WO2010037431A2 - Verfahren und vorrichtung zur bereitstellung nutzbarer wärmeenergie - Google Patents

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    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the invention relates to a method for providing useful heat energy of a heat transfer medium in an interior of a thermally insulated container, wherein the heat transfer medium in a lower region of the interior has a lower temperature than in an overlying region of the interior.
  • a thermal insulation in this context includes thermal insulation of the container by means of a suitable insulating material with the purpose of keeping the heat energy in the container as long as possible in the container and store and delay cooling of the heat transfer medium as long as possible.
  • thermally insulated containers are also called stratified storage, since the heat transfer medium, depending on a predetermined or adjusting temperature gradient due to the temperature-dependent density of the heat transfer medium in superposed layers of the same temperature arranges. The temperature of the heat transfer medium increases continuously from bottom to top, whereas the temperature of the heat transfer medium within a horizontal layer is substantially homogeneous and local possibly occurring - 2 - HAV 6247 PC
  • Heat transfer medium allow a largely independent use of the respective temperature levels.
  • hot water can be heated, for example via suitable heat exchanger to be provided with temperatures above 40 0 C or 5O 0 C, for example, for showering or as service water.
  • low-temperature heating devices such as a floor heating can be operated or supplied with heat energy.
  • Suitable environmental heat sources are for example known from practice thermal collectors or solar collectors or geothermal heat sources.
  • Heat transfer medium in the stratified storage is.
  • a heat exchanger which is in communication with an external environmental energy source, is usually arranged in the lower region of the stratified storage tank in order to be able to exploit the low temperature level usually prevailing there.
  • practice has shown that especially in winter, when the known - 4 - HAV 6247 PC
  • Object of the present invention is therefore to provide a method for providing usable heat energy of the type mentioned in such a way that the energy generated with environmental energy sources, such as with thermal panels or solar collectors, heat energy used as effectively as possible in each season and especially heat energy with a low temperature level possible effective in that
  • Transferred heat transfer medium and can be provided as usable heat energy.
  • This object is achieved in that the heat transfer medium withdrawn in the lower region by cooling heat and the heat transfer medium in the area arranged above is supplied by heating. Due to the redistribution of heat energy within the interior of the thermally insulated container, the temperature of the heat transfer medium in the lower region is lowered, so that, for example, the heat energy of environmental energy sources that are offered at a low temperature, due to the increased by the redistribution temperature difference to the Temperature of the heat transfer medium in the lower region can be performed more efficiently in the stratified storage. At the same time, the redistribution causes the temperature in the upper one - 5 - HAV 6247 PC
  • the heat from the lower region is transferred by a heat pump into the region of the container arranged above it. While the operation of a heat pump is usually associated with a loss of heat or with a loss of usable energy, by a suitable arrangement of a heat pump.
  • Evaporator and a condenser of the heat pump can be ensured within the thermally insulated container, that the overwhelming part of the otherwise converted into unusable forms of energy loss energy within the stratified storage for heating the
  • Heat transfer medium is used or can be used and therefore does not lead to a loss of usable heat energy.
  • compressors can be used, for example, from practice known fully encapsulated scroll compressors.
  • the temperature of the heat transfer medium in the lower and / or in the upper region of the container is detected and a transfer of heat from the lower region in the area arranged above in dependence on the detected temperature values - 6 - HAV 6247 PC
  • the temperature level in the lower portion of the container can be lowered by transferring heat to the upper range to provide a greater temperature difference to the external heat source.
  • environmental heat sources such as solar thermal collectors, air heat exchangers or geothermal heat sources whose energy level decreases in cold seasons
  • a redistribution of heat energy within the thermally insulated container can significantly improve the efficiency of energy production and the provision of usable heat energy.
  • the temperature level in the upper area of the container is increased thereby providing more usable heat energy at a high temperature level.
  • the transfer of heat from the lower region into the area arranged above it can also be activated, for example, if the measured temperature values suggest that the temperature of the heat transfer medium in the upper temperature range drops below a predetermined upper minimum temperature and the temperature level or in the The heat energy stored in the upper area of the container may not be sufficient to meet the desired or intended needs.
  • Control of a heat pump be advantageous that is measured at the temperature of a heat energy supplied from an external heat source and a transfer of heat from the lower region is carried out in the overlying area in dependence on the detected temperature values.
  • the temperature level of the generated or supplied by an external heat source heat energy is subject to greater fluctuations, depending therefrom operation of the heat pump, or a function of the temperature level of the external heat source cooling of the
  • Heat-temperature medium in the lower region of the container to be expedient.
  • the temperature of the external heat source can also be in addition to the temperatures of the
  • Tank detected and used for a control or regulation of a heat pump.
  • the functional scope of the control of the heat pump and thus the operation of the device can be designed such that further ascertainable or predefinable parameters or measured environmental properties can be taken into account for the control.
  • the expected short-term energy demand of the device for example, on the building, the residents, the weather, the season or the currently expected or measured solar history or other circumstances dependent.
  • the control can then take on the task to increase beyond the current energy consumption addition, the temperature level of the heat transfer medium, or the heat energy content in the thermally insulated container as a precaution or adjust it in a suitable manner.
  • geothermal heat sources can be generated and provided in cold environmental conditions. So far not usefully usable low-temperature environmental heat can be used efficiently in this way.
  • the invention also relates to a device for providing usable thermal energy with a arranged in an interior of a thermally insulated container heat transfer medium and with a heat pump having an evaporator and a condenser.
  • the evaporator and the condenser are each connected in a heat-transmitting manner to the interior of the container and allow a redistribution of the heat energy stored in the container from a lower region into an area arranged above it.
  • Evaporator and the condenser for example, via suitable heat exchangers with a lower portion, or an upper portion of the interior of the container are thermally conductive in conjunction.
  • the heat pump or the evaporator and the condenser may additionally have a thermal insulation in order to minimize heat transfer losses.
  • the evaporator and the condenser are arranged in the interior of the container and allow a redistribution of the heat energy stored in the container from a lower region in an area arranged above.
  • the inventive arrangement of the evaporator within the insulated container largely prevents the icing of the evaporator.
  • heat transfer continues to take place within the container. By introducing environmental heat, this icing of the evaporator within the container is reversed.
  • the direct arrangement of the evaporator and the condenser of the heat pump in the thermally insulated container allows, for example, solar thermal or geothermal heat energy systems in conjunction with the device according to the invention have a better efficiency and in particular provided at a low temperature level heat energy of the external heat sources better, more efficient or even usable.
  • the device has a control device with a temperature sensor in the region of the evaporator and / or with a temperature sensor in the region of the capacitor and with a control device for controlling the operation of the heat pump.
  • the operation of the heat pump can be controlled in this way depending on the measured in the lower region of the container or in the upper region of the container temperature level, or be controlled.
  • the container with an external heat source is connectable and has a temperature sensor for the supplied from the external heat source heat energy.
  • the heat pump is an adsorption heat pump.
  • suitable working means of the heat pump designed as an adsorption heat pump a continuous or periodic process control can be made possible without the working fluid having to be circulated by a pump.
  • Suitable adsorption heat pumps are known from the prior art.
  • Absorption heat pumps diffusion absorption heat pumps or Vuilleumiertownpumpen be used.
  • the design and mode of operation of a heat pump which appears to be optimally suitable in the respective application case or can be used advantageously, can be individually determined and specified on the basis of the relevant framework conditions.
  • all heat pumps or heat redistribution devices can be used, which are based on any cyclic process that can be usefully operated within the container and is suitable for effective heat redistribution.
  • the heat transfer medium is a latent heat storage medium.
  • the heat transfer medium may consist entirely or partially of a suitable latent heat storage medium.
  • suitable latent heat storage medium For example, mixtures of water and paraffin or mixtures of water and suitable salts are known from practice.
  • water is used as the heat transfer medium and stored in the thermally insulated container. If it can be ensured by suitable, but already known design measures that inevitable due to ice formation volume increase does not lead to undesirable damage to the container, water can also be used as latent heat storage medium.
  • a particularly advantageous embodiment of the inventive idea according to provided that several heat pumps are each arranged with an evaporator and condenser in the thermally insulated container.
  • the plurality of heat pumps are expediently arranged in cascade, with the evaporator of a higher-level heat pump being arranged in the vicinity of the condenser of a heat pump arranged therebelow.
  • the multiple heat pumps are advantageously with different work equipment or under utilization - 14 - HAV 6247 PC
  • the heat pump operated both independently of each other or in combination with each other and can be used for redistribution of heat energy within the thermally insulated container.
  • Suitable working means for the use of two stacked heat pumps within the thermally insulated container may be, for example, R404A in a lower compression heat pump and R134A in an upper compression heat pump.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a device according to the invention for providing usable thermal energy with a stratified storage tank, in whose interior a heat transfer medium is arranged, and with a heat pump having an evaporator and a condenser, which are arranged in the interior of the stratified storage, - 15 - HAV 6247 PC
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a device according to FIG. 1, wherein, however, two heat pumps enable a multi-stage redistribution of the heat energy stored in the stratified storage,
  • Fig. 3 is a schematic representation of an apparatus according to FIG. 1, wherein as a heat pump
  • Absorption heat pump is used and wherein in addition an external cooling device is connected to the refrigerant circuit of the heat pump,
  • Fig. 4 is a schematic representation of an apparatus according to FIG. 1, wherein as a heat pump has a Vuilleumier Wunschpumpe.
  • Fig. 5 is a schematic representation of a device according to Fig. 1, wherein the device comprises temperature sensors and a control device.
  • Provision of usable thermal energy has a thermally insulated container 1 with an interior 2.
  • a heat transfer medium 3 for example water or thermal oil.
  • the interior space 2 is not subdivided into individual chambers and also has no separating elements or lamellae projecting into the interior space 2, so that the heat transfer medium 3 located in the interior space 2 can move freely. Assign partial amounts of the heat transfer medium 3 different temperatures, it is distributed
  • the relatively warmer heat transfer medium 3 collects due to the slightly lower density in an upper region 4 of the container 1, while the relatively colder heat transfer medium 3 collects in a lower region 5 of the container 1.
  • the heat transfer medium 3 is therefore distributed in layers of the same temperature within the container 1, which can therefore also be referred to as a layer storage.
  • an external heat source 6 is connected, which heat the heat transfer medium 3 in the container 1 and in this way to supply energy into the container 1.
  • the heat source 6 is shown as a solar thermal collector with a collector 7, which is traversed by a heat transfer medium, which can be heated in the collector 7 in case of incidence of light and in particular in sunlight.
  • any other suitable external heat source could be connected to the container 1, in particular environmental energy sources such as solar thermal, air-thermal or geothermal plants appear suitable.
  • the collector 7 is connected via a circuit 8 for the heat transfer medium with a lower heat exchanger 9, which is arranged in the lower region 5 of the container 1 and a heat transfer from the heated in the collector 7 heat transfer means to the surrounding the lower heat exchanger 9 heat transfer medium 3 , Since the cooler heat transfer medium 3 collects in the lower region 5 of the container 1, solar radiation reaches the collector at least on sunny days - 17 - HAV 6247 PC
  • the heat transfer medium can also be introduced via an upper heat exchanger 10 directly into the upper region 4 of the container 1 to the already located at a higher temperature heat transfer medium 3 in this area in addition to warm up.
  • a switching valve 11 can be specified, which area in the container 1 is to be additionally heated with the externally heated heat transfer medium.
  • the device according to the invention has a heat pump 12 with an evaporator 13 and a condenser 14.
  • a suitable refrigerant of the heat pump 12 is circulated by means of a pump 15 in a heat pump circuit 16, wherein the vaporized refrigerant on the way into the condenser 14 with a compressor or compresses compressor 17 and then the refrigerant on the way from the condenser 14 to the evaporator 13 by means of a
  • Expansion valve 18 is relaxed back to the outlet pressure.
  • the evaporator 13 is arranged in the lower region 5 of the container 1 in the interior 2, while the condenser 14 is arranged in the upper region 4 of the container in the interior 2 thereof.
  • the evaporator 13 coiled tubing 19, which are in the lower portion 5 in the interior 2 of the container 1 in direct contact with the heat transfer medium 3.
  • the condenser 14 has coiled tubing 20, which are in direct contact with the heat transfer medium 3 in the upper area 4 in the inner space 2 of the container 1. The heat transfer between the refrigerant of the heat pump 12 and the heat transfer medium 3 thus takes place without additional heat exchanger within the container 1 and thus very efficiently.
  • the pump 15, the compressor 17 and the expansion valve 18 and optionally the entire heat pump circuit 16 may be disposed within the thermally insulated container 1 in order to avoid or reduce further heat losses.
  • Heat pump cycle 16 may be arranged outside of the thermally insulated container 1, as shown by way of example in Fig. 1.
  • the heat pump 12 When the heat pump 12 is put into operation, the heat pump 12 further cools the heat transfer medium 3 surrounding the evaporator 13 in the lower region 5 of the container 1, while additionally increasing the temperature of the heat transfer medium 3 in the upper region 4. Heat energy is transferred from the lower region 5 into the upper region 4 and the usable amount of heat energy is increased. At the same time, the temperature of the heat transfer medium 3 is lowered in the lower region 5 of the container 1, whereby a heat transfer of the externally supplied heat transfer medium from the collector 7 is more efficient and economically useful use of environmental energy such as solar energy improves, or over a much longer period of time one year efficiently.
  • the container 1 can be heated by the example heated to 65 ° C or higher heat transfer medium 3 hot water and via suitable connections 21 and connecting lines 22 a merely indicated hot water supply to a residential unit or for example a radiator heating.
  • the slightly cooler heat transfer medium 3 in a central region 23 of the interior 2 of the container 1 can via suitable connections 24 of a low-temperature heating device such as a floor heating, not shown - 20 - HAV 6247 PC
  • the terminals 24 may also be used as a return for the hot water supply or radiator heating etc..
  • the heat pump 12 Through the use of the heat pump 12 on the one hand to ensure sufficient heating of the domestic water in the upper portion 4 of the container 1 and at the same time a cooling of the lower Area 5 can be achieved to allow a more effective feed-in of energy from external environmental energy sources.
  • two heat pumps 12 and 25 are arranged within the interior 2 of the container 1.
  • the evaporator 13 of the first heat pump 12 is arranged in the lower region 5 of the container 1 and cools this area during the operation of the heat pump 12.
  • the condenser 14 of the first heat pump 12 is arranged in the middle region 23 of the interior 2 of the container 1 and heats the heat transfer medium 3 located in this region.
  • the evaporator 26 is also the - 21 - HAV 6247 PC
  • the two heat pumps 12 and 25 can be operated separately from each other, if there is only a short-term need for a cooling of the lower portion 5 or a heating of the upper portion 4.
  • the two used refrigerants of the two heat pumps 12, 25 are different and coordinated such that both heat pumps 12, 25, can be operated simultaneously and the respective input and output temperatures are matched to each other, as efficient as possible Operation of the two heat pumps 12, 25 and a redistribution of heat from the lower region 5 in the upper region 4 to effect.
  • the terminals 24 for a low-temperature energy consumer can, as shown, be arranged between the lower evaporator 13 and the lower condenser 14 or else in the central region 23 or adjacent to the lower condenser 14 and the upper evaporator 26.
  • a low-boiling-point refrigerant such as ammonia (R717) is vaporized at a low temperature and pressure level in the evaporator 13 and flows into an absorber 28 where it is absorbed by a suitable solvent such as water.
  • a solvent pump 29 the substance pair is then in the - 22 - HAV 6247 PC
  • Aüstreiber 30 promoted. There, by supplying external energy, here from a gas burner 31, the refrigerant is evaporated at a higher pressure and separated from the solvent. While the refrigerant condenses in the condenser 14 and thereby gives off heat, the solvent is expanded via a separate line and fed directly back to the absorber 28.
  • Changeover valves 32 may be connected to an external cooling device 33 such as an air conditioner or a room cooling.
  • the condensed and cooled refrigerant then evaporates in a suitable heat exchanger 34, which is connected to the cooling device 33.
  • either the evaporator 13 in the lower region 5 of the container 1 or the heat exchanger 34 is used as an evaporator.
  • the evaporation of the refrigerant in the cooling device 33 or in the evaporator 13 within the container 1 can take place cyclically.
  • Absorption heat pump be provided during operation temporarily to dispense with the use of a burner such as the gas burner 31 shown in Fig. 3. This could always be the case when heated by ambient or solar energy by means of suitable collectors such as the parabolic collector 36 shown in FIG. 3 or a vacuum tube collector and supplied to the container
  • Heat transfer medium has a temperature of more than, for example, 120 degrees Celsius.
  • Absorption heat pump without an integrated gas burner 31 possible.
  • the necessary temperature of the expeller 30 of usually more than 120 degrees Celsius can be generated with suitable collectors by environmental or solar heat and introduced directly or via heat exchangers in the field of expeller in the container 1.
  • This embodiment of the inventive concept leads to an increase in the usable environmental heat at a constant collector surface, by the switching and cooling in the lower region 5 of the container 1, a cooling of the lower heat exchanger 9 is effected. This increases the temperature difference between a flow and a return of the collector 7, so that a larger amount of heat can be introduced into the container 1.
  • the performance, or the efficiency of such a system can be through the use of a multi-stage absorption heat pump - 24 - HAV 6247 PC
  • Embodiment of the device shown in which a Vuilleumier Knoxpe 37 is used.
  • a suitable working medium such as helium is circulated, wherein energy is supplied via two different heat sources (environmental energy and gas burner) and a very efficient energy conversion is made possible in usable heat energy.
  • a controlled control of the heat pump 12 of the embodiment shown in Fig. 1 is shown.
  • a temperature sensor 39 in the upper region 4 of the container 1 and a temperature sensor 40 in the lower region 5 of the container 1 Via a temperature sensor 39 in the upper region 4 of the container 1 and a temperature sensor 40 in the lower region 5 of the container 1, the local temperature conditions of the heat transfer medium 3 in the region of the evaporator 13 and the capacitor 14 can be determined.
  • the temperature sensors 39, 40 are connected via signal transmission lines 41 to a control device 42, by means of which the measured temperature values in the upper region 4 and in the lower region 5 of the heat transfer medium 3 and evaluated an optionally in response to additional control information adapted control of the heat pump 12, and the pump 15 can be made.
  • a temperature sensor 43 is provided at the feed of the external heat source 6, with which the - 25 - HAV 6247 PC
  • Temperature of the supplied from the external heat source 6 heat transfer means can be measured. This temperature sensor 43 is also over
  • the control device 42 can take into account the temperature of the supplied heat transfer medium, or the temperature difference of the heat transfer medium to the heat transfer medium 3 in the lower region 5 of the container 1 for driving the heat pump 12. As a precaution, the temperature of the refrigerant of the heat pump 12 can be monitored immediately after leaving the evaporator 13 by means of a further temperature sensor 44 and taken into account for the control of the heat pump 12.
  • the heat pump 12 can also be put into operation to make a local cooling of the heat transfer medium 3 in the lower region 5 of the container 1 at a too low temperature difference between the externally supplied heat transfer medium and the temperature of the heat transfer medium in the lower region 5 of the container and to increase the temperature difference to the heat transfer medium from the external heat source 6.
  • a compressor heat pump can be provided to control the speed of the compressor 17 and the speed of a feed pump 45 of the collector 7 or to regulate.
  • the heat transfer and thus the respective transferable amount of heat can be specified and optimized.
  • the solution pump 29 and the gas burner 31 are controlled by the control device 42 in an absorption heat pump.
  • a controlled control of the heat pump 12 may also be useful if the heat transfer medium 3 intentionally a phase transition is imposed in order to use the latent heat energy and to operate the container 1 as a latent heat storage.
  • Pressure measuring devices to monitor the internal pressure in the interior 2 of the container 1 in order to exclude damage to the container 1 during operation can.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Bereitstellung nutzbarer Wärmeenergie eines Wärmeträgermediums (3) in einem Innenraum (2) eines thermisch isolierten Behälters (1) wird dem Wärmeträgermedium (3) mittels einer Wärmepumpe (12) in einem unteren Bereich (5) in dem Innenraum (2) durch Abkühlung Wärme entzogen und dem Wärmeträgermedium (3) in einem darüber angeordneten Bereich (4) durch Erwärmung zugeführt. Die Temperatur des Wärmeträgermediums (3) wird in dem unteren und/oder in dem oberen Bereich (4, 5) des Behälters (1) erfasst und eine Überführung von Wärme aus dem unteren Bereich (5) in den darüber angeordneten Bereich (4) wird in Abhängigkeit von den erfassten Temperaturwerten durchgeführt. Eine Vorrichtung zur Bereitstellung nutzbarer Wärmeenergie weist ein in einem Innenraum (2) eines thermisch isolierten Behälters (1) angeordnetes Wärmeträgermedium (3) auf, wobei mit einer Wärmepumpe (12), deren Verdampfer (13) und Kondensator (14) in dem Innenraum (2) des Behälters (1) angeordnet sind, eine Umverteilung der in dem Behälter (1) gespeicherten Wärmeenergie aus einem unteren Bereich (5) in einen darüber angeordneten Bereich (4) ermöglicht wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bereitstellung nutzbarer Wärmeenergie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung nutzbarer Wärmeenergie eines Wärmeträgermediums in einem Innenraum eines thermisch isolierten Behälters, wobei das Wärmeträgermedium in einem unteren Bereich des Innenraums eine niedrigere Temperatur als in einem darüber angeordneten Bereich des Innenraums aufweist .
Es ist aus der Praxis bekannt, mittels geeigneter externer Wärmequellen ein Wärmeträgermedium in einem Innenraum eines thermisch isolierten Behälters zu erwärmen und die
Wärmeenergie des Wärmeträgermediums in dem Behälter zu speichern. Eine thermische Isolierung umfasst in diesem Zusammenhang eine Wärmedämmung des Behälters mittels eines geeigneten Dämm-Materials mit dem Zweck, die in dem Behälter befindliche Wärmeenergie möglichst lange in dem Behälter zu halten und zu speichern und ein Abkühlen des Wärmeträgermediums möglichst lange hinauszuzögern. Derartige thermisch isolierte Behälter werden auch Schichtenspeicher genannt, da sich das Wärmeträgermedium in Abhängigkeit von einem vorgegebenen oder sich einstellenden Temperaturgradienten auf Grund der temperaturabhängigen Dichte des Wärmeträgermediums in übereinander angeordneten Schichten gleicher Temperatur anordnet. Die Temperatur des Wärmeträgermediums nimmt von unten nach oben kontinuierlich zu, wohingegen die Temperatur des Wärmeträgermediums innerhalb einer horizontalen Schicht weitgehend homogen ist und sich bei gegebenenfalls auftretenden lokalen - 2 - HAV 6247 PC
Temperaturgradienten kurzfristig angleicht und auf einen einheitlichen Temperaturwert einstellt.
Die sich in einem derartigen Schichtenspeicher ausbildenden Schichten unterschiedlicher Temperaturen des
Wärmeträgermediums ermöglichen eine voneinander weitgehend unabhängige Nutzung der jeweiligen Temperaturniveaus. Mit dem auf eine hohe Temperatur erwärmten Wärmeträgermedium aus einem oberen Bereich des Behälters kann beispielsweise über geeignete Wärmetauscher Brauchwasser erhitzt werden, um mit Temperaturen oberhalb von 400C oder 5O0C beispielsweise zum Duschen oder als Brauchwasser zur Verfügung gestellt zu werden. Mit dem Wärmetragermedium aus darunter befindlichen Schichten können beispielsweise Niedrigtemperatur-Heizvorrichtungen wie beispielsweise eine Fußbodenheizung betrieben bzw. mit Wärmeenergie versorgt werden.
Es ist aus der Praxis bekannt, derartige Schichtenspeicher mit einer Umweltwärmequelle zu verbinden, um die von der Umweltwärmequelle abgegebene Wärme aufzunehmen, zu speichern und als nutzbare Wärmeenergie bereitzustellen. Geeignete Umweltwärmequellen sind beispielsweise aus der Praxis bekannte thermische Kollektoren bzw. Solarkollektoren oder geothermische Wärmequellen.
Grundsätzlich ist natürlich die Verbindung bzw. die Nutzung beliebiger externer Energiequellen denkbar. Um die von den bevorzugt verwendeten Umweltenergiequellen erzeugte Wärmeenergie in den Behälter bzw. in das in dem Innenraum des Behälters befindliche Wärmeträgermedium zu überführen ist es bekannt, die externen Wärmequellen mittels geeigneter Wärmetauscher anzukoppeln oder aber - 3 - HAV 6247 PC
beispielsweise das in dem Innenraum des Behälters befindliche Wärmeträgermedium direkt durch mit Sonnenenergie erwärmbare Solarkollektoren umzuwälzen und dabei zu erwärmen.
Aus der Praxis sind verschiedene hydraulische Maßnahmen zur vorteilhaften Vorgabe oder zur Erhaltung von Schichten des unterschiedlich erwärmten Wärmeträgermediums innerhalb des Behälters bekannt. Um eine möglichst effiziente Nutzung der in dem Behälter gespeicherten Wärmeenergie zu ermöglichen, ist es ebenfalls bekannt, mehrere an unterschiedlichen Temperaturniveaus des Wärmeträgermediums angeordnete Wärmetauscher innerhalb oder an dem Behälter vorzusehen, um die für die unterschiedlichen Anforderungen jeweils geeignete Temperatur des Wärmeträgermediums optimal nutzen zu können.
Bei dem aus der Praxis bekannten Verfahren der eingangs genannten Gattung tritt unabhängig von den jeweils im einzelnen durchgeführten Verfahrensschritten regelmäßig der Nachteil auf, dass eine Überführung von Wärmeenergie von einer externen Wärmequelle in den Schichtenspeicher nur dann einigermaßen effektiv durchgeführt werden kann, wenn das Temperaturniveau der extern zugeführten Wärmeenergie merklich oberhalb des Temperaturniveaus des
Wärmeträgermediums in dem Schichtenspeicher ist . Vor diesem Hintergrund wird ein Wärmetauscher, der mit einer externen Umweltenergiequelle in Verbindung steht, üblicherweise in dem unteren Bereich des Schichtenspeichers angeordnet, um das dort üblicherweise herrschende geringe Temperaturniveau ausnutzen zu können. Allerdings hat die Praxis gezeigt, dass insbesondere im Winter, wenn die bekannten - 4 - HAV 6247 PC
Omweltenergiequellen lediglich Wärmeenergie mit einem geringen Temperaturniveau erzeugen und anbieten können, auf Grund der geringen Temperaturdifferenz die Effizienz der Wärmeenergieübertragung in das Wärmeträgermedium gering ist und gleichzeitig der Bedarf an nutzbarer Wärmeenergie steigt bzw. besonders hoch ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demzufolge, ein Verfahren zur Bereitstellung nutzbarer Wärmeenergie der eingangs genannten Gattung so auszugestalten, dass die mit Umweltenergiequellen, wie beispielsweise mit thermischen Kollektoren oder Solarkollektoren, erzeugbare Wärmeenergie möglichst zu jeder Jahreszeit effektiv genutzt und insbesondere Wärmeenergie mit einem geringen Temperaturniveau möglichst effektiv in das
Wärmeträgermedium überführt und als nutzbare Wärmeenergie bereitgestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass dem Wärmeträgermedium in dem unteren Bereich durch Abkühlung Wärme entzogen und dem Wärmeträgermedium in dem darüber angeordneten Bereich durch Erwärmung zugeführt wird. Durch die Umverteilung von Wärmeenergie innerhalb des Innenraums des thermisch isolierten Behälters wird die Temperatur des Wärmeträgermediums in dem unteren Bereich erniedrigt, so dass beispielsweise auch die Wärmeenergie von Umweltenergiequellen, die mit einer geringen Temperatur angeboten werden, auf Grund der durch die Umverteilung vergrößerten Temperaturdifferenz zu der Temperatur des Wärmeträgermediums in dem unteren Bereich effizienter in den Schichtenspeicher geführt werden kann. Gleichzeitig wird durch die Umverteilung die Temperatur in dem oberen - 5 - HAV 6247 PC
Bereich des Schichtenspeichers erhöht und mehr bzw. effektiver nutzbare Wärmeenergie in dem oberen Bereich des Schichtenspeichers bereitgestellt .
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Wärme aus dem unteren Bereich durch eine Wärmepumpe in den darüber angeordneten Bereich des Behälters überführt wird. Während der Betrieb einer Wärmepumpe üblicherweise mit einem Wärmeverlust bzw. mit einem Verlust an nutzbarer Energie in Verbindung gebracht wird, kann durch eine geeignete Anordnung eines
Verdampfers und eines Kondensators der Wärmepumpe innerhalb des thermisch isolierten Behälters sichergestellt werden, dass der überwiegende Anteil der ansonsten in nicht nutzbare Energieformen umgewandelten Verlustenergie innerhalb des Schichtenspeichers zur Erwärmung des
Wärmeträgermediums nutzbar wird bzw. verwendet werden kann und deshalb nicht zu einem Verlust an nutzbarer Wärmeenergie führt .
So könnte beispielsweise bei Verwendung einer
Kompressionswärmepumpe die anfallende Verlustwärme des Kompressors mit dem Kältemittel in den Kondensator und damit in den isolierten Behälter übertragen werden. Als geeignete Kompressoren können beispielsweise aus der Praxis bekannte voll gekapselte Scroll-Verdichter verwendet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des
Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass die Temperatur des Wärmeträgermediums in dem unteren und/oder in dem oberen Bereich des Behälters erfasst wird und eine Überführung von Wärme aus dem unteren Bereich in dem darüber angeordneten Bereich in Abhängigkeit von den erfassten Temperaturwerten - 6 - HAV 6247 PC
durchgeführt wird. Mit einem automatisierbaren, temperaturgesteuerten Betrieb der Wärmepumpe kann beispielsweise in der kälteren Jahreszeit das Temperaturniveau in dem unteren Bereich des Behälters durch Überführung von Wärme in den oberen Bereich abgesenkt werden, um eine größere Temperaturdifferenz zu der externen Wärmequelle vorzugeben. Insbesondere bei der Ausnutzung von Umweltwärmequellen wie beispielsweise thermische Solarkollektoren, Luftwärmetauscher oder geothermischen Wärmequellen, deren Energieniveau in kalten Jahreszeiten absinkt, kann eine Umverteilung von Wärmeenergie innerhalb des thermisch isolierten Behälters die Effizienz der Energiegewinnung und die Bereitstellung nutzbarer Wärmeenergie merklich verbessern. Gleichzeitig wird das Temperaturniveau in dem oberen Bereich des Behälters erhöht und dadurch mehr nutzbare Wärmeenergie auf hohem Temperaturniveau bereitgestellt.
Es ist denkbar und für bestimmte Anwendungsfälle, beziehungsweise Umgebungsbedingungen zweckmäßig, dass die Überführung von Wärme aus dem unteren Bereich in den darüber angeordneten Bereich nur im Bedarfsfall vorgenommen wird und über längere Zeiträume innerhalb eines Jahres nicht oder nur in Ausnahmefällen aktiviert wird. Sofern die in dem Behälter vorgenommenen Temperaturmessungen ergeben, dass sowohl das obere Temperaturniveau ausreichend hoch für die gewünschte Nutzung der in dem Behälter gespeicherten Wärmeenergie ist, als auch das untere Temperaturniveau ausreichend niedrig ist, um mit hinreichender Effizienz Wärmeenergie von einer externen Wärmequelle in den Behälter überführen zu können, kann auf den Betrieb und den hierfür - 7 - HAV 6247 PC
erforderlichen Energieverbrauch einer Wärmepumpe verzichtet werden.
Die Überführung von Wärme aus dem unteren Bereich in den darüber angeordneten Bereich kann beispielsweise auch dann aktiviert werden, wenn die gemessenen Temperaturwerte nahe legen, dass die Temperatur des Wärmeträgermediums in dem oberen Temperaturbereich unter eine vorgegebene obere Mindesttemperatur absinkt und das Temperaturniveau, beziehungsweise die in dem oberen Bereich des Behälters gespeicherte Wärmeenergie möglicherweise nicht ausreichen wird, um den gewünschten oder vorgesehenen Bedarf decken zu können .
Ebenso kann es im Hinblick auf eine vorteilhafte
Ansteuerung einer Wärmepumpe vorteilhaft sein, dass an der Temperatur einer von einer externen Wärmequelle zuführbaren Wärmeenergie gemessen wird und eine Überführung von Wärme aus dem unteren Bereich in den darüber angeordneten Bereich in Abhängigkeit von den erfassten Temperaturwerten durchgeführt wird. Insbesondere in den Fällen, in denen das Temperaturniveau der von einer externen Wärmequelle erzeugten, beziehungsweise zugeführten Wärmeenergie größeren Schwankungen unterworfen ist, kann ein davon abhängiger Betrieb der Wärmepumpe, beziehungsweise einer in Abhängigkeit von der im Temperaturniveau der externen Wärmequelle vorgenommenen Abkühlung des
Wärmetemperaturmediums in dem unteren Bereich des Behälters zweckmäßig sein. Natürlich kann die Temperatur der externen Wärmequelle auch zusätzlich zu den Temperaturen des
Wärmeträgermediums im Inneren des thermisch isolierten - 8 - HAV 6247 PC
Behälters erfasst und für eine Steuerung, beziehungsweise Regelung einer Wärmepumpe verwendet werden.
Erfindungsgemäß können der Funktionsumfang der Ansteuerung der Wärmepumpe und damit der Betrieb der Vorrichtung so ausgestaltet werden, dass weitere ermittelbare oder vorgebbare Parameter oder gemessene Umgebungseigenschaften für die Ansteuerung berücksichtigt werden können. Insbesondere ist der kurzfristig zu erwartende Energiebedarf der Vorrichtung beispielsweise von dem Gebäude, den Bewohnern, der Wetterentwicklung, der Jahreszeit oder dem aktuell erwarteten oder gemessenen Sonnenverlauf oder anderen Umständen abhängig. Die Ansteuerung kann dann die Aufgabe übernehmen, über den momentanen Energieverbrauch hinaus das Temperaturniveau des Wärmeträgermediums, bzw. den Wärmeenergiegehalt in dem thermisch isolierten Behälter vorsorglich zu erhöhen oder in geeigneter Weise anzupassen.
Um die Ausnutzung von Wärmeenergie zu verbessern, die mit Umweltwärmequellen wie beispielsweise Solaranalagen, thermischen Kollektoren oder geothermischen Wärmequellen erzeugt wird und dem Behälter zugeführt werden soll, ist es vorgesehen, dass die Temperatur des Wärmeträgermediums in dem unteren Bereich des Behälters bis unterhalb von 0° Celsius abkühlbar ist. Eine derart starke Abkühlung des Wärmeträgermediums setzt die Verwendung eines geeigneten Wärmeträgermediums wie beispielsweise Wasser oder Thermoöl voraus. Dann ist auch in der kalten Jahreszeit eine Nutzung von Wärmeenergie mit einem Temperaturniveau von lediglich einigen Grad Celsius möglich, wie sie üblicherweise von thermischen Solarkollektoren oder oberflächennahen - 9 - HAV 6247 PC
geothermischen Wärmequellen bei kalten Umgebungsbedingungen erzeugt und bereitgestellt werden kann. Bisher nicht sinnvoll verwertbare Niedrigtemperatur-Umweltwärme ist auf diese Weise effizient nutzbar.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Bereitstellung nutzbarer Wärmeenergie mit einem in einem Innenraum eines thermisch isolierten Behälters angeordneten Wärmeträgermedium und mit einer Wärmepumpe, die einen Verdampfer und einen Kondensator aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Verdampfer und der Kondensator jeweils wärmeübertragend mit dem Innenraum des Behälters verbunden sind und eine Umverteilung der in dem Behälter gespeicherten Wärmeenergie aus einem unteren Bereich in einen darüber angeordneten Bereich ermöglichen. Der
Verdampfer und der Kondensator können beispielsweise über geeignete Wärmetauscher mit einem unteren Bereich, bzw. einem oberen Bereich des Innenraums des Behälters thermisch leitend in Verbindung stehen. Die Wärmepumpe, bzw. der Verdampfer und der Kondensator können zusätzlich eine thermische Isolierung aufweisen, um Wärmeübertragungsverluste zu minimieren.
Einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass der Verdampfer und der Kondensator in dem Innenraum des Behälters angeordnet sind und eine Umverteilung der in dem Behälter gespeicherten Wärmeenergie aus einem unteren Bereich in einen darüber angeordneten Bereich ermöglichen.
Bei bereits bekannten Anlagen wird eine Wärmepumpe üblicherweise dazu verwendet, ausgehend von einem externen - 10 - HAV 6247 PC
niedrigeren Temperaturniveau die Temperatur des Wärmeträgermediums in dem thermisch isolierten Behälter zu erhöhen. Auf Grund der hierfür erforderlichen Energie für den Betrieb der Wärmepumpe sowie die in den Wärmetauschern auftretenden Wärmeenergieverluste ist die Effizienz derartiger Anlagen oftmals gering. Im Gegensatz zu extern angeordneten Wärmepumpen, die über Wärmetauscher mit dem Wärmetragermedium in einem Behälter in Verbindung stehen und auf diesem Weg Wärmeenergie übertragen können, können bei einer Anordnung des Verdampfers und des Kondensators in dem Innenraum des thermisch isolierten Behälters unvermeidbar auftretende Wärmeenergieverluste der Wärmepumpe ebenfalls auf das den Verdampfer und den Kondensator umgebende Wärmeträgermedium übertragen und dadurch der nutzbaren Wärmeenergie zugeführt werden. Durch die Anordnung sogenannter Direktverdampfer, beziehungsweise Direktkondensatoren in dem thermisch isolierten Behälter wird ein ansonsten unvermeidbarer Energieverlust verhindert .
Die erfindungsgemäße Anordnung des Verdampfers innerhalb des isolierten Behälters verhindert weitgehend das Vereisen des Verdampfers. Im Falle einer betriebsbedingten oder zeitweise vorteilhaften und absichtlich angesteuerten Vereisung des Verdampfers findet innerhalb des Behälters weiterhin eine Wärmeübertragung statt . Durch das Einbringen von Umweltwärme wird diese Vereisung des Verdampfers innerhalb des Behälters rückgängig gemacht.
Bei bekannten Wärmepumpenanlagen kommt es im Falle der
Vereisung des Verdampfers zu schlechten Wirkungsgraden und gegebenenfalls Betriebsunterbrechungen und zu einem - 11 - HAV 6247 PC
nochmals erhöhten Energieaufwand für das Enteisen des Verdampfers .
Die direkte Anordnung des Verdampfers und des Kondensators der Wärmepumpe in dem thermisch isolierten Behälter ermöglicht es, dass beispielsweise solarthermische oder geothermische Wärmeenergie-Anlagen in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen besseren Wirkungsgrad aufweisen und insbesondere die auf einem niedrigen Temperaturniveau zur Verfügung gestellte Wärmeenergie der externen Wärmequellen besser, beziehungsweise effizienter oder überhaupt genutzt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Regeleinrichtung mit einem Temperaturfühler im Bereich des Verdampfers und/oder mit einem Temperaturfühler im Bereich des Kondensators sowie mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung des Betriebs der Wärmepumpe aufweist. Der Betrieb der Wärmepumpe kann auf diese Weise in Abhängigkeit von dem in dem unteren Bereich des Behälters oder in dem oberen Bereich des Behälters gemessenen Temperaturniveau geregelt, beziehungsweise angesteuert werden.
Um auch die Temperatur der von einer externen Wärmequelle zugeführten Wärmeenergie für die Steuerung der Wärmepumpe nutzen und in vorteilhafter Weise berücksichtigen zu können ist vorgesehen, dass der Behälter mit einer externen Wärmequelle verbindbar ist und einen Temperaturfühler für die von der externen Wärmequelle zuführbare Wärmeenergie aufweist. - 12 - HAV 6247 PC
Einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass die Wärmepumpe eine Adsorptionswärmepumpe ist. Durch die Verwendung geeigneter Arbeitsmittel der als Adsorptionswärmepumpe ausgestalteten Wärmepumpe kann eine kontinuierliche oder periodische Prozessführung ermöglicht werden, ohne dass das Arbeitsmittel mit einer Pumpe umgewälzt werden muss. Geeignete Adsorptionswärmepumpen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Anstelle von Adsorptionswärmepumpen können auch
Absorptionswärmepumpen, Diffusionsabsorptionswärmepumpen oder Vuilleumierwärmepumpen verwendet werden. Die in dem jeweiligen Anwendungsfall bestmöglich geeignet erscheinende oder vorteilhaft einsetzbare Ausgestaltung und Funktionsweise einer Wärmepumpe kann anhand der relevanten Rahmenbedingungen individuell ermittelt und vorgegeben werden. Grundsätzlich können alle Wärmepumpen, bzw. Wärmeumverteilungseinrichtungen zur Anwendung kommen, die auf einem beliebigen Kreisprozess beruhen, der innerhalb des Behälters sinnvoll betrieben werden kann und zur effektiven Wärmeumverteilung geeignet ist.
Bei Verwendung einer Absorptionswärmepumpe können neben dem Verdampfer und dem Kondensator auch weitere notwendige Komponenten wie beispielsweise Austreiber und Absorber innerhalb des thermisch isolierten Behälters angeordnet werden. Auftretende Wärmeverluste des Austreibers und des Absorbers verbleiben innerhalb des thermisch isolierten Behälters und können weiter genutzt werden.
Um eine effizientere Ausnutzung eines für die Speicherung und Bereitstellung von nutzbarer Wärmeenergie verfügbaren - 13 - HAV 6247 PC
Volumens in dem Innenraum des thermisch isolierten Behälters zu verbessern ist es vorteilhaft, dass das Wärmeträgermedium ein Latentwärmespeichermedium ist. Das Wärmeträgermedium kann dabei ganz oder teilweise aus einem geeigneten Latentwärmespeichermedium bestehen. Aus der Praxis bekannt sind dabei beispielsweise Mischungen aus Wasser und Paraffin oder Mischungen aus Wasser und geeigneten Salzen. Durch die Nutzung von Latentwärmespeichermedien kann die Speicherkapazität bei gleichbleibendem Volumen gegenüber beispielsweise Wasser als Wärmeträgermedium merklich erhöht werden.
Es kann auch vorgesehen sein und für bestimmte Anwendungen zweckmäßig werden, dass Wasser als Wärmeträgermedium verwendet und in dem thermisch isolierten Behälter gespeichert ist. Sofern durch geeignete, jedoch bereits bekannte konstruktive Maßnahmen sichergestellt werden kann, dass eine infolge einer Eisbildung unvermeidbare Volumenzunahme nicht zu einer unerwünschten Beschädigung des Behälters führt, kann auch Wasser als Latentwärmespeichermedium verwendet werden.
Einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass mehrere Wärmepumpen mit jeweils einem Verdampfer und Kondensator in dem thermisch isolierten Behälter angeordnet sind. Die mehreren Wärmepumpen sind dabei zweckmäßigerweise kaskadenförmig angeordnet, wobei der Verdampfer einer übergeordneten Wärmepumpe in der Nähe des Kondensators einer darunter angeordneten Wärmepumpe angeordnet ist. Die mehreren Wärmepumpen werden in vorteilhafter Weise mit unterschiedlichen Arbeitsmitteln oder unter Ausnutzung - 14 - HAV 6247 PC
unterschiedlicher Funktionsweisen betrieben, so dass die Wärmepumpen sowohl unabhängig voneinander als auch in Kombination miteinander betrieben und zur Umverteilung von Wärmeenergie innerhalb des thermisch isolierten Behälters verwendet werden können.
Geeignete Arbeitsmittel für den Einsatz von zwei übereinander angeordneten Wärmepumpen innerhalb des thermisch isolierten Behälters können beispielsweise R404A in einer unteren Kompressionswärmepumpe und R134A in einer oberen Kompressionswärmepumpe sein.
Es ist ebenfalls denkbar, zusätzlich oder stattdessen mehrere Wärmepumpen parallel, also jeweils bei vergleichbarer Temperaturdifferenz und absoluten Temperatur im Bereich des Kondensators und des Verdampfers zu betreiben, sofern dadurch beispielsweise ein kostengünstigere Herstellung oder eine effizientere Ansteuerung möglich werden.
Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bereitstellung nutzbaren Wärmeenergie mit einem Schichtenspeicher, in dessen Innenraum ein Wärmeträgermedium angeordnet ist, und mit einer Wärmepumpe, die einen Verdampfer und einen Kondensator aufweist, die in dem Innenraum des Schichtenspeichers angeordnet sind, - 15 - HAV 6247 PC
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß Fig. 1, wobei jedoch zwei Wärmepumpen eine mehrstufige Umverteilung der in dem Schichtenspeicher gespeicherten Wärmeenergie ermöglichen,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß Fig. 1, wobei als Wärmepumpe eine
Absorptionswärmepumpe verwendet wird und wobei zusätzlich eine externe Kühlvorrichtung mit dem Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe in Verbindung steht,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß Fig. 1, wobei als Wärmepumpe eine Vuilleumierwärmepumpe aufweist.
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß Fig. 1, wobei die Vorrichtung Temperaturfühler und eine Regelungseinrichtung aufweist.
Die in Fig. 1 exemplarisch beschriebene Vorrichtung zur
Bereitstellung nutzbarer Wärmeenergie weist einem thermisch isolierten Behälter 1 mit einem Innenraum 2 auf. In dem Innenraum 2 des Behälters befindet sich ein Wärmeträgermedium 3, beispielsweise Wasser oder Thermoöl . Der Innenraum 2 ist nicht in einzelne Kammern unterteilt und weist auch keine in den Innenraum 2 vorspringende Trennelemente oder Lamellen auf, so dass das in dem Innenraum 2 befindliche Wärmeträgermedium 3 sich frei bewegen kann. Weisen Teilmengen des Wärmeträgermediums 3 unterschiedliche Temperaturen auf, so verteilt sich das
Wärmetragermedium 3 innerhalb des Behälters 1 entsprechend der jeweiligen Temperatur des Wärmeträgermediums 3, wobei - 16 - HAV 6247 PC
sich das relativ wärmere Wärmetragermedium 3 auf Grund der etwas niedrigeren Dichte in einem oberen Bereich 4 des Behälters 1 sammelt, während sich das relativ dazu kältere Wärmeträgermedium 3 in einem unteren Bereich 5 des Behälters 1 sammelt. Das Wärmeträgermedium 3 verteilt sich demzufolge in Schichten gleicher Temperatur innerhalb des Behälters 1, der deshalb auch als Schichtenspeicher bezeichnet werden kann.
An den Behälter 1 ist eine externe Wärmequelle 6 angeschlossen, die das Wärmeträgermedium 3 in dem Behälter 1 erwärmen und auf diese Weise Energie in den Behälter 1 zuführen soll. Lediglich exemplarisch ist die Wärmequelle 6 als thermischer Solarkollektor mit einem Kollektor 7 dargestellt, der von einem Wärmeübertragungsmittel durchströmt wird, das bei Lichteinfall und insbesondere bei Sonneneinstrahlung in dem Kollektor 7 erwärmt werden kann. An Stelle einer Solaranlage mit Kollektoren 7 könnte auch jede andere geeignete externe Wärmequelle mit dem Behälter 1 verbunden sein, wobei insbesondere Umweltenergiequellen wie solarthermische, luftthermische oder geothemische Anlagen geeignet erscheinen.
Der Kollektor 7 ist über einen Kreislauf 8 für das Wärmeübertragungsmittel mit einem unteren Wärmetauscher 9 verbunden, der in dem unteren Bereich 5 des Behälters 1 angeordnet ist und eine Wärmeübertragung von dem in dem Kollektor 7 erwärmten Wärmeübertragungsmittel auf das den unteren Wärmetauscher 9 umgebende Wärmeträgermedium 3 ermöglicht. Da sich in dem unteren Bereich 5 des Behälters 1 das kühlere Wärmeträgermedium 3 sammelt, reicht zumindest an sonnigen Tagen die Sonneneinstrahlung auf den Kollektor - 17 - HAV 6247 PC
7" aus, um das Wärmeübertragungsmittel stärker zu erwärmen als den kühleren Anteil des Wärmeträgermediums 3 und dadurch eine ausreichende Wärmeübertragung und Energiezuführung in den Behälter 1 bewirken zu können.
An besonders sonnigen Tagen, bzw. bei einer ausreichend hohen Temperatur des extern bereit gestellten Wärmeübertragungsmittels, kann das Wärmeübertragungsmittel auch über einen oberen Wärmetauscher 10 direkt in den oberen Bereich 4 des Behälters 1 eingeleitet werden, um das bereits auf einer höheren Temperatur befindliche Wärmeträgermedium 3 in diesem Bereich zusätzlich aufzuwärmen. Mittels eines Umschaltventils 11 kann vorgegeben werden, welcher Bereich in dem Behälter 1 mit dem extern erwärmten Wärmeübertragungsmittel zusätzlich erwärmt werden soll.
Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Wärmepumpe 12 mit einem Verdampfer 13 und einem Kondensator 14 auf. Ein geeignetes Kältemittel der Wärmepumpe 12 wird mittels einer Pumpe 15 in einem Wärmepumpenkreislauf 16 umgewälzt, wobei das verdampfte Kältemittel auf dem Weg in den Kondensator 14 mit einem Verdichter, bzw. Kompressor 17 komprimiert und anschließend das Kältemittel auf dem Weg von dem Kondensator 14 zum Verdampfer 13 mittels eines
Expansionsventils 18 wieder auf den Ausgangsdruck entspannt wird.
Der Verdampfer 13 ist in dem unteren Bereich 5 des Behälters 1 in dessen Innenraum 2 angeordnet, während der Kondensator 14 in dem oberen Bereich 4 des Behälters in dessen Innenraum 2 angeordnet ist. Um Wärmeverluste zu - 18 - HAV 6247 PC
vermeiden, wie sie bei Verwendung von Wärmetauschern notwendigerweise anfallen, weist der Verdampfer 13 gewendelte Rohrleitungen 19 auf, die in dem unteren Bereich 5 in dem Innenraum 2 des Behälters 1 in unmittelbarem Kontakt mit dem Wärmeträgermedium 3 stehen. Ebenfalls weist der Kondensator 14 gewendelte Rohrleitungen 20 auf, die in dem oberen Bereich 4 in dem Innenraum 2 des Behälters 1 in unmittelbarem Kontakt mit dem Wärmeträgermedium 3 stehen. Der Wärmeübergang zwischen dem Kältemittel der Wärmepumpe 12 und dem Wärmeträgermedium 3 findet demzufolge ohne zusätzliche Wärmetauscher innerhalb des Behälters 1 und damit sehr effizient statt.
Unvermeidbar anfallende Wärmeverluste im Bereich des Verdampfers 13 oder des Kondensators 14 führen auf Grund der Anordnung des Verdampfers 13 und des Kondensators 14 innerhalb des thermisch isolierten Behälters 1 zu einer lokal begrenzten Erwärmung des umgebenden Wärmeträgermediums 3, das sich entsprechend der gestiegenen Temperatur in eine höhere Schicht innerhalb des Behälters 1 aufsteigt. Die abgegebene Wärme, bzw. die Wärmeenergie verbleibt jedoch innerhalb des thermisch isolierten Behälters 1 und erhöht die in dem Behälter 1 verfügbare nutzbare Wärmeenergie.
Auch die Pumpe 15, der Kompressor 17 und das Expansionsventil 18 sowie gegebenenfalls der gesamte Wärmepumpenkreislauf 16 können innerhalb des thermisch isolierten Behälters 1 angeordnet sein, um weitere Wärmeverluste zu vermeiden, bzw. zu verringern. Um eine einfache Wartung zu erleichtern können aber einzelne Komponenten 15, 17 oder 18 sowie einzelne Abschnitte des - 19 - HAV 6247 PC
Wärmepumpenkreislaufs 16 außerhalb des thermisch isolierten Behälters 1 angeordnet sein, wie es in Fig. 1 exemplarisch dargestellt ist.
Wenn die Wärmepumpe 12 in Betrieb genommen wird, so kühlt die Wärmepumpe 12 das den Verdampfer 13 umgebende Wärmeträgermedium 3 in dem unteren Bereich 5 des Behälters 1 weiter ab, während die Temperatur des Wärmeträgermediums 3 in dem oberen Bereich 4 zusätzlich erhöht wird. Es wird Wärmeenergie aus dem unteren Bereich 5 in den oberen Bereich 4 überführt und die nutzbare Wärmeenergiemenge vergrößert . Gleichzeitig wird die Temperatur des Wärmeträgermediums 3 in dem unteren Bereich 5 des Behälters 1 abgesenkt, wodurch ein Wärmeübertrag des extern zugeführten Wärmeübertragungsmittels aus dem Kollektor 7 effizienter wird und eine wirtschaftlich sinnvolle Ausnutzung von Umweltenergie wie beispielsweise Sonnenenergie verbessert, bzw. über einen wesentlich längeren Zeitraum innerhalb eines Jahres effizient ermöglicht wird.
In dem oberen Bereich 4 des Behälters 1 kann durch das beispielsweise auf 65° Celsius oder höher erwärmte Wärmeträgermedium 3 heißes Brauchwasser erwärmt und über geeignete Anschlüsse 21 und Verbindungsleitungen 22 einer lediglich angedeutete Heißwasserversorgung einer Wohneinheit oder aber beispielsweise einer Radiatorenheizung zugeführt werden. Das etwas kühlere Wärmeträgermedium 3 in einem mittleren Bereich 23 des Innenraums 2 des Behälters 1 kann über geeignete Anschlüsse 24 einer Niedrigtemperatur-Heizvorrichtung wie beispielsweise einer nicht dargestellten Fußbodenheizung - 20 - HAV 6247 PC
"zugeführt werden. Die Anschlüsse 24 können auch als Rücklauf für die Heißwasserversorgung oder Radiatorenheizung etc. verwendet werden. Durch den Einsatz der Wärmepumpe 12 kann einerseits eine ausreichende Erwärmung des Brauchwassers in dem oberen Bereich 4 des Behälters 1 sichergestellt werden und gleichzeitig eine Abkühlung des unteren Bereichs 5 erreicht werden, um eine effektivere Einspeisung von Energie aus externen Umweltenergiequellen zu ermöglichen.
Es ist auch möglich, auf den oberen Wärmetauscher 10 und damit auf eine Einleitung des in dem Kollektor 7 erwärmten Wärmeübertragungsmittels in den oberen Bereich 4 des Behälters 1 zu verzichten. Insbesondere bei einer derartigen Ausgestaltung sind für die Vorrichtung insgesamt nur sehr wenig Bauteile erforderlich, die sämtlich handelsüblich und kostengünstig erworben werden können, da es sich um in der Praxis bereits erprobte und in Großserie hergestellte Bauteile handelt. Auch die Nachrüstung bereits bestehender Wärmespeicheranlagen ist in einfacher und kostengünstiger Weise möglich.
Bei dem in Fig. 2 exemplarisch dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Wärmepumpen 12 und 25 innerhalb des Innenraums 2 des Behälters 1 angeordnet. Der Verdampfer 13 der ersten Wärmepumpe 12 ist in dem unteren Bereich 5 des Behälters 1 angeordnet und kühlt während des Betriebs der Wärmepumpe 12 diesen Bereich ab. Der Kondensator 14 der ersten Wärmepumpe 12 ist in dem mittleren Bereich 23 des Innenraums 2 des Behälters 1 angeordnet und erwärmt das in diesem Bereich befindliche Wärmeträgermedium 3. Dort ist auch der Verdampfer 26 der - 21 - HAV 6247 PC
zweiten Wärmepumpe 25 angeordnet, während der Kondensator 27 der zweiten Wärmepumpe 25 in dem oberen Bereich 4 in dem Innenraum 2 des Behälters 1 angeordnet ist .
Die beiden Wärmepumpen 12 und 25 können getrennt voneinander in Betrieb genommen werden, falls lediglich ein kurzzeitiger Bedarf an einer Abkühlung des unteren Bereichs 5 oder an einer Erwärmung des oberen Bereichs 4 besteht. In vorteilhafter Weise sind die beiden verwendeten Kältemittel der beiden Wärmepumpen 12, 25 jedoch unterschiedlich und derart aufeinander abgestimmt, dass beide Wärmepumpen 12, 25, gleichzeitig betrieben werden können und die jeweiligen Eingangs- und Ausgangstemperaturen aufeinander abgestimmt sind, um einen aneinander anschließenden, möglichst effizienten Betrieb der beiden Wärmepumpen 12, 25 und eine Umverteilung der Wärme von dem unteren Bereich 5 in den oberen Bereich 4 zu bewirken. Die Anschlüsse 24 für einen Niedrigtemperatur-Energieverbraucher können wie dargestellt zwischen dem unteren Verdampfer 13 und dem unteren Kondensator 14 oder aber in dem mittleren Bereich 23, bzw. benachbart zu dem unteren Kondensator 14 und dem oberen Verdampfer 26 angeordnet sein.
Bei dem in Fig. 3 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel wird als Wärmepumpe eine
Absorptionswärmepumpe verwendet . Ein bei niedrigen Temperaturen siedendes Kältemittel wie beispielsweise Ammoniak (R717) wird bei niedrigem Temperatur- und Druckniveau in dem Verdampfer 13 verdampft und strömt in einen Absorber 28, wo es von einem geeigneten Lösungsmittel wie beispielsweise Wasser absorbiert wird. Mittels einer Lösungsmittelpumpe 29 wird das Stoffpaar dann in den - 22 - HAV 6247 PC
Aüstreiber 30 gefördert. Dort wird durch Zuführung von externer Energie, hier von einem Gasbrenner 31, das Kältemittel bei höherem Druck verdampft und von dem Lösungsmittel getrennt. Während das Kältemittel in dem Kondensator 14 kondensiert und dabei Wärme abgibt, wird das Lösungsmittel über eine gesonderte Leitung entspannt und wieder direkt dem Absorber 28 zugeführt.
In dem Kältemittelkreislauf kann unmittelbar vor dem Kondensator 14 über das parallele Schalten beider
Umschaltventile 32 eine externe Kühlvorrichtung 33 wie beispielsweise ein Klimagerät oder eine Raumkühlung angeschlossen sein. Das kondensierte und abgekühlte Kältemittel verdampft dann in einem geeigneten Wärmetauscher 34, welcher an die Kühlvorrichtung 33 angebunden ist.
Durch jeweils paralleles Schalten der beiden Umschaltventile 32 wird entweder der Verdampfer 13 im unteren Bereich 5 des Behälters 1 oder der Wärmetauscher 34 als Verdampfer eingesetzt. Erfindungsgemäß kann zur effizienten Nutzung der Umweltenergie im Bedarfsfall zyklisch wechseln die Verdampfung des Kältermittels in der Kühlvorrichtung 33 oder im Verdampfer 13 innerhalb des Behälters 1 erfolgen.
Lediglich exemplarisch ist bei dem in Fig. 3 abgebildeten Ausführungsbeispiel zusätzlich zu der externen Wärmequelle 6 mit dem Kollektor 7 eine weitere externe Wärmequelle 35 mit einer Parabolkollektoranordnung 36 dargestellt. Die auf diese Weise gewonnene Umweltenergie wird über einen - 23 - HAV 6247 PC
"separaten Kreislauf dem Behälter 1 im Bereich des Austreibers 30 zugeführt.
Erfindungsgemäß kann für den Einsatz einer
Absorptionswärmepumpe vorgesehen sein, während des Betriebs zeitweise auf den Einsatz eines Brenners wie beispielsweise den in Fig. 3 dargestellten Gasbrenner 31 zu verzichten. Dies könnte immer dann der Fall sein, wenn das durch Umwelt- oder Solarenergie mittels geeigneter Kollektoren wie beispielsweise durch den in Fig. 3 dargestellten Parabolkollektor 36 oder einen Vakuum-Röhrenkollektor erwärmte und dem Behälter zugeführte
Wärmeübertragungsmittel eine Temperatur von mehr als beispielsweise 120 Grad Celsius aufweist.
Erfindungsgemäß ist weiterhin der Einsatz einer
Absorptionswärmepumpe ohne einen integrierten Gasbrenner 31 möglich. Die notwendige Temperatur des Austreibers 30 von üblicherweise mehr als 120 Grad Celsius kann bei geeigneten Kollektoren durch Umwelt- oder Solarwärme erzeugt werden und direkt oder über Wärmetauscher im Bereich des Austreibers in den Behälter 1 eingebracht werden.
Diese Ausgestaltung des Erfindungsgedankens führt zu einer Erhöhung der nutzbaren Umweltwärme bei gleichbleibender Kollektorfläche, indem durch die Umschichtung und Abkühlung im unteren Bereich 5 des Behälters 1 eine Abkühlung des unteren Wärmetauschers 9 bewirkt wird. Damit erhöht sich die Temperaturdifferenz zwischen einem Vorlauf und einem Rücklauf des Kollektors 7, so dass eine größere Wärmemenge in den Behälter 1 eingebracht werden kann. Die Leistung, bzw. der Wirkungsgrad einer solchen Anlage lässt sich durch die Verwendung einer mehrstufigen Absorptionswärmepumpe - 24 - HAV 6247 PC
oder durch eine kaskadenartige Anordnung mehrerer Absorptionswärmepumpen innerhalb des Behälters 1 sowohl in Bezug auf die Wärmeleistung als auch auf die erreichbare Maximaltemperatur steigern.
In Fig. 4 wird lediglich schematisch ein
Ausführungsbeispiel der Vorrichtung dargestellt, bei der eine Vuilleumierwärmepumpe 37 eingesetzt wird. Über zwei Verdrängerkolben 38 wird ein geeignetes Arbeitsmedium wie beispielsweise Helium umgewälzt, wobei Energie über zwei unterschiedliche Wärmequellen (Umweltenergie und Gasbrenner) zugeführt und eine sehr effiziente Energieumwandlung in nutzbare Wärmeenergie ermöglicht wird.
In Fig 5. Ist schematisch eine geregelte Ansteuerung der Wärmepumpe 12 des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels abgebildet. Über einen Temperaturfühler 39 im oberen Bereich 4 des Behälters 1 und einen Temperaturfühler 40 im unteren Bereich 5 des Behälters 1 können die lokalen Temperaturverhältnisse des Wärmeträgermediums 3 im Bereich des Verdampfers 13 und des Kondensators 14 ermittelt werden. Die Temperaturfühler 39, 40 sind über Signalübertragungsleitungen 41 mit einer Regelungseinrichtung 42 verbunden, mittels derer die gemessenen Temperaturwerte im oberen Bereich 4 sowie im unteren Bereich 5 des Wärmeträgermediums 3 ausgewertet und eine gegebenenfalls in Abhängigkeit zusätzlicher Steuerinformationen angepasste Ansteuerung der Wärmepumpe 12, bzw. der Pumpe 15 vorgenommen werden kann.
Weiterhin ist an der Zuführung der externen Wärmequelle 6 ein Temperaturfühler 43 vorgesehen, mit welchem die - 25 - HAV 6247 PC
Temperatur des von der externen Wärmequelle 6 zugeführten Wärmeübertragungsmittels gemessen werden kann. Dieser Temperaturfühler 43 steht ebenfalls über
Signalübertragungsleitungen 41 mit der Regelungseinrichtung 42 in Verbindung. Die Regelungseinrichtung 42 kann für eine Ansteuerung der Wärmepumpe 12 die Temperatur des zugeführten Wärmeübertragungsmittels, bzw. die Temperaturdifferenz des Wärmeübertragungsmittels zu dem Wärmeträgermedium 3 in dem unteren Bereich 5 des Behälters 1 berücksichtigen. Vorsorglich kann mittels eines weiteren Temperaturfühlers 44 auch die Temperatur des Kältemittels der Wärmepumpe 12 unmittelbar nach Verlassen des Verdampfers 13 überwacht und für die Ansteuerung der Wärmepumpe 12 berücksichtigt werden.
Auf diese Weise kann beispielsweise im Bedarfsfall eine zusätzliche Erwärmung des Wärmeträgermediums 3 im oberen Bereich 4 des Behälters 1 vorgenommen werden, falls die gespeicherte Wärmemenge nicht ausreichen sollte, um den anfallenden Bedarf decken zu können. Die Wärmepumpe 12 kann auch in Betrieb genommen werden, um bei einer zu gering werdenden Temperaturdifferenz zwischen dem extern zugeführten Wärmeübertragungsmittel und der Temperatur des Wärmeträgermediums in dem unteren Bereich 5 des Behälters 1 eine lokale Abkühlung des Wärmeträgermediums 3 in dem unteren Bereich 5 des Behälters 1 vorzunehmen und die Temperaturdifferenz zum Wärmeübertragungsmittel aus der externen Wärmequelle 6 zu vergrößern.
Mit der Regelungseinrichtung 42 kann auch der Wärmeübergang im Kondensator 14, im Verdampfer 13 und in dem extern - 26 - HAV 6247 PC
angeschossenen Kollektor 7, bzw, den zugeordneten Wärmetauschern 9 und 10 optimiert werden.
Für den Einsatz einer Kompressorwärmepumpe kann vorgesehen sein, die Drehzahl des Kompressors 17 und die Drehzahl einer Förderpumpe 45 des Kollektors 7 zu steuern oder zu regeln. Über die Förderrate sind der Wärmeübergang und damit auch die jeweils übertragbare Wärmemenge vorgebbar und optimierbar.
An Stelle des Kompressors 17 werden bei einer Absorptionswärmepumpe durch die Regelungseinrichtung 42 die Lösungspumpe 29 und der Gasbrenner 31 geregelt.
Eine geregelte Ansteuerung der Wärmepumpe 12 kann auch zweckmäßig sein, wenn dem Wärmeträgermedium 3 absichtlich ein Phasenübergang aufgezwungen wird, um die Latentwärmeenergie nutzen zu können und den Behälter 1 als Latentwärmespeicher zu betreiben. Gegebenenfalls kann es vorteilhaft sein, mittels zusätzlicher
Druckmesseinrichtungen den Innendruck in dem Innenraum 2 des Behälters 1 zu überwachen, um eine Beschädigung des Behälters 1 während des Betriebs ausschließen zu können.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel wurden der untere Wärmetauscher 9 der externen Wärmequelle 6 und der Kondensator 13 der Wärmepumpe 12 kombiniert, wobei der Wärmetauscher 9 als gewendeltes Rohr im Inneren des ebenfalls als gewendeltes Rohr ausgestalteten Kondensators 13 verläuft. Diese Anordnung ermöglicht eine Wärmeübertragung im Gegenflussprinzip.

Claims

- 27 - HAV 6247 PCVerfahren und Vorrichtung zur Bereitstellung nutzbarer WärmeenergieP a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Bereitstellung nutzbarer Wärmeenergie eines Wärmeträgermediums (3) in einem Innenraum (2) eines thermisch isolierten Behälters (1) , wobei das
Wärmeträgermedium (3) in einem unteren Bereich (5) des Innenraums (2) eine niedrigere Temperatur als in einem darüber angeordneten Bereich (4) des Innenraums (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wärmeträgermedium (3) in dem unteren Bereich (5) durch
Abkühlung Wärme entzogen und dem Wärmeträgermedium (3) in dem darüber angeordneten Bereich (4) durch Erwärmung zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme aus dem unteren Bereich (5) durch eine Wärmepumpe (12) in den darüber angeordneten Bereich (4) des Behälters (1) überführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Wärmetragermediums (3) in dem unteren und/oder in dem oberen Bereich (4, 5) des Behälters (1) erfasst wird und eine Überführung von Wärme aus dem unteren Bereich (5) in den darüber angeordneten Bereich (4) in Abhängigkeit von den erfassten Temperaturwerten durchgeführt wird. - 28 - HAV 6247 PC
4". Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Temperatur einer von einer externen Wärmequelle (6) zuführbaren Wärmeenergie gemessen wird und eine Überführung von Wärme aus dem unteren Bereich (5) in den darüber angeordneten Bereich (4) in Abhängigkeit von den erfassten Temperaturwerten durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des
Wärmeträgermediums (3) in dem unteren Bereich des Behälters (1) bis unterhalb von 0° Celsius abkühlbar ist.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlvorrichtung (33) an einen Wärmepumpenkreislauf (16) angeschlossen und von dem Kältemittel der Wärmepumpe (12) betrieben wird.
7. Vorrichtung zur Bereitstellung nutzbarer Wärmeenergie mit einem in einem Innenraum (2) eines thermisch isolierten Behälters (1) angeordneten Wärmeträgermedium (3) und mit einer Wärmepumpe (12) , die einen Verdampfer (13) und einen Kondensator (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (13) und der Kondensator (14) jeweils wärmeübertragend mit dem Innenraum (2) des Behälters (1) verbunden sind und eine Umverteilung der in dem Behälter (1) gespeicherten Wärmeenergie aus einem unteren Bereich (5) in einen darüber angeordneten Bereich (4) ermöglichen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (13) und der Kondensator (14) in dem Innenraum (2) des Behälters (1) angeordnet sind. - 29 - HAV 6247 PC
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Regeleinrichtung mit einem Temperaturfühler (40) im Bereich des Verdampfers (13) und/oder mit einem Temperaturfühler (39) im Bereich des Kondensators (14) sowie mit einer Steuereinrichtung
(42) zur Steuerung des Betriebs der Wärmepumpe (12) aufweist .
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) mit einer externen Wärmequelle (6) verbindbar ist und einen Temperaturfühler
(43) für die von der externen Wärmequelle (6) zuführbare Wärmeenergie aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (12) eine Adsorptionswärmepumpe, eine AbsorptionsWärmepumpe, eine Diffusionsabsorptionswärmepumpe, eine Vuilleumierwärmepumpe oder eine auf einem anderen geeigneten Kreisprozess basierende Wärmepumpe ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (12) eine Absorptionswärmepumpe mit einem Austreiber (30) und mit einem Absorber (28) ist, und dass der Austreiber (30) und der Absorber (28) in dem Behälter (1) angeordnet sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium (3) ein
Latentwärmespeichermedium ist. - 30 - HAV 6247 PC
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wärmepumpen (12, 25) mit jeweils einem Verdampfer (13, 26) und einem Kondensator (14, 27) in dem thermisch isolierten Behälter (1) angeordnet sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Kombination mehrerer unterschiedlicher Wärmepumpen (18, 25) aufweist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlvorrichtung (33) mit dem Wärmepumpenkreislauf (16) verbindbar ist.
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