EP4589190A1

EP4589190A1 - Wärmespeicher und verfahren zur montage eines wärmespeichers

Info

Publication number: EP4589190A1
Application number: EP25152877.4A
Authority: EP
Inventors: Thomas Badenhop; Christof Krampe-Zadler
Original assignee: Vaillant GmbH
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 2024-01-22
Filing date: 2025-01-20
Publication date: 2025-07-23
Also published as: DE102024101657A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Wärmespeicher (1), umfassend einen Speicherbehälter (2) und eine thermische Isolation (3) des Speicherbehälters (2) gegenüber der Umgebung, wobei zumindest ein Teil der thermischen Isolation (3) als Schüttgut (14) ausgebildet und in einen Aufnahmebereich (4) außen am Speicherbehälter (2) eingebracht ist und der Speicherbehälter (2) zumindest teilweise von einer Zusatzisolierung (12) umgeben ist. Die thermische Isolation (3) des vorgeschlagenen Wärmespeichers (1) ermöglicht eine einfache Demontage und Wiederverwertung der verwendeten Materialien. Zudem wird ein Verfahren zur Montage eines Wärmespeichers (1) vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher sowie ein Verfahren zur Montage eines Wärmespeichers.
Anlagen zur Bereitstellung von Wärme für Warmwasser und/ oder für eine Heizung können Wärmespeicher zur Speicherung von erwärmtem Wasser oder einem oder mehreren anderen Wärmeträgern oder -medien umfassen. Insbesondere bei der Nutzung erneuerbarer Energien, wie bei der Solarthermie, können zu unterschiedlichen Zeitpunkten einerseits gute Bedingungen für eine Wärmegewinnung und andererseits eine Anforderung bzw. ein Abruf von Warmwasser vorliegen. Um hier gleichwohl die seitens eines Nutzers angeforderte Menge bzw. Temperatur mittels erneuerbarer Energien erzeugter Wärme abgeben zu können, finden Wärmespeicher Anwendung, die dazu eingerichtet sind, erwärmten Wärmeträger bis zur Nutzung zu speichern. Ein Wärmespeicher kann auch dafür genutzt werden abgekühlten Wärmeträger zu speichern, der für eine Kühlung eines Raumes vorgehalten wird. Auch zum Abkühlen des Wärmeträger können hierfür erneuerbare Energien genutzt werden.
Derartige Wärmespeicher umfassen in der Regel einen Speicherbehälter zur Aufnahme des Wärmeträgers, der thermisch gegenüber der Umgebung isoliert ist, um Wärmeverluste zu minimieren. Eine hierzu eingesetzte Isolation sollte den Speicherbehälter möglichst dicht umschließen, um eine Bildung von Wärmebrücken, Konvektion (Kamineffekt) und damit verbundene Wärmeverluste zu verhindern. Die Isolation wird zumeist aus bekannten Isolationsmaterialien gebildet, häufig expandierten oder geschäumten Kunststoffen, wie Polyurethan (PUR), Polystyrol oder auch Vliesstoffe aus Kunststoff, zum Beispiel aus Polyester. Nachteilig an derartigen Materialien sind eingeschränkte Recyclingmöglichkeiten, wodurch diese nur sehr bedingt für eine angestrebte Kreislaufwirtschaft geeignet sind.
Eine Isolation eines Wärmespeichers kann aus mehreren Teilen zusammengefügt werden. Ein Beispiel für eine derartige Isolation zeigt die DE 195 27 465 C2 , bei der eine Isolation aus zwei topfförmigen Teilisolationskörpern gebildet wird, die ineinandergefügt einen geschlossenen Behälter bilden. Zudem sind andere Ausgestaltungen bekannt, beispielsweise mit einer Nut-Feder Verbindung von Teilen der Isolation, wie in der DE 10 2004 039 437 A1 .
Alternativ ist eine einteilige Isolation durch Aufbringen von Isolationsmaterial direkt auf den Speicherbehälter bekannt, beispielsweise ein Einschäumen mit einem Kunststoffschaum wie Polyurethan (PUR). Vorteilhaft weisen zum Einschäumen geeignete Materialien wie PUR-Schaum eine geringere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Materialien, die für abnehmbare, mehrteilige Isolationen geeignet sind, beispielsweise expandiertes Polystyrol. Ein damit verbundenes, gegenüber einer einteiligen Isolation erhöhtes Volumen einer mehrteiligen Isolation kann bei großvolumigen Wärmespeichern aufgrund eines deutlich gesteigerten Bauraumbedarfs, vor allem auch während der Transportvorgänge innerhalb der Produktion, einen erheblichen Nachteil darstellen. Zudem kann bei einer mehreiligen Isolation die Bildung von Wärmebrücken in den Verbindungsbereichen nicht vollständig verhindert werden bzw. besteht das Risiko dies durch unsachgemäße Montage der Isolation zu begünstigen.
Ein wesentlicher Nachteil einer einteiligen Isolation besteht in einer erschwerten Demontage. So kann eine festverschäumte thermische PUR-Isolierung eines Wärmespeichers derzeit nur mit hohem Aufwand mechanisch, beispielsweise mittels Schneiden, Schaben und Abkratzen vom Speicherbehälter entfernt werden. Im Rahmen einer gewünschten Wiederverwertung der Materialien eines Wärmespeichers besteht jedoch das Bedürfnis einer Trennung von Isolation und Speicherbehälter. Zudem kann die erhebliche Baugröße eines Wärmespeichers mit einteiliger Isolation das Verbringen desselben an den Installationsort erschweren bzw. das an den Installationsort verbringbare Speichervolumen begrenzen.
Zudem zeigen die GB 545680 A , die DE 941 9611 U1 und die DE 10 2013 016 705 A1 Wärmespeicher, bei denen ein Schüttgut als Isolationsmaterial in einen dafür vorgesehenen Aufnahmeraum am Speicherbehälter eingebracht wird. Die Isolationswirkung dieser Lösungen erscheint jedoch nicht ausreichend.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen Wärmespeicher und ein Verfahren zur Montage eines Wärmespeichers vorzuschlagen, die die geschilderten Probleme des Standes der Technik zumindest teilweise überwinden. Insbesondere soll der Wärmespeicher die Merkmale eines geringen Wärmeverlustes und Bauraumbedarfs sowie eine einfache Herstellung und die Möglichkeit einer einfachen Trennung von Speicherbehälter und Isolation verbinden. Zudem soll der Wärmespeicher und insbesondere dessen thermische Isolation auf eine Weise demontierbar sein. Die verwendeten Materialien sollen weitestgehend trennbar und somit einer Wiederverwendung (Reuse) oder einem Recyclingprozess zuführbar sein.
Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
Hierzu trägt ein Wärmespeicher, aufweisend einen Speicherbehälter und eine thermische Isolation des Speicherbehälters gegenüber der Umgebung, bei. Dabei ist zumindest ein Teil der thermischen Isolation als Schüttgut ausgebildet und in einen Aufnahmebereich außen am Speicherbehälter eingebracht und der Speicherbehälter zumindest teilweise von einer Zusatzisolierung umgeben ist.
Bei dem Wärmespeicher handelt es sich um einen Wärmespeicher zur Versorgung eines Gebäudes mit Wärme für Heizung oder Warmwasser, oder auch mit Kälte, beispielsweise für die Kühlung eines Raumes. Insofern umfasst der Wärmespeicher einen Speicherbehälter zur Aufnahme eines (flüssigen) Wärmeträgers, beispielsweise Warmwasser oder Heizungswasser. Insofern kann der Wärmespeicher als Pufferspeicher, Warmwasserspeicher und/ oder Schichtspeicher ausgebildet sein. Der Wärmespeicher kann einen oder mehrere Wärmetauscher zur Übertragung eines Wärmestromes umfassen, beispielsweise zum Wärmeaustausch mit einem Heizkreis einer Heizungsanlage, einem Volumenstrom zu erwärmenden Brauchwassers, einem Kältekreis einer Wärmepumpenanlage und/ oder einer anderen nachhaltigen Wärmequelle. Ein Wärmetauscher kann beispielsweise als Rohrschlange ausgeführt sein, die (im montierten bzw. aufgebauten Zustand) in der Regel in einem Teilbereich des Warmwasserspeichers angeordnet sein kann.
Der Wärmespeicher umfasst eine thermische Isolation, die den Speicherbehälter insbesondere vollständig umgibt oder einhaust. Die thermische Isolation behindert den Wärmeaustausch des Speicherbehälters bzw. dessen Inhalts mit der Umgebung und kann so Wärmeverluste des Wärmespeichers mindern. Die Ausbildung zumindest eines Teils der thermischen Isolation als Schüttgut ermöglicht dabei eine besonders einfache Wiederverwertung des Materials.
Bei dem Speicherbehälter kann es sich um einen bekannten Speicherbehälter, beispielsweise aus einem metallischen Material oder einem Kunststoff, handeln.
Gemäß einer Ausgestaltung kann der Wärmespeicher und/ oder der Speicherbehälter eine Zylinderform aufweisen. Die Grundfläche kann dabei insbesondere eine kreisrunde Grundfläche sein.
Die thermische Isolation kann eine Umhüllung aufweisen, die weitestgehend äquidistant zu der Oberfläche des Speicherbehälters an diesen angebracht werden kann. Der von Umhüllung und Speicherbehälter gebildete Aufnahmebereich sollte dabei dicht für die als Schüttgut einzubringende thermische Isolation sein. Die Umhüllung kann mehrteilig ausgebildet sein und bei der Montage, beispielsweise mittels Kleben verbunden und am Speicherbehälter angebracht werden. Die Umhüllung kann zum Einblasen des Schüttguts mindestens eine verschließbare Einlassöffnung aufweisen. Zudem können Ventilationsöffnungen für das Einblasverfahren vorgesehen sein, die mit einem Filterelement zum Zurückhalten der als Schüttgut ausgebildeten thermischen Isolation versehen sein können.
Als Schüttgut wird hier insbesondere ein pulvriges, körniges oder stückiges Gemenge bezeichnet, das in einer schüttbaren Form vorliegt und so in den Aufnahmebereich eingebracht werden kann.
Gemäß einer Ausgestaltung kann der als Schüttgut ausgebildete Teil der thermischen Isolation mindestens ein Material ausgewählt aus der folgenden Gruppe umfassen:

nanoporöses Polymethylmethacrylat (PMMA),
Silikate, dabei insbesondere nanoporöse Silikate,
pyrogene Kieselsäure,
Perlite,
Aerogele, dabei insbesondere Silikat-Aerogele, nanoporöse Silikate-Aerogele, insbesondere ein Silikat Aerogel mit der Struktur SiO(OH)_y(OR)_z,
Aerographene (Aerogele auf Graphenbasis). und/ oder
Expandiertes Polystyrol-Granulat mit und ohne Graphitadditiv. Gegebenenfalls können zwei oder mehrere der genannten Materialien in Kombination eingesetzt werden.

Die vorgenannten Materialien weisen eine besonders geringe Wärmeleitfähigkeit auf, so dass bei gleichem Bauraumbedarf bzw. Dicke der thermischen Isolation die Wärmeverluste gegenüber einer herkömmlichen einteiligen Isolation sogar reduziert werden können. Zudem kann die als Schüttgut ausgebildete thermische Isolation im Rahmen einer Demontage einfach entnommen, beispielsweise abgesaugt, und direkt wiederverwendet, bzw. einem Recyclingprozess zugeführt werden.
Alternativ oder kumulativ können auch natürliche Materialien, die häufig als besonders nachhaltig bewertet werden, als Schüttgut für die thermische Isolation verwendet werden. Insofern kann der als Schüttgut ausgebildete Teil der thermischen Isolation mindestens ein natürliches Material ausgewählt aus der folgenden Gruppe umfassen:

Flachs,
Hanf,
Hanfjute,
Holzfasern (lose),
Holzspäne,
Holzwolle,
Jutefasern (lose)
expandierter oder nicht expandierter Kork und/ oder Korklehm,
Schafwolle,
Schilffasern,
Seegras,
Stroh, beispielsweise Strohfasern, und / oder
Zellulose, insbesondere Zelluloseflocken.

Gemäß einer Ausgestaltung kann die thermische Isolation ein Bodenelement aus einem thermisch isolierenden Material umfassen. Das Bodenelement kann beispielsweise eine Vertiefung zur Aufnahme des Speicherbehälters aufweisen und dazu eigerichtet sein, das Gewicht des mit Wärmeträger gefüllten Speicherbehälters zu tragen. Geeignete Materialien für die Bodenplatte können beispielsweise vernetztes poröses oder nanoporöses Polymethylmethacrylat (PMMA), expandiertes Polystyrol (EPS) und/ oder expandiertes Acrylnitril-Butadien-Styrol (e-ABS) sein.
Gemäß einer Ausgestaltung kann das Bodenelement mindestens eine Stützstruktur umfassen, welche zur Aufnahme der Gewichtskräfte des befüllten Speicherbehälters eingerichtet ist. Die Stützstruktur kann hierzu in das Bodenelement integriert, oder mit diesem verbunden sein. Die Stützstruktur kann vorteilhaft hinsichtlich einer geringen Wärmeleitfähigkeit ausgelegt werden. Geeignete Materialien für die Stützstruktur können beispielsweise Kunststoffe oder Kunststoffverbunde, keramische Materialien, Glas, Metall oder Metall-Komposite.
Gemäß einer Ausgestaltung kann ein Mantelelement mit dem Bodenelement verbunden sein und der Aufnahmebereich durch den Zwischenraum zwischen Mantelelement und Speicherbehälter gebildet sein. Das Mantelelement kann hierzu vorgeformt sein, beispielsweise als rohrförmiges Element zur Aufnahme des Speicherbehälters. Alternativ kann das Mantelelement auch ein biegsames ebenes Element sein, das bei der Montage an das Bodenelement angeformt wird. Hierzu kann das Bodenelement beispielsweise eine umlaufende Nut aufweisen, in die das Mantelelement eingesteckt werden kann und so in eine Zylinderform, die weitestgehend äquidistant zur Oberfläche des Speicherbehälters angeordnet ist, verbracht werden. Auch kann eine Nut-Feder-Verbindung zwischen Mantelelement und Bodenelement vorgesehen sein. Alternativ kann das Mantelelement auch um eine äußere Kontur des Bodenelementes gelegt bzw. gewickelt werden. Dabei kann das Mantelelement mit der äußeren Kontur insbesondere formschlüssig oder stoffschlüssig verbunden werden, beispielsweise mittels Kleben, Nieten, Schrauben, mittels einer doppelseitigen Nutleiste und/ oder einem Klettverschluss. Die Verbindung sollte dabei eine Dichtigkeit gegenüber den Partikeln der als Schüttgut einzubringenden thermischen Isolation bewirken. Das Mantelelement kann aus einem Kunststoff, einem Metall bzw. einer Metalllegierung, einer textilen Struktur (beispielsweise einem PET-Vlies) oder anderen dünnwandigen Materialien bestehen.
Gemäß einer Ausgestaltung kann ein Deckelelement aus einem thermisch isolierenden Material mit dem Mantelelement verbunden sein. Hierzu kann das Deckelelement auf der, dem Bodenelement gegenüberliegenden, Seite des Mantelelementes angeordnet sein. Das Deckelelement kann dabei aus dem gleichen Material wie das Bodenelement bestehen, wodurch vorteilhaft die Anzahl der zu recycelnden Materialien reduziert werden kann. Auch das Deckelement kann eine Nut zur Aufnahme des Mantelelementes aufweisen. Alternativ oder kumulativ kann das Deckelelement auch mit den obigen, für das Bodenelement beschriebenen Möglichkeiten zur Verbindung mit dem Mantelelement, mit demselben verbunden werden.
Gemäß einer Ausgestaltung kann mindestens ein Unterstützungselement um den Umfang des Mantelelementes gespannt sein. Das Unterstützungselement kann dabei beispielsweise ein Gurt oder ein Ring sein, der um den Umfang des Mantelelementes gespannt ist.
Dabei sollte der Aufnahmebereich mindestens eine Einlassöffnung zum Einbringen der als Schüttgut ausgebildeten thermischen Isolation aufweisen. Ausdrücklich können auch mehrere Einlassöffnungen vorhanden sein. Zudem können Ventilationsöffnungen für einen Einblasvorgang vorgesehen sein, die mit einem Filterelement zum Rückhalten des Schüttguts versehen sein können.
Gemäß einer Ausgestaltung kann der Aufnahmebereich segmentiert sein, also in mehrere unabhängige Teilbereiche unterteilt sein. Diese sollten dann jeweils mindestens eine Einlassöffnung aufweisen. Bei einem zylinderförmigen Speicherbehälter bzw. Wärmespeicher können durch Trennelemente in radialer Richtung Segmente geschaffen werden. Alternativ oder kumulativ können die Trennelemente in einer axialen Richtung ausgerichtet sein und so eine radiale Segmentierung bewirken.
Gemäß einer Ausgestaltung kann der Aufnahmebereich einen Strömungskanal ausbilden. Dieser kann sich beispielsweise in Schraubenform um den Speicherbehälter winden und durch ein oder mehrere Trennelemente im Inneren des Aufnahmebereiches gebildet werden. Dabei kann der Strömungskanal auch segmentiert sein, also in Teilbereiche unterteilt sein. Das Trennelement kann vorteilhaft aus dem gleichen Material wie das Mantelelement bestehen. Eine Einlassöffnung kann dabei an einem Ende des Strömungskanals angeordnet sein.
Dabei ist der Speicherbehälter zumindest teilweise von einer Zusatzisolierung umgeben. Die Zusatzisolierung kann dabei direkt am Speicherbehälter anliegen. Die Zusatzisolierung kann aus einem besonders temperaturfesten oder wärmedämmenden Material bestehen. Die Zusatzisolierung kann beispielsweise ein oder mehrere Vakuumpanele umfassen. Diese kann insbesondere in dem im Einbauzustand oberen Bereich des Speicherbehälters angeordnet sein. Der obere Bereich kann beispielhaft die obere Hälfte bis zu einem oberen Drittel der Höhe bezogen auf die Gesamthöhe des Speicherbehälters bezeichnen. Dabei versteht sich, dass die Zusatzisolierung bedarfsgerecht beliebig auszuwählende Bereiche des Speicherbehälters umgeben kann, also auch den gesamten Speicherbehälter, oder bei einem Wärmespeicher mit einer Zylinderform nur dessen Mantelfläche.
Insbesondere kann die Zusatzisolierung beabstandet zum Speicherbehälter innerhalb des Aufnahmebereichs angeordnet sein. Somit ergibt sich ein Aufbau, bei dem zwischen Speicherbehälter und Zusatzisolierung Schüttgut angeordnet ist. Auch in dieser Ausgestaltung kann die Zusatzisolierung ein oder mehrere Vakuumpaneele umfassen. Die zum Speicherbehälter beabstandete Anordnung der Zusatzisolierung ermöglicht vorteilhaft eine einfache Demontage der thermischen Isolation des Wärmespeichers und eine getrennte Entsorgung bzw. Wiederverwendung der Materialien der Isolation.
Ein Vakuumpanel kann insbesondere aus einer flexiblen, luftdichten, diffusionsdichten Hülle bestehen, in die ein dämmendes Füllmaterial (beispielsweise pyrogene Kieselsäure oder thermisch expandierte Perlite) eingebracht sind. Nach dem Einbringen des Füllmaterials kann die Luft aus der Hülle evakuiert werden und die Hülle luftdicht verschlossen werden.
Gemäß einer Ausgestaltung kann das mindestens eine Vakuumpanel als Zusatzisolierung eine erste Seite und eine zweite Seite umfassen. Dabei sind die erste und die zweite Seite dem Speicherbehälter zugewandt bzw. abgewandt. Das mindestens eine Vakuumpanel kann auf der ersten Seite und/ oder der zweiten Seite eine (regelmäßige) Welligkeit mit einer Periode, also einem Abstand von einem Wellental zu einem benachbarten Wellental aufweisen. Beispielhaft kann die Welligkeit einer Winkelfunktion entsprechen. Es können auch zwei Vakuumpaneele übereinander, insbesondere im Bereich der Mantelfläche des Speicherbehälters, diesen umwickeln bzw. an diesem übereinander gestapelt anliegen. Dabei kann ein erstes Vakuumpanel, das am Speicherbehälter anliegt, eine erste Periode aufweisen und ein zweites Vakuumpanel, das das erste Vakuumpanel umgibt, eine zweite Periode aufweisen. Die erste und die zweite Periode können dabei derart gewählt sein, dass in Abhängigkeit des Radius des Speicherbehälters ein Ineinandergreifen der Welligkeit vom ersten Vakuumpanel und zweiten Vakuumpanel gewährleistet ist, so dass erstes und zweites Vakuumpanel weitestgehend vollständig bzw. vollflächig in Kontakt sind. Gemäß einer Ausgestaltung kann die erste und die zweite Periode derart gewählt sein, dass der Umfang des Speicherbehälters, der U = 2 π r_Zyl in n Teile unterteil wird. Die Anzahl der Teile n kann dabei in einem Bereich von 10 bis 750, insbesondere in einem Bereich von 30 bis 500 liegen.
Gemäß einer Ausgestaltung kann ein Vakuumpanel eine Welligkeit auch nur auf einer Seite aufweisen und die andere Seite kann eben ausgebildet sein.
Gemäß einer Ausgestaltung kann ein Vakuumpanel auf einer Seite eine Welligkeit mit einer ersten Periode aufweisen und auf der zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden, Seite eine dritte Welligkeit. Dabei kann die erste Welligkeit dazu eingerichtet sein, in eine Welligkeit eines zweiten, an dem ersten Vakuumpanel anliegenden, Vakuumpanels einzugreifen und flächig an diesem anzuliegen bzw. dieses flächig zu kontaktieren. Die dritte Periode kann dazu eingerichtet sein, die Biegsamkeit und Elastizität der zweiten Seite des Vakuumpanels zu unterstützen. Hierfür kann die dritte Periode in einem Bereich von ½ bis 1/ 150 der ersten oder zweiten Periode liegen.
Gemäß einer Ausgestaltung kann dabei die erste Periode eine erste Dicke (bzw. Höhe oder Amplitude) aufweisen und die dritte Periode eine dritte Dicke. Dabei kann das Verhältnis von erster Dick zu dritter Dicke in einem Bereich von ½ bis 1/ 150 liegen. Vor dem Hintergrund, dass erste und zweite Periode nur geringfügig zum Ausgleich des Radius des Speicherbehälters variieren, gilt oben angegebener Bereich auch für das Verhältnis von zweiter zu dritter Dicke.
Gemäß einer Ausgestaltung kann die Zusatzisolierung bzw. das mindestens eine Vakuumpanel pyrogene Kieselsäure oder thermisch expandierte Perlite als Materialien umfassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Montage eines Wärmespeichers vorgeschlagen, bei dem Schüttgut als thermisch isolierendes Material in einen Aufnahmebereich eingeblasen wird. Das Verfahren ermöglicht eine schnelle und einfache Bereitstellung einer thermischen Isolation für einen Wärmespeicher. Besonders vorteilhaft ist die als Schüttgut eingebrachte Isolation frei von Lunkern und damit verbundenen Wärmebrücken. Insofern können Wärmebrücken in der als Schüttgut ausgebildeten thermischen Isolation weitestgehend ausgeschlossen werden. So können auch durch den Aufnahmebereich durchgeführte Anschlüsse oder Leitungen mittels des Einblasverfahrens vollständig mit Isolationsmaterial umgeben werden. Zudem stabilisiert das eingeblasene Schüttgut und stabilisiert die äußere Hülle, insbesondere das Mantelelement mechanisch.
Besonders vorteilhaft kann das Verfahren am Installationsort des Wärmespeichers durchgeführt werden. Vorteilhaft hat der Speicherbehälter ein deutlich geringeres Volumen im Vergleich zu dem thermisch isolierten Wärmespeicher, so dass ein Verbringen an den Installationsort vereinfacht oder überhaupt erst ermöglicht wird. Alternativ kann das Verfahren auch werksseitig bei der Herstellung des Wärmespeichers durchgeführt werden und ein fertiger, mit thermischer Isolation versehener, Wärmespeicher zum Installationsort verbracht werden.
Gemäß einer Ausgestaltung kann bei dem Verfahren der Speicherbehälter auf eine Bodenplatte aufgesetzt und anschließend das Mantelelement mit der Bodenplatte verbunden werden. Hierzu sollte das Bodenelement aus einem thermisch isolierenden Material bestehen und dazu eingerichtet sein, das Gewicht des befüllten Speicherbehälters zu tragen.
Gemäß einer Ausgestaltung kann ein Deckelelement auf das Mantelelement aufgesetzt werden. So kann eine den Speicherbehälter vollständig umgebende thermische Isolierung auf einfache Weise gebildet werden. Dabei können Deckelement und Bodenelement aus dem gleichen Material bestehen, und so eine Demontage und damit verbundenes Recycling vereinfachen.
Gemäß einer Ausgestaltung kann die Zusatzisolierung in den Aufnahmebereich mit Halteelementen fixiert werden, bevor das Schüttgut in den Aufnahmebereich eingebracht und/ oder eingeblasen wird. Durch die Halteelemente, die auch als Abstandselemente (Spacer) zum Speicherbehälter verstanden werden können, kann auf einfache Weise eine zum Speicherbehälter beabstandete Anordnung der Zusatzisolierung erreicht werden. Nach Einbringen des Schüttguts wird die Zusatzisolierung vorteilhaft von dem Schüttgut im Aufnahmebereich beabstandet zum Speicherbehälter fixiert. Bei den Spacern kann es sich beispielsweise um Klemmelemente handeln, die in den Aufnahmebereich geklemmt werden und dabei die Zusatzisolierung fixieren. Es ist auch möglich, dass die Zusatzisolierung einen äußeren Abschluss des Aufnahmebereichs bildet, so dass Schüttgut nur zwischen der Zusatzisolierung und dem Speicherbehälter angeordnet ist.
Ein Verbinden von Mantelelement und Bodenelement bzw. Mantelelement und Deckelement kann mit bekannten formschlüssigen oder stoffschlüssigen Methoden erfolgen, beispielsweise mittels Kleben oder einem Klettverschluss. Auch kann in dem Boden- und/ oder Deckelement eine Nut zur Aufnahme des Mantelelementes vorgesehen sein, die eine formschlüssige Verbindung ermöglicht.
Gemäß einer Ausgestaltung kann mindestens ein, das Mantelelement radial umschließendes Unterstützungselement am Wärmespeicher angebracht werden. Dieses kann die Stabilität des Mantelelementes stützen und einen dauerhaften Verbund von Mantelelement mit Boden- bz. Deckelelement sicherstellen. Bei dem mindestens einen Unterstützungselement kann es sich um einen Gurt oder einen Ring handeln. Das Unterstützungselement kann beispielsweise angebracht werden, indem dieses um den Umfang des Mantelelementes gelegt wird und anschließend dessen Länge (Umfang) reduziert wird, so dass das Unterstützungselement um das Mantelelement gespannt wird.
Eine Demontage des Wärmspeichers kann auf einfache Weise in einer Umkehrung des Verfahrens zur Montage erfolgen. Insbesondere kann die als Schüttgut eingebrachte thermische Isolierung auf einfache Weise aus dem Aufnahmebereich abgesaugt werden und anschließend sortenrein einem Recycling zugeführt werden.
Die im Zusammenhang mit dem Wärmespeicher erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Verfahren auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
Hier werden somit ein Wärmespeicher sowie ein Verfahren zur Montage eines Wärmespeichers angegeben, welche die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere tragen der Wärmespeicher und das Verfahren zumindest dazu bei, einen Wärmespeicher zu schaffen, der einfach aufgebaut ist und eine hervorragende thermische Isolation ohne Lunker und Wärmebrücken aufweist. Vorteilhaft ermöglicht die Ausbildung zumindest eines Teils der thermischen Isolation des Wärmespeichers als Schüttgut die einzelnen Rohstoffe des Wärmespeichers und insbesondere der thermischen Isolation getrennt einem Recycling bzw. einer Aufarbeitung zuzuführen. Insofern ist der vorgeschlagene Wärmespeicher besonders nachhaltig und ermöglicht eine Kreislaufwirtschaft der für die thermische Isolierung verwendeten Materialien. Die Erfindung kann dabei eine besonders hohe Flexibilität bei der Anbringung der thermischen Isolation bieten, da das vorgeschlagene Verfahren auch am Installationsort durchgeführt werden kann, wodurch Probleme beim Transport des Wärmespeichers an den Installationsort gemindert werden können.
Somit wird hier eine isolierende Füllung vorgeschlagen, die zwischen dem Wärmespeicher und einer zweiten Außenwand angeordnet ist/wird, wobei der Zwischenraum nicht evakuiert wird. Als Füllmaterial für den Zwischenraum wird insbesondere nanoporöses Polymethylmethacrylat (PMMA) vorgeschlagen oder auch andere organische oder anorganische Materialien, deren Wärmleitfähigkeit als Schüttgut vergleichbar oder besser als ein PUR-Schaum ist. Dies hat den Vorteil, dass das Schüttgut bei der Demontage einfach abgesaugt werden kann und somit sortenrein dem Recycling zugeführt werden kann.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:

Fig. 1 - Fig. 6, Fig. 11:: verschiedene Ausgestaltungen eines Wärmespeichers, und
Fig. 7 - Fig. 10:: verschiedene Ausgestaltungen eines Vakuumpanels

Fig. 1 zeigt beispielhaft und schematisch einen Wärmespeicher 1. Dieser umfasst einen Speicherbehälter 2, der von einer thermischen Isolation 3 umgeben ist. Die thermische Isolation 3 umfasst ein Bodenelement 5, das eine Vertiefung zur Aufnahme des Speicherbehälters 2 aufweist. Ein Mantelelement 6 kann in eine Nut 15 des Bodenelementes 5 eingebracht sein und so in einer zylindrischen Form, die weitestgehend äquidistant zur Oberfläche des Speicherbehälters 2 angeordnet ist, fixiert werden. Ein Deckelelement 7 kann obenseitig mit dem Mantelelement 6 verbunden sein. Zwischen Mantelelement 6, Speicherbehälter 2 und Bodenelement 5 sowie Deckelelement 7 kann sich so ein Aufnahmebereich 4 ausbilden, der über eine Einblasöffnung 8 mit Schüttgut 14 als Material der thermischen Isolation 3 befüllt werden kann. Zur Vereinfachung eines Einblasvorganges des Schüttguts 14 in den Aufnahmebereich 4 kann zudem mindestens eine Ventilationsöffnung 9 vorgesehen sein, die mit einem Filter 10 zum Rückhalten des Schüttguts 14 im Aufnahmebereich 4 vorgesehen ist. Zudem ist eine Zusatzisolierung 12 vorgesehen, die mindestens ein Vakuumpaneel 23, 26 umfasst. Die Zusatzisolierung wurde in dem Beispiel gemäß Fig. 1 im Rahmen eines hier vorgeschlagenen Verfahrens mit Halteelementen 22 beabstandet zum Speicherbehälter 2 im Aufnahmebereich 4 fixiert. Anschließend wurde das Schüttgut 14 wie oben beschrieben in den Aufnahmebereich 4 eingebracht, so dass das Schüttgut 14 im Aufnahmebereich 4 die Zusatzisolierung 12 fixiert. Insofern dienen die Halteelemente 22 insbesondere einer Fixierung der Zusatzisolierung 12 für das Einbringen des Schüttguts 14. Bei den Halteelementen 22 kann es sich um einfache Klemmelemente handeln, beispielsweise aus einem Kunststoff.
Fig. 2 zeigt beispielhaft und schematisch eine weitere Ausgestaltung des Wärmespeichers 1. Diese weist Unterstützungselemente 13 auf, die das Mantelelement 6 außen umschließen bzw. umspannen und damit in seiner Position fixieren. Bei dem Unterstützungselementen 13 kann es sich beispielsweise um Gurte oder Ringe handeln.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines hier vorgeschlagenen Wärmespeichers 1. Dieser weist im Aufnahmebereich 4 Trennelemente 11 auf, die den Aufnahmebereich in Segmente unterteilen. Vorliegend wird der Aufnahmebereich 4 durch die beiden Trennelemente 11 in ein erstes Segment 16, ein zweites Segment 17 und ein drittes Segment 18 unterteilt. Dabei versteht sich, dass jedes Segment 16, 17, 18 mindestens eine Einblasöffnung 8 und gegebenenfalls auch mindestens eine Ventilationsöffnung 9 mit Filter 10 umfassen muss um das Segment 16, 17, 18 mit Schüttgut 14 in einem Einblasverfahren zu befüllen. Vorteilhaft ist das Befüllen der Segmente 16, 17, 18 einfacher und es kann eine weitestgehend vollständige Füllung ohne Wärmebrücken oder Lunker erreicht werden. Zudem weist der Wärmespeicher 1 eine am Speicherbehälter 2 anliegende Zusatzisolierung 12 auf.
In der in Fig. 4 gezeigten Ausgestaltung des Wärmspeichers 1 sind Trennelemente 11 derart angeordnet, dass sich ein schraubenförmiger Strömungskanal 20 ausbildet. Der Strömungskanal 20 kann das Befüllen mit Schüttgut 14 im Rahmen eines Einblasvorganges erleichtern.
Fig. 5 zeigt schematisch eine Ausgestaltung des Wärmespeichers 1 mit der Zusatzisolierung 12, die hier den oberen Bereich des Speicherbehälters 2 umgibt. Die Zusatzisolierung 12 kann dabei mit dem Deckelement 7 und/ oder dem Speicherbehälter 2 verbunden sein. Die Zusatzisolierung 12 kann in Bereichen, in denen ein hoher Verlustwärmestrom zu erwarten ist, diesen reduzieren. Ausdrücklich wird angemerkt, dass die Zusatzisolierung 12 auch den gesamten Speicherbehälter 2, oder auch nur dessen Mantelfläche umgeben kann.
Fig. 6 zeigt beispielhaft und schematisch eine liegende Anordnung des Speicherbehälters 1, in dem die Hauptachse 21 (auch als Höhe der Zylinderform bezeichnet) im Einbauzustand horizontal ausgerichtet ist. Um einen sicheren Stand des Wärmespeichers 1 in dieser Lage zu gewährleisten, können Standelemente 19 vorgesehen sein, auf denen der Wärmspeicher 1 aufliegt und die zur Aufnahme der Lasten des befüllten Speicherbehälters 2 diesen kontaktieren. Zudem zeigt die Fig. 6 einen Speicherbehälter 2, der vollständig von der Zusatzisolierung 12 umschlossen ist.
Fig. 7 zeigt beispielhaft und schematisch ein (erstes) Vakuumpanel 23 mit einer ersten Seite 27 und einer zweiten Seite 28. Dieses kann eine Hülle aufweisen, die mit einem Füllmaterial 33 gefüllt und anschließend (enthaltene Luft) evakuiert wurde. Das Vakuumpanel 23 kann eine regelmäßige Welligkeit der erstem Seite 27 und der zweiten Seite 28 mit einer ersten Periode 24 aufweisen. Die Welligkeit kann dabei beispielsweise die Form einer Winkelfunktion aufweisen.
Fig. 8 zeigt beispielhaft und schematisch ein erstes Vakuumpanel 23 und ein zweites Vakuumpanel 26 übereinanderliegend. Das erste Vakuumpanels 23 hat eine erste Seite 27, die dem Speicherbehälter 2 zugewandt sein kann, und eine zweite Seite 28, die nach Außen gerichtet sein kann, und mit der ersten Seite 27 des zweiten Vakuumpanels 26 weitestgehend vollflächig in Kontakt ist. Der entstehende Verbund ist dazu eingerichtet im Bereich des Mantelelements 6 die Mantelfläche des Speicherbehälters 2 zu umschließen. Hierfür hat das erste Vakuumpanel 23 eine erste Periode 24 und das zweite Vakuumpanel 26 eine weite Periode 25. Dabei sind erste Periode 24 und zweite Periode 25 in Abhängigkeit des Radius des Speicherbehälters 2 variiert, so dass eine vollflächige Kontaktierung der zweiten Seite 28 des ersten Vakuumpanels 23 mit der ersten Seite 28 des zweiten Vakuumpanels erreicht wird. Zwischen erstem Vakuumpanel 23 und zweitem Vakuumpanel 26 kann sich somit eine Fügestelle 32 ausbilden, in der erstes und zweites Vakuumpanel 23, 26 weitestgehend vollflächig aneinander anliegen.
Fig. 9 zeigt beispielhaft und schematisch eine weitere Ausgestaltung von zwei übereinanderliegenden Vakuumpanelen 23, 26. Hier ist die erste Seite 27 des ersten Vakuumpanels und die zweite Seite 28 des zweiten Vakuumpanels 28 eben ausgebildet, wodurch der Kontakt des Verbunds aus erstem Vakuumpanel 23 und zweitem Vakuumpanel 26 zum Speicherbehälter 2 und/ oder zu dem Schüttgut 14 im Aufnahmebereich 4 verbessert werden kann.
Fig. 10 zeigt beispielhaft und schematisch eine weitere Ausgestaltung von zwei übereinanderliegenden Vakuumpanelen 23, 26. Hier ist die erste Seite 27 des ersten Vakuumpanels 23 und die zweite Seite 28 des zweiten Vakuumpanels 26 mit einer Welligkeit mit einer dritten Periode 31 ausgebildet. Die dritte Periode 31 ist deutlich geringer als die erste Periode 24 und zweite Periode 25 und soll insbesondere die Biegsamkeit und Elastizität des ersten und/ oder zweiten Vakuumpanels 23, 26 verbessern. Beispielhaft kann die dritter Periode 1/50 der ersten Periode betragen. Dabei kann die Welligkeit mit der ersten oder der zweiten Periode eine erste Dicke 29 aufweisen. Die Varianz von erster und zweiter Periode 24, 25 zum Ausgleich des Radius des Speicherbehälters 2 wurde dabei vernachlässigt. Die Welligkeit mit der dritten Periode 31 hat eine dritte Dicke 30. Das Verhältnis von erster Dicke 29 zu dritter Dicke 30 kann dabei 1/50 betragen.
Fig. 11 zeigt beispielhaft und schematisch eine Schnittdarstellung einer Draufsicht auf den Wärmspeicher 1. Am Speicherbehälter 2 liegt im Aufnahmebereich 4 ein Verbund aus einem ersten und zweiten Vakuumpanel 23, 26 als Zusatzisolierung 12 entsprechend den Fig. 8, 9 oder 10 an.

Bezugszeichenliste

1: Wärmespeicher
2: Speicherbehälter
3: thermische Isolation
4: Aufnahmebereich
5: Bodenelement
6: Mantelelement
7: Deckelelement
8: Einblasöffnung
9: Ventilationsöffnung
10: Filter
11: Trennelement
12: Zusatzisolierung
13: Unterstützungselement
14: Schüttgut
15: Nut
16: erstes Segment
17: zweites Segment
18: drittes Segment
19: Standelement
20: Strömungskanal
21: Hauptachse
22: Halteelement
23: erstes Vakuumpanel
24: erste Periode
25: zweite Periode
26: zweites Vakuumpanel
27: erste Seite
28: zweite Seite
29: erste Dicke
30: dritte Dicke
31: dritte Periode
32: Fügestelle
33: Füllmaterial

Claims

Wärmespeicher (1), umfassend einen Speicherbehälter (2) und eine thermische Isolation (3) des Speicherbehälters (2) gegenüber der Umgebung, wobei zumindest ein Teil der thermischen Isolation (3) als Schüttgut (14) ausgebildet und in einen Aufnahmebereich (4) außen am Speicherbehälter (2) eingebracht ist und der Speicherbehälter (2) zumindest teilweise von einer Zusatzisolierung (12) umgeben ist.
Wärmespeicher (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der als Schüttgut (14) ausgebildete Teil der thermischen Isolation (3) mindestens ein Material ausgewählt aus der folgenden Gruppe umfasst:
- nanoporöses Polymethylmethacrylat (PMMA),

- Silikat,

- nanoporöses Silikat

- pyrogene Kieselsäure,

- Perlit,

- Aerogel,

- Aerographen,

- natürliches Material.
Wärmespeicher (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die thermische Isolation (3) ein Bodenelement (5) aus einem thermisch isolierenden Material umfasst.
Wärmespeicher (1) nach Anspruch 3, wobei das Bodenelement (5) mindestens eine Stützstruktur, eingerichtet zur Aufnahme der Gewichtskräfte des befüllten Speicherbehälters (2), umfasst.
Wärmespeicher (1) nach Anspruch 3 oder 4, wobei ein Mantelelement (6) mit dem Bodenelement (5) verbunden und der Aufnahmebereich (4) durch den Zwischenraum zwischen Mantelelement (6) und Speicherbehälter (2) gebildet ist.
Wärmespeicher (1) nach Anspruch 5, wobei ein Deckelelement (7) aus einem thermisch isolierenden Material mit dem Mantelelement (6) verbunden ist.
Wärmespeicher (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Aufnahmebereich (4) segmentiert ist.
Wärmespeicher (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zusatzisolierung (12) mindestens ein Vakuumpaneel umfasst.
Wärmespeicher (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zusatzisolierung (12) beabstandet zum Speicherbehälter (2) innerhalb des Aufnahmebereichs (4) angeordnet ist.
Wärmespeicher (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Wärmespeicher (1) für eine Einbauposition eingerichtet ist, bei der die Höhe oder Hauptachse (21) des Speicherbehälters (2) horizontal ausgerichtet ist, und Standelemente (19) aus einem thermisch isolierenden Material den Speicherbehälter (2) kontaktieren.
Verfahren zur Montage eines Wärmespeichers (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Schüttgut (14) als thermisch isolierendes Material in einen Aufnahmebereich (4) außen am Speicherbehälter (2) eingeblasen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Speicherbehälter (2) auf einem Bodenelement (5) aufgesetzt wird und anschließend ein Mantelelement (6) mit dem Bodenelement (5) verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei ein Deckelelement (7) auf das Mantelelement (6) aufgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Zusatzisolierung mit Halteelementen (22) im Aufnahmebereich (4) fixiert wird, bevor das Schüttgut (14) als thermisch isolierendes Material in einen Aufnahmebereich (4) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei mindestens ein, das Mantelelement (6) radial umschließendes, Unterstützungselement (13) angebracht wird.