden (16) aufweist, der so bemessen ist, dass das Speichermedium (12) innerhalb des Abstands (54) auch im bestimmungsgemäß kältesten Betriebszustand des wenigstens einen Moduls (50) eisfrei ist.
  7. Latentwärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherbehälter (10) mit dem wenigstens einen Modul (50) vorkonfektioniert hergestellt ist.
  8. Latentwärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherbehälter (10) thermisch mit seiner Umgebung gekoppelt ist, insbesondere dass der Speicherbehälter (10) im Betriebszustand im Erdreich angeordnet ist.
  9. Energieversorgungssystem (200) mit wenigstens einem Latentwärmespeicher (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei der Latentwärmespeicher (100) zur Bereitstellung von Wärme und Kälte für einen Verbraucher (150), mit einem Speicherbehälter (10) zur Aufnahme eines Speichermediums (12) in einem Innenraum (14) und einer darin angeordneten Wärmetauschereinheit (40), die mit dem Speichermedium (12) in thermischem Kontakt ist und die im Betriebszustand von einem Wärmeträgerfluid (52) durchströmt ist,
    wobei die Wärmetauschereinheit (40) Wärmetauscherplatten (60) aufweist, von denen jede von dem Wärmeträgerfluid (52) durchströmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Wärmetauscherplatten (60) der Wärmetauschereinheit (40) als wenigstens ein Modul (50) ausgebildet sind,
    wobei die Wärmetauscherplatten (60) des wenigstens einen Moduls (50) quer zu einer Hochachse (110) des Speicherbehälters (10) zueinander in einem ersten Soll-Abstand (62) beabstandet angeordnet sind,
    wobei das wenigstens eine Modul (50) mit seinen Wärmetauscherplatten (60) beabstandet zum Behälterboden (16) und zur Behälterwand (18) angeordnet ist,
    wobei das wenigstens eine Modul (50) mit seinen Wärmetauscherplatten (60) entlang der Hochachse (110) höchstens die Hälfte eines Soll-Pegelstandes (20) des Speichermediums (12) im Innenraum (14) einnimmt,
    wobei die Wärmetauschereinheit (40) mit einer Wärmepumpe (210), die wenigstens zeitweise dem Speichermedium (12) über die Wärmetauschereinheit (40) Wärme entzieht, und mit einem Regenerationssystem (220), das wenigstens zeitweise dem Speichermedium (12) über die Wärmetauschereinheit (40) Wärme bereitstellt, gekoppelt ist, sowie mit einer Steuer- und/oder Regelungseinheit (350), welche zumindest ein Abkühlen und Aufwärmen der Wärmetauschereinheit (40) steuert oder regelt.
  10. Energieversorgungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Latentwärmespeicher (100), Wärmepumpe (210) und das Regenerationssystem (220) eine Umschalteinrichtung mit wenigstens einem Umschaltventil zur Beeinflussung einer Strömungsrichtung des Wärmeträgerfluids (52), wenigstens einen Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des Wärmeträgerfluids (52) und wenigstens ein Volumenstromsensor (330) zur Erfassung einer Heizanforderung und/oder Kälteanforderung der Wärmepumpe (210) angeordnet ist.
  11. Energieversorgungssystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Strömungsverbindung zwischen Latentwärmespeicher (100), Wärmepumpe (210) und Regenerationssystem (220) wenigstens ein Mischventil angeordnet ist, mit dem Wärmeträgerfluid (52) aus dem Regenerationssystem (220) und Wärmeträgerfluid (52) aus der Wärmetauschereinheit (40) gemischt wird.
  12. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von Betriebsbedingungen von Wärmetauschereinheit (40) und/oder Wärmepumpe (210) unterschiedliche Kreisläufe (202, 204, 206) des Wärmeträgerfluids (52) vorliegen,
    wobei in einem ersten Betriebsmodus ein erster Kreislauf (202) des Wärmeträgerfluids (52) zwischen Latentwärmespeicher (100) und einer Primärseite der Wärmepumpe (210) ausgebildet ist
    wobei in einem zweiten Betriebsmodus ein zweiter Kreislauf (204) des Wärmeträgerfluids (52) zwischen Regenerationssystem (220) und Wärmepumpe (210) ausgebildet ist,
    wobei in einem dritten Betriebsmodus ein dritter Kreislauf (206) des Wärmeträgerfluids (52) zwischen Regenerationssystem (220) und Wärmetauschereinheit (40) des Latentwärmespeichers (210) ausgebildet ist.
  13. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Latentwärmespeicher (100), Wärmepumpe (210) und Regenerationssystem (220) an ein Hydraulikmodul (1000) angeschlossen sind, welches die Umschalteinrichtung, den wenigstens einen Temperatursensor und den wenigstens einen Volumenstromsensor aufweist.
  14. Verfahren zum Betreiben eines Energieversorgungssystems (200) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, mit wenigstens einem Latentwärmespeicher (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    wobei der Latentwärmespeicher (100) Wärme und Kälte für einen Verbraucher (150) über eine Wärmetauschereinheit (40) bereitstellt, die mit Speichermedium (12) in thermischem Kontakt steht und die im Betriebszustand von einem Wärmeträgerfluid (52) durchströmt wird,
    wobei die Wärmetauschereinheit (40) mit einer Wärmepumpe (210), die wenigstens zeitweise dem Speichermedium (12) über die die Wärmetauschereinheit (40) Wärme entzieht, und mit einem Regenerationssystem (220), das wenigstens zeitweise dem Speichermedium (12) über die Wärmetauschereinheit (40) Wärme bereitstellt, gekoppelt wird, sowie mit einer Steuer- und/oder Regelungseinheit (350), welche zumindest ein Abkühlen und Aufwärmen der Wärmetauschereinheit (40) steuert oder regelt,
    wobei bei Wärmeentzug aus dem Speichermedium (12) eine Eisbildung auf Wärmetauscherplatten (60) der Wärmetauschereinheit (40) temporär unterbrochen wird und das Eis von den Wärmetauscherplatten (60) entfernt wird, wobei ein Abtauen der Wärmetauscherplatten (60) der Wärmetauschereinheit (40) abhängig von einer Austrittstemperatur (T_40) des Wärmeträgerfluids (52) bei oder nach Austritt aus der Wärmetauschereinheit (40) erfolgt, sobald die Austrittstemperatur (T_40) eine voreingestellte Temperaturschwelle (T_reg) erreicht oder unterschreitet.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die voreingestellte Temperaturschwelle (T_reg) so gewählt wird, dass eine Dicke (D_50) von Eis auf den Wärmetauscherplatten (60) des wenigstens einen Moduls (50) kleiner ist als der halbe erste Soll-Abstand (62) zwischen den Wärmetauscherplatten (60) des wenigstens einen Moduls (50), insbesondere wobei die voreingestellte Temperaturschwelle (T_reg) im Bereich von -5°C und -9°C, bevorzugt im Bereich von -4°C und -8°C gewählt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei eine Wärmezufuhr so lange erfolgt, bis die Austrittstemperatur (T_40) wenigstens 0°C erreicht oder übersteigt.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei in einem ersten Betriebsmodus Wärmeträgerfluid (52) in einem ersten Kreislauf (202) zwischen Latentwärmespeicher (100) und einer Primärseite der Wärmepumpe (210) strömt und in einem zweiten Betriebsmodus Wärmeträgerfluid (52) in einem zweiten Kreislauf (204) zwischen Regenerationssystem (220) und Wärmepumpe (210) strömt und in einem dritten Betriebsmodus Wärmeträgerfluid (52) in einem dritten Kreislauf (206) zwischen Regenerationssystem (220) und Latentwärmespeicher (100) strömt, wobei abhängig von Betriebsbedingungen der Wärmetauschereinheit (40) und/oder der Wärmepumpe (210) zwischen den Kreisläufen (202, 204, 206) umgeschaltet wird.
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