DE10043533A1

DE10043533A1 - Heat store for solar energy has wall round inner container enclosing cavity filled with latent heat storage material

Info

Publication number: DE10043533A1
Application number: DE10043533A
Authority: DE
Inventors: Roland Sailer; Wolfgang Sailer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-09-05
Filing date: 2000-09-05
Publication date: 2002-03-28

Abstract

Bei den bekannten Wärmespendern wird die Wärme entweder sensibel in Wasser als Medium oder in Latentwärmespeichern eingespeichert. Hierbei zeigt sich insbesondere, daß bei der Speicherung von sensibler Wärme hohe Energieverluste zu verzeichnen sind. Bei den Latentwärmespeichern sind sehr aufwendige und kostenintensive technische Lösungen, die zum Teil mit Zusatzaggregaten wie Pumpen und Wärmeaustauscher ausgestattet sind, üblich. DOLLAR A Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Warmwasserspeicher anzugeben, welcher einerseits im Heizbetrieb sehr reaktionsschnell warmes Wasser im oberen Bereich des Speichers zur Verfügung stellt und andererseits eine hohe Wärmekapazität aufweist. Die Erfindung sieht vor, die Vorteile von Wärmespeicherung in Wasser und Latent-Wärmespeichermaterialien in einem System zu integrieren. Die Erfindung ermöglicht eine schnelle Aufheizung von Wasser in einem Speicher auf eine bestimmte nutzbare Solltemperatur beispielsweise 60 DEG C. Ist mehr Energie zur Speicherung vorhanden, beispielsweise durch Sonneneinstrahlung mittels Sonnenkollektoren, so soll die Speichertemperatur wegen der Energieeinspeicherung im Behälter nicht ansteigen. Kann die Temperatur im Speicher trotz Energiezufuhr auf der Solltemperatur gehalten werden, können die Energieverluste, die infolge erhöhter Speichertemperatur sich einstellen würden, eingespart werden. Erfindungsgemäß ist hierzu ein Speicherbereich für Latent-Wärmespeichermaterialien um den eigentlichen Wasserspeicher ...In the known heat dispensers, the heat is either stored sensitively in water as a medium or in latent heat stores. This shows in particular that high energy losses are recorded when storing sensitive heat. In the case of latent heat stores, very complex and cost-intensive technical solutions, some of which are equipped with additional units such as pumps and heat exchangers, are common. DOLLAR A object of the present invention is to provide a hot water tank which, on the one hand, provides hot water in the upper region of the tank in a very responsive manner in heating mode and, on the other hand, has a high thermal capacity. The invention provides to integrate the advantages of heat storage in water and latent heat storage materials in one system. The invention enables rapid heating of water in a storage tank to a certain usable target temperature, for example 60 ° C. If more energy is available for storage, for example by solar radiation using solar collectors, the storage tank temperature should not rise because of the energy storage in the tank. If the temperature in the storage tank can be kept at the target temperature despite the energy supply, the energy losses that would occur as a result of the increased storage tank temperature can be saved. According to the invention there is a storage area for latent heat storage materials around the actual water storage ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher nach dem Oberbegriff des Patenanspruchs 1.The invention relates to a heat store according to the preamble of patent claim 1.

Der zunehmende Einsatz von solarer Energie zur Gebäudeklimatisierung ist wesentlich für den Bedarf an großen Wärmekapazitäten. Die Speicherung der Wärme oder auch Kälte erfolgt üblicherweise sensibel. Größere Wärmekapazitäten lassen sich aber nur durch den Einsatz von Latent-Wärmespeichermaterialien unter Ausnutzung der Schmelzenthalpie erzielen. Einer allgemeinen Verbreitung dieser Technik stehen bisher aber die fehlende Funktionalität und die hohen Kosten entgegen.The increasing use of solar energy for building air conditioning is essential for the need large heat capacities. The heat or cold is usually stored in a sensitive manner. Larger heat capacities can only be achieved through the use of latent heat storage materials Achieve utilization of the enthalpy of fusion. So far, however, there is a general spread of this technology the lack of functionality and the high costs.

State of the art

In dem von der Firma ST Speicher-Technologie, Gewerbeparkring 17, 15517 Fürstenwalde entwickelte Latentwärmespeicher stehen Speichermaterial und Wärmeträgermedium in direktem Kontakt. Damit das Wärmeträgermedium sowohl im erstarrten als auch im flüssigen Zustand dem Speichermaterial Wärme zu- oder abführen kann, ist eine aufwendige Konstruktion im Inneren des Behälters erforderlich.In the developed by the company ST Speicher-Technologie, Gewerbeparkring 17, 15517 Fürstenwalde Latent heat storage devices are in direct contact with the storage material and heat transfer medium. So that Heat transfer medium, both in the solidified and in the liquid state, add heat to the storage material. or can lead away, a complex construction inside the container is required.

Aus DE 27 41 829 ist eine Lösung bekannt, in der der Latentwärmespeicher als separate Einheit realisiert ist. Hierbei schwimmt das Latentspeichermaterial in Form von kunststoffumhüllten Paraffinteilchen in einem separaten Wärmespeicher gefüllt mit Wärmeträgerflüssigkeit. Über einen Wärmetauscher wird die Energie an das zu temperierende Medium übertragen. Hierzu sind Pumpen und Zusatzenergie erforderlich.From DE 27 41 829 a solution is known in which the latent heat storage is implemented as a separate unit. The latent storage material floats in the form of plastic-coated paraffin particles in one separate heat storage filled with heat transfer fluid. The energy is applied via a heat exchanger transfer the medium to be tempered. This requires pumps and additional energy.

DE 198 15 521 zeigt einen drucklosen Behälter, der mit einer Speicherflüssigkeit als Wärmeträger gefüllt ist. Durch den Einbau von Latentspeicherelementen in der Zone B wird eine Erhöhung der Wärmespeicherkapazität erzielt. Allerdings ist in der Zone B nur eine langsame Wärmeübertragung zu oder von den Latentspeicherelementen in die Speicherflüssigkeit möglich. Der konstruktive Aufwand des Behälters ist groß.DE 198 15 521 shows a pressureless container which is filled with a storage liquid as a heat carrier. By installing latent storage elements in Zone B, an increase in Heat storage capacity achieved. However, in Zone B there is only slow heat transfer to or possible from the latent storage elements into the storage liquid. The design effort of the container is big.

Aus DE 198 13 562 ist ein Latentwärmespeicher bekannt, in dem eine Mehrzahl von Latentwärmekörper senkrecht hängend angeordnet sind. Der Latentwärmespeicher kann von Luft oder Wasser durchströmt werden. Dadurch wird in den Latentwärmekörper Wärme gespeichert oder in Folge dann bei Durchströmung mit einem relativ kälteren Wärmeträgermedium wieder abgegeben. Hier ist in der Praxis die Einbringung der Latentwärmekörper zu lösen. Desweiteren wird die Konstruktion mit zunehmender Anzahl der Latentwärmekörper aufwendig und kostenintensiv.From DE 198 13 562 a latent heat store is known in which a plurality of latent heat bodies are arranged vertically hanging. Air or water can flow through the latent heat store. As a result, heat is stored in the latent heat body or, as a result, when it flows through Relatively colder heat transfer medium released again. In practice, this is where the Solve latent heat body. Furthermore, the construction with increasing number of Latent heat body complex and costly.

DE 198 07 657 zeigt einen Latentwärmespeicher kombiniert mit einem Wasserspeicher. Durch eine definierte Anordnung der Wärmetauscher und eines Niedertemperatur-Latentwärmespeichers im unteren Speicherbereich soll eine möglichst tiefe Auskühlung des Solarrücklaufs- beziehungsweise eine Vorerwärmung des Frischwassers erreicht werden. Zusätzlich ist im oberen Speicherbereich ein Hochtemperatur- Latentwärmespeicher vorgesehen. Wird durch die Brauchwasserleitung Warmwasser gezapft, so kühlt sich das im Speicher vorhandene Wasser derart ab, daß infolge turbulenter Strömungen die Schichtung im Behälter zerstört wird. In Gegenden kalkhaltigen Wasser besteht bei diesem Wärmetauscher leicht die Gefahr der Verstopfung durch verkalken. Ein Austausch des Wärmetauscher ist nicht möglich ohne den Behälter aufzuschneiden. Die Anordnung von Wasser und Latentwärmespeicher und die Verrohrung, lassen keine rationelle Großserienfertigung zu, was letztendlich kostennachteilig sich auswirkt.DE 198 07 657 shows a latent heat storage combined with a water storage. By a defined Arrangement of the heat exchangers and a low-temperature latent heat storage in the lower storage area should as deep as possible cooling of the solar return or preheating the Fresh water can be reached. In addition, a high temperature Latent heat storage provided. If hot water is drawn through the hot water pipe, it cools down Existing water in the reservoir from such that the stratification in the container due to turbulent flows gets destroyed. In areas of calcareous water, there is a slight risk of this heat exchanger Calcification due to calcification. It is not possible to replace the heat exchanger without the tank cut open. The arrangement of water and latent heat storage and the piping, leave none rational large-scale production, which ultimately has a cost disadvantage.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wärmespeicher anzugeben, welcher einerseits im Heizbetreib sehr reaktionsschnell warmes Wasser im oberen Bereich des Speichers zur Verfügung stellt und andererseits eine hohe Wärmekapazität aufweist.The object of the present invention is to provide a heat store which, on the one hand, is used in heating provides very responsive warm water in the upper area of the storage tank and on the other hand has a high heat capacity.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.The invention is described in claim 1. The dependent claims contain advantageous ones Refinements and developments of the invention.

Die Erfindung sieht vor, die Vorteile von Wärmespeicherung in Wasser und Latent-Wärmespeichermaterialien in einem System zu integrieren. Die Erfindung ermöglicht eine schnelle Aufheizung von Wasser in einem Speicher auf eine bestimmte nutzbare Solltemperatur beispielsweise 60°C. Ist mehr Energie zur Speicherung vorhanden, beispielsweise durch Sonneneinstrahlung mittels Sonnenkollektoren, so soll die Speichertemperatur wegen der Energieeinspeicherung im Behälter nicht ansteigen. Kann die Temperatur im Speicher trotz Energiezufuhr auf der Solltemperatur gehalten werden, können die Energieverluste, die infolge erhöhter Speichertemperatur sich einstellen würden, eingespart werden. Erfindungsgemäß ist hierzu ein Speicherbereich für Latent-Wärmespeichermaterialien um den eigentlichen Wasserspeicher angeordnet.The invention provides the advantages of heat storage in water and latent heat storage materials to integrate in one system. The invention enables rapid heating of water in one Storage to a certain usable target temperature, for example 60 ° C. Is more energy for storage available, for example due to solar radiation by means of solar collectors, the storage temperature should do not increase due to the energy storage in the container. Can the temperature in the store despite Energy supply can be kept at the target temperature, the energy losses resulting from increased Storage temperature would set, saved. According to the invention, there is a memory area for this for latent heat storage materials arranged around the actual water storage.

Weitere wichtige Merkmale und vorteilhafte Wirkungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in den beiliegenden Zeichnungen abgebildet sind. Auf diese Ausführungsbeispiele ist die Erfindung keinesfalls beschränkt, denn sie dienen lediglich dem besseren Verständnis und als Hilfe zur Auslegung.Further important features and advantageous effects result from the following description of Embodiments that are shown in the accompanying drawings. On these embodiments the invention is in no way limited, because they serve only for better understanding and as an aid to Interpretation.

Entsprechend Fig. 1 und Fig. 3 (Horizontalschnitt durch den Behälter) ist erfindungsgemäß vorgesehen, einen unter Druck stehenden oder drucklosen Behälter (g) mit Wärmeträgermedium (d) beispielsweise Wasser zu füllen. Der Behälter (g) ist in seiner Geometrie vorteilhaft schlank und hoch und weist mindestens einen oberen (a) und mindestens einen unteren (b) Zugang auf. Weiterhin können auch Wärmetauschersysteme und Einschichtvorrichtungen im unteren und oberen Speicherbereich integriert sein. Der mit Wasser gefüllte Raum ist von einem zweiten Mantel (h) umgeben. Das sich somit zwischen Behälterwandung (g) und Mantelwandung (h) ergebende Volumen wird erfindungsgemäß mit Latent-Wärmespeichermaterial (c) gefüllt. Das Gesamtsystem ist von einer Wärmedämmung umgeben. Das Speichervolumen mit dem Latent- Wärmespeichermaterial (c) kann nach oben offen, oder aber mit einem Deckel gegenüber der Umgebung abgeschlossen sein. Der Speicher kann zylindrisch oder eine beiliebige Grundgeometrie, beispielsweise eine quadratische, aufweisen. Weiterhin kann der Speicherraum für das Latent-Wärmespeichermaterial (c) so ausgeprägt sein, daß das Latent-Wärmspeichermaterial (c) auch die Flächen (f) und (e) umschließt. According to FIG. 1 and FIG. 3 (horizontal section through the container) it is provided according to the invention to fill a container (g) under pressure or without pressure with heat transfer medium (d), for example water. The container (g) is advantageously slim and tall in its geometry and has at least one upper (a) and at least one lower (b) access. Furthermore, heat exchanger systems and single-layer devices can also be integrated in the lower and upper storage area. The room filled with water is surrounded by a second jacket (h). The volume thus resulting between the container wall (g) and the jacket wall (h) is filled according to the invention with latent heat storage material (c). The entire system is surrounded by thermal insulation. The storage volume with the latent heat storage material (c) can be open at the top, or can be closed off with a lid to the surroundings. The memory can have a cylindrical shape or an arbitrary basic geometry, for example a square shape. Furthermore, the storage space for the latent heat storage material (c) can be so pronounced that the latent heat storage material (c) also encloses the surfaces (f) and (e).

Als Schnitt zeigt Fig. 4 eine Speicherkonstruktion mit verbesserten dynamischen Eigenschaften. Am Innenbehälter (g) sind Oberflächen vergrößernde Maßnahmen (c1) ergriffen. Hier tragen gut wärmeleitende Elemente die Wärme sowohl aus als auch in das Latent-Wärmespeichermaterial. Dies können beispielsweise Metalllamellen sein, die mit dem Behälter (g) gut wärmeleitend verbunden sind.As section Fig. 4 shows a memory structure with improved dynamic properties. Surface-enlarging measures (c1) have been taken on the inner container (g). Here, good heat-conducting elements carry the heat both out and into the latent heat storage material. These can be metal lamellae, for example, which are connected to the container (g) with good thermal conductivity.

Um die dynamischen Eigenschaften des Latent-Wärmespeichermaterials zu erhöhen, ist beispielsweise auch die Beigabe von Stahlschrott aus beispielsweise spanabhebender Metallbearbeitung möglich.To increase the dynamic properties of the latent heat storage material, for example, that is also Steel scrap from metal cutting, for example, can be added.

Fig. 5 und der Horizontalschnitt durch den beispielhaft zylindrischen Behälter Fig. 6 zeigen eine weitere Möglichkeit die Wärmespeicherkapazität zu erhöhen. Im Inneren des Speichers sind ein- oder mehrere, mit Latent-Wärmespeichermaterial befüllbare Körper vorgesehen. Die Wandungen dieser Körper bestehen aus gut wärmeleitendem Material. Die Körper können von außen befüllt, oder bereits befüllt in den Wärmespeicher eingebracht werden. Fig. 5 and the horizontal section through the exemplary cylindrical container Fig. 6 show another way to increase the heat storage capacity. One or more bodies that can be filled with latent heat storage material are provided in the interior of the store. The walls of these bodies are made of good heat-conducting material. The bodies can be filled from the outside, or already filled into the heat store.

Eine vertikale Temperaturzonierung kann mit Unterteilungen des Bereichs, indem das Latent- Wärmespeichermaterial (c) eingebracht ist, entsprechend Fig. 2 erreicht werden. Hierbei sind konstruktiv mehrere getrennte Bereiche beispielsweise (c2) (c3) (c4) vorzusehen, in die Latent-Wärmespeichermaterial mit unterschiedlichen Schmelzpunkten eingebracht werden kann. Somit ist eine Wärmeschichtung unterstützt durch das Latent-Wärmespeichermaterial mit von unten nach oben steigender Temperatur möglich.Vertical temperature zoning can be achieved with subdivisions of the area in which the latent heat storage material (c) is introduced, as shown in FIG. 2. In this case, several separate areas are to be provided structurally, for example (c2) (c3) (c4), into which latent heat storage material with different melting points can be introduced. This enables thermal stratification supported by the latent heat storage material with a temperature that increases from bottom to top.

Die Stärke des sich aus der Radiendifferenz vom Innenbehälter (g) und umgebenden Mantel (h) ergebenden Ringspalt, der über die Höhe mit Wärme-Latentspeichermaterial gefüllt ist, kann beliebig oder abhängig von der erforderlichen Wärmespeicherkapazität gestaltet werden. Sinngemäß gilt dies auch für andere geometrische Behältergrundformen.The strength of the resulting from the difference in radii between the inner container (g) and the surrounding jacket (h) Annular gap, which is filled with heat latent storage material over the height, can be arbitrary or dependent on the required heat storage capacity can be designed. This also applies analogously to other geometrical ones Tank basic shapes.

Die Behälterabmessungen sind beliebig, idealerweise schlank und hoch, beispielsweise mindestens doppelt so hoch wie die Breite des Wärmespeichers oder mindestens doppelt hoch wie der Durchmesser eines zylindrischen Wärmespeichers. Das Wasservolumen beträgt beispielsweise mehr als 150 Liter.The container dimensions are arbitrary, ideally slim and tall, for example at least twice as much high as the width of the heat accumulator or at least twice as high as the diameter of one cylindrical heat storage. The water volume is, for example, more than 150 liters.

Die erfindungsgemäßen Vorteile gestalten sich wie folgt: Das Latent-Wärmespeichermaterial (c) ist sicher getrennt vom Wärmeträgermedium (d). Es können dadurch keine Verschleppungen des Latent- Wärmeträgermaterials (c) in nachgeschaltete Kreise mit Wärmesenken mit systembeschädigender Wirkung auftreten. Zum Wärmeaustausch zwischen Wärmeträgermedium (d) und Latent-Wärmespeichermaterial (c) sind keine Zusatzaggregate erforderlich. Dies erfolgt rein physikalisch.The advantages according to the invention are as follows: The latent heat storage material (c) is safe separated from the heat transfer medium (d). This means that the latent Heat transfer material (c) in downstream circles with heat sinks with a system-damaging effect occur. For heat exchange between heat transfer medium (d) and latent heat storage material (c) no additional units are required. This is done purely physically.

Das erfindungsgemäße System ermöglicht eine schnelle Aufheizung des Wärmeträgermediums (d) mit sensibler Wärme bis auf eine definierte Solltemperatur, welche dem Schmelzpunkt des Latent- Wärmespeichermaterials entspricht. Da die Solltemperatur nun trotz Energiezufuhr über einen bestimmten Bereich nahezu konstant gehalten werden kann, sind die Energieverluste im Vergleich zur Energiespeicherung ausschließlich in sensibler Wärme wesentlich geringer.The system according to the invention enables rapid heating of the heat transfer medium (d) sensitive heat up to a defined target temperature, which corresponds to the melting point of the latent Heat storage material corresponds. Because the target temperature is now above a certain level despite the energy supply Range can be kept almost constant, are the energy losses compared to energy storage only significantly less in sensitive heat.

Fertigungstechnisch ist erfindungsgemäß eine rationelle Serienfertigung möglich.In terms of manufacturing technology, rational series production is possible according to the invention.

Claims

1. Heat storage, in particular water and latent heat storage, with thermal insulation, with at least one access in the upper (a) and lower (b) area for the inlet and outlet of a heat transfer medium and optionally with heat exchangers and single-layer systems for the heat transfer medium (d) , characterized in that the wall (h) surrounding the inner container (g) at a distance encloses a space which is filled with latent heat storage material (c).

2. Heat accumulator according to claim 1 or in particular according thereto, characterized in that the Inner container (g) is designed as a pressure container.

3. Heat storage device according to one or more of the preceding claims or in particular according thereto, characterized in that between the inner container (g) and the surrounding wall (h) enclosed space is open at the top.

4. Heat storage device according to one or more of the preceding claims or in particular according thereto, characterized in that the inner container (g) is well heat-conducting and Has surface-enlarging structures.

5. Heat accumulator according to claim 4, characterized in that on the outside of the inner container (g) Steel fins are attached to conduct heat well.

6. Heat accumulator according to one or more of the preceding claims or in particular according thereto, characterized in that the latent heat storage material has good heat-conducting waste materials, for example from metal-cutting manufacturing processes.

7. Heat accumulator according to one or more of the preceding claims or in particular according thereto, characterized in that between the inner container (g) and the surrounding wall (h) enclosed space is divided vertically into several zones (c4) (c3) (c2) and with latent Heat storage material is filled with different melting points.

8. Heat storage device according to one or more of the preceding claims or in particular according thereto, characterized in that the memory is cylindrical or any basic geometry having.

9. Heat accumulator according to one or more of the preceding claims or in particular according to it, characterized in that the latent heat storage material completely encloses the inner container.

10. Heat storage device according to one or more of the preceding claims or in particular according thereto, characterized in that the heat accumulator as a whole is surrounded by thermal insulation.

11. Heat store according to one or more of the preceding claims or in particular according thereto, characterized in that the latent heat storage material (c) surrounding the inner container (g) can have any volume.

12. Heat storage device according to one or more of the preceding claims or in particular according thereto, characterized in that the water volume has at least 150 l.

13. Heat storage device according to one or more of the preceding claims or in particular according thereto, characterized in that one or more, with latent Heat storage material fillable body (c5), which consist of good heat-conducting material and of infested outside, or can already be infested in the heat storage, are.