EP4560244A1 - Kaeltespeicher und verwendung eines solchen kaeltespeichers als energiespeicher in einem gebaeudeversorgungssystem - Google Patents

Kaeltespeicher und verwendung eines solchen kaeltespeichers als energiespeicher in einem gebaeudeversorgungssystem Download PDF

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EP4560244A1
EP4560244A1 EP24212275.2A EP24212275A EP4560244A1 EP 4560244 A1 EP4560244 A1 EP 4560244A1 EP 24212275 A EP24212275 A EP 24212275A EP 4560244 A1 EP4560244 A1 EP 4560244A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
storage container
storage
storage device
refrigerant
storage tank
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24212275.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael GEISSBÜHLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
PVT Solar AG
Original Assignee
PVT Solar AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by PVT Solar AG filed Critical PVT Solar AG
Publication of EP4560244A1 publication Critical patent/EP4560244A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F28F21/082—Heat exchange elements made from metals or metal alloys from steel or ferrous alloys
    • F28F21/083—Heat exchange elements made from metals or metal alloys from steel or ferrous alloys from stainless steel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2270/00—Thermal insulation; Thermal decoupling

Definitions

  • the present invention relates to a cold storage device and the use of such a cold storage device as an energy storage device in a building supply system.
  • the term "building supply system” refers to a system for supplying any building with hot or cold drinking water, hot service water, particularly for heating systems, and/or cold service water, particularly for cooling systems or air conditioning systems.
  • the present invention preferably relates to building supply systems in which the energy (electricity and/or heat) is generated via renewable energy sources, for example, using photovoltaic modules, solar collectors, or combined hybrid collectors or PVT modules, and which comprise at least one heat pump.
  • Heat pumps have become an indispensable part of modern building supply systems for heating buildings, providing hot drinking water and process heat, as well as for efficient cooling of buildings in summer.
  • Heat sources for these heat pumps can include geothermal probes, ice storage tanks, solar collectors, and photothermal (PVT) modules.
  • PVT modules can be advantageously used as air/water heat exchangers, thus providing an alternative heat source to traditional air/water heat pump systems. Compared to the particularly energy-efficient geothermal probe and ice storage systems, PVT module systems often prove to be more cost-effective while offering only slightly lower energy efficiency.
  • Electric heating elements can lead to higher operating costs, especially when used frequently, due to their comparatively high power consumption.
  • defective electric heating elements with heavy calcification can impair the efficiency of the heating system, which in turn can adversely affect maintenance and repair costs.
  • the present invention is based on the object of providing a technical solution that is improved over the prior art to ensure the operational reliability of a building supply system based on renewable and thus often weather-dependent energy sources while simultaneously being as climate-neutral as possible.
  • the focus here should be particularly on building supply systems based on heat pump heating systems and using PVT modules as direct heat sources for the respective heat pump.
  • the cold storage device according to the invention advantageously forms a tank-in-tank-in-tank system in which the first storage container as the inner tank and/or the third storage container as the outer tank can assume the role of cost-effective latent heat storage devices, which are in direct one-sided or two-sided thermal contact with the second refrigerant located in the second storage container designed as a central tank.
  • the heat capacity of the cold storage device according to the invention in the form of a tank-in-tank-in-tank system is thus advantageously increased many times over compared to the heat capacity of conventional buffer storage devices, in particular conventional combination storage devices of the prior art.
  • the cold storage device according to the invention is particularly well suited for use in retrofitting/conversion or renovation projects.
  • the cold storage unit according to the invention is not only suitable as an energy source for the heating period, but also as a cooling storage unit for summer cooling operation, whereby cooling energy can advantageously be actively obtained through the domestic hot water production and also through the heat rejection via the PVT modules.
  • a cold storage system is used as an energy storage system in a building supply system, which comprises at least one photothermal module, a heat pump and a consumer, in particular in the form of a combination storage system for drinking and service water, a drinking water consumer and/or a heating system
  • a new but also any existing building can be equipped in a comparatively simple and cost-effective manner with a sustainable electricity and heating system with at least day/night balancing, multi-day to semi-seasonal ice storage with PVT regeneration (i.e. photo-thermal regeneration).
  • the first storage container can be cylindrical or frustoconical, wherein the substantially circular boundary surface of the truncated cone with a smaller radius is formed by the base of the first storage container, and wherein the substantially circular boundary surface of the truncated cone with a larger radius is formed by the opening of the first storage container, so that the first storage container tapers from top to bottom when in use.
  • a cylindrical or frustoconical first storage container, tapering from the opening to the base advantageously offers the first refrigerant contained therein, which can in particular be water, the possibility of freezing from bottom to top, i.e. from the base to the opening, without there being a risk of the first storage container bursting.
  • a cylindrical or frustoconical first storage container, tapering from the opening to the base can also advantageously act as a flow breaker and thereby maintain better temperature stratification in the second storage container.
  • the second storage container comprises an inner base and an outer base, which are separated from one another by a thermal insulation region, wherein the thermal insulation region is designed to thermally insulate the second storage container from the outside in the region of its inner and outer base.
  • the thermal insulation region between the inner base and outer base can preferably have a width of between 5 and 150 mm, more preferably between 10 and 50 mm, wherein said width can also be different from the inside to the outside in the case of different curvatures of the inner base and outer base, i.e. can vary within the specified range.
  • the thermal insulation region can preferably be designed as an evacuated region between the inner base and outer base; and/or comprise a plastic layer, in particular a polyethylene plate or polyethylene coating.
  • a thermal insulation area in the area of the inner and outer floor advantageously prevents icing below the outer floor of the second storage tank during operation and thus prevents the second storage tank from being pushed out of its anchorage within the third storage tank by expanding ice.
  • the second storage container can withstand an internal pressure of 2.5 to 3.5 bar, preferably 3.0 bar.
  • the cold storage device can be integrated via its at least two inlets and at least two outlets into a closed circuit of the second refrigerant, in particular a brine source circuit of the heat pump, in which an operating pressure of up to 3 bar generally prevails.
  • the third storage container is designed as a liquid-tight trough which accommodates the second storage container in such a way that the second storage container can be brought into contact with the third refrigerant at least in sections, in particular in a section up to 30% of a height of the second storage container, preferably up to 60% of its height.
  • the cold storage unit in particular the second storage container, can preferably be made of stainless steel, in particular chromium steel, thus eliminating the need for external insulation of the second storage container with an insulating material such as Armaflex.
  • the second storage container would then be colder than the ambient temperature at the respective installation location (for example, the temperature in the basement in which the cold storage unit according to the invention is located), causing air humidity to condense on the outside of the second storage container. This would advantageously keep the installation location, in particular the basement, dry.
  • the design of the third storage tank as a liquid-tight tray advantageously enables the collection and drainage of said condensate.
  • its height can thus be only a few centimeters, i.e., a few percent of the height of the second storage tank, and it can preferably have a floor drain for the collected condensate.
  • the third storage tank can also be designed as a classic, upwardly open collecting tray made of steel or plastic, which reaches 30 to 60 percent of the height of the second storage tank. The larger the volume of the third storage tank, the greater the additional energy gain in its function as a latent storage device.
  • a third storage container designed in this way also advantageously enables a simple and cost-effective installation of the cold storage device according to the invention in any room of a building and, in particular, offers simple possibilities for filling and emptying, for example via a mobile pump and/or a flexible hose system.
  • the third storage container can also be designed such that it completely accommodates the second storage container.
  • a third storage container which can be designed in particular as a floodable container, floodable tank, or preferably as a floodable space, in particular as a retention space or as a liquid-tight space, advantageously allows the second storage container to be brought into contact with the third refrigerant up to any desired height of the second storage container, as required.
  • a liquid-tight room within the meaning of the present invention can, for example, be a room of tightness class 2 according to standard SIA 272 of the Swiss Society of Engineers and Architects.
  • the design as an entire room or cistern makes it possible, in particular, to flood the entire "tank-in-tank," i.e., the second storage tank within the third storage tank, by more than 50% or, preferably, to completely flood it.
  • the walls of the third storage tank i.e., the room, cistern, or tank walls, are 20 to 100 cm, preferably 50 to 80 cm, away from the outer side wall of the second storage tank, thus reducing or preventing the third refrigerant, in particular the water, from completely freezing up to the walls of the third storage tank.
  • Such a system can advantageously store up to 12 times more energy than a simple state-of-the-art cold storage system of the same size.
  • the third storage tank comprises at least one inlet and at least one overflow for the third refrigerant, wherein the overflow is arranged at such a height on a wall of the third storage tank that the third storage tank can be filled with the third refrigerant to a maximum of 90% of a height of the third storage tank.
  • the cold storage unit in particular the second storage tank, can preferably be made of stainless steel, especially chromium steel, thus eliminating the need for external insulation of the second storage tank with an insulating material such as Armaflex.
  • the third storage tank which completely accommodates the second storage tank, can then be flooded with the third refrigerant, preferably up to a maximum of 90% of the height of the third storage tank.
  • the third refrigerant surrounding the second storage tank can then advantageously also exchange heat with the second refrigerant inside the second storage tank and advantageously further increase the heat capacity of the entire system.
  • a particularly annular volume of approximately 20 to 50 cm thickness can be permitted around the outer wall of the second storage tank, in which the third refrigerant can freeze upon releasing heat to the second refrigerant.
  • the third storage tank advantageously provides a fully seasonal ice storage system, the hydraulics of which are much simpler and more cost-effective than those of a conventional ice storage system.
  • an overflow arranged at such a height on a wall of the third storage tank that the third storage tank can be filled with the third refrigerant to a maximum of 90% of the height of the third storage tank prevents the third refrigerant from freezing completely up to an upper limit or ceiling of the third storage tank and, in particular if the third refrigerant is water, from pressing against the upper limit or ceiling of the third storage tank.
  • At least one guide element can be arranged inside the second storage vessel in the region of at least one of the inlets, preferably in the region of both inlets.
  • One or more guide elements advantageously make it possible to specifically direct the respective inflow of second refrigerant into different layers of the second storage vessel and thus to control the stratification of the second refrigerant in said second storage vessel.
  • an embodiment of the invention has also proven successful in which at least one reinforcement ring, preferably three or four reinforcement rings, are arranged inside the second storage vessel between an outer wall of the first storage vessel and an inner side of an outer side wall of the second storage vessel.
  • One or more reinforcement rings arranged between an outer wall of the first storage vessel and an inner side of an outer side wall—i.e., the inner wall—of the second storage vessel can not only serve to protect the first storage vessel from implosion, but can also advantageously function as stratification plates for controlling the temperature stratification of the second refrigerant.
  • the second storage container can comprise at least one third inlet and at least one third outlet for connection to at least one additional source, wherein a guide element can preferably be arranged in the region of the third inlet.
  • the additional source can be an additional heat source, for example in the form of a fireplace, a small gas boiler, or a pellet stove, in order to maintain the temperature of the second refrigerant in the cold storage tank in a controlled manner, preferably during the cold winter months.
  • the additional source can also be an additional cooling device that is configured to reduce the temperature of the second refrigerant in a controlled manner as needed.
  • the first refrigerant is a phase change material, in particular water or paraffin
  • the second refrigerant is ethylene glycol or an ethylene glycol-water mixture or propylene glycol or a propylene glycol-water mixture
  • the third refrigerant is a phase change material, in particular water or paraffin.
  • an ethylene glycol-water mixture as the second refrigerant advantageously enables comparatively cost-effective operation of the cold storage device according to the invention in a "normal" operating temperature range of -10 °C to + 15 °C in the second storage container.
  • Increasing the ethylene glycol content of this mixture up to pure ethylene glycol advantageously enables the operating temperature range to be extended at low temperatures down to approximately -15 °C.
  • a mixture of propylene glycol and water or pure propylene glycol can be used as the second refrigerant.
  • the use of propylene glycol in a mixture with water advantageously allows operation at even lower refrigerant temperatures down to approximately -60 °C when using pure propylene glycol.
  • the cold storage device comprises at least two second storage containers, preferably a plurality of second storage containers.
  • the second storage container can preferably be manufactured in a fixed size.
  • the use of several second storage containers in a cold storage device then advantageously enables scaling of the respective cold storage device in terms of performance and storable energy quantity.
  • the second storage containers can preferably be connected in parallel with one another in such a way that the pipes from the photothermal module to the heat pump and back are laid in a ring such that the sum of the lengths of the supply line and return line is essentially the same for each of the second storage containers.
  • Such a pipe layout in the present case within the framework of a parallel connection, is also referred to as a Tichelmann pipe layout.
  • the pipework can preferably be made of plastic, in particular polyethylene (PE) or polypropylene (PP), in order to advantageously minimize icing of the pipework and limit it to the active surfaces of the cold storage device.
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • the cold storage device 1 is particularly suitable for use as an energy storage device in a building supply system.
  • Fig. 1 The building supply system illustrated comprises, for example, a photothermal module 3, a heat pump 2, and various consumers, such as a combination storage tank 5 for drinking and domestic water, which in turn supplies various drinking water consumers 6, such as showers, faucets, etc., with cold and/or hot drinking water.
  • said combination storage tank 5 can also supply a heating system 7 with hot domestic water and/or an air conditioning system (not shown here) with cold domestic water.
  • the cold storage tank 1 according to the invention is preferably arranged between the photothermal module 3 and the heat pump 2 are switched on.
  • the cold storage unit 1 can also be connected to at least one additional source 4, for example in the form of a fireplace, a small gas boiler, or a pellet stove as an additional heat source, and/or in the form of an air conditioning system as an additional cooling device.
  • a first embodiment of a cold storage device 1 comprising a cylindrical first storage container 11 and a third storage container 13 designed as a liquid-tight trough.
  • the cold storage device 1 comprises at least a first storage container 11 with an opening 112 for filling the first storage container 11 with a first refrigerant K1.
  • the filling can be carried out in particular via a hose line with a pump (not shown) or another supply line (also not shown).
  • the first storage container 11 can also advantageously always be in mass exchange with its surroundings, in particular with a third storage container 13, via said opening 112, so that no higher pressure than the ambient pressure or the pressure in the third storage container 13 develops inside the first storage container 11, and in the case that the same phase change material, in particular water, is used as the first K1 and third K3 refrigerant, the first storage container 11 can be filled by flooding the third storage container (cf. also the embodiment in Fig. 3 ).
  • the opening 112 of the first storage tank 11 can be provided with a cover 111, which, however, is preferably designed to allow pressure equalization with the environment or with the third storage tank 13.
  • the first storage tank 11 is delimited by at least one side wall 113 and a bottom 114 opposite the opening 112 to form a second storage tank 12 for a second refrigerant K2.
  • the second storage tank 12 is arranged according to the invention around the first storage tank 11 and completely accommodates the first storage tank 11, so that the volume of the second storage tank 12 relative to the first storage tank 11 is delimited by said at least one side wall 113 and the bottom 114 of the first storage tank 11.
  • the outer boundary, formed by the side wall 113 and the bottom 114 of the first storage container 11, thus forms the inner boundary of the second storage container 12.
  • a third storage tank 13 for a third refrigerant K3 is arranged around the second storage tank 12. This third storage tank 13 at least partially accommodates the second storage tank 12.
  • the third storage container 13 can, for example, as in Fig. 2 shown - be designed as a liquid-tight tray which accommodates the second storage container 12 in such a way that the second storage container 12 can be brought into contact with the third refrigerant K3 at least in sections.
  • the height 134 of the third storage container 13 designed as a tray can preferably be selected such that the third refrigerant K3 located in the third storage container 13 can collect up to a height which corresponds to 30% of a height 120 of the second storage container 12, preferably up to 60% of said height 120.
  • said tray which is primarily used to collect and drain condensate forming on the outside of the outer side wall 1201 of the second storage container 12, its height can in particular be only a few cm, i.e. a few % of the height 120 of the second storage container 12, and can preferably have a floor drain for the collected condensate (not shown here).
  • the condensation enthalpy of the condensate water forming can then advantageously be transferred to the second refrigerant K2 via the preferably uninsulated outer side wall 1201 of the second storage tank 12.
  • the second storage container 12 can comprise, in addition to at least one outer side wall 1201, an inner base 127 and an outer base 129, which are preferably separated from one another by a thermal insulation region 128.
  • the thermal insulation region 128 can then preferably be configured to thermally insulate the second storage container 12 from the outside in the region of its inner base 127 and outer base 129.
  • the thermal insulation region 128 between the inner base 127 and outer base 129 can preferably have a width between 5 and 150 mm, preferably between 10 and 50 mm, wherein said width can also be different from the inside to the outside in the case of different curvatures of the inner base 127 and outer base 129, i.e., can vary within the specified range, and can be formed, for example, by a plastic layer, in particular a polyethylene plate or polyethylene coating, between the inner base 127 and outer base 129.
  • the thermal insulation region 128 also, as in the Fig. 1 and 2 shown, be designed as an evacuated area between inner floor 127 and outer floor 129, wherein a plastic layer, as previously described, can also be arranged additionally within the evacuated area.
  • the second storage tank 12 comprises at least two inlets 121 and 123 and at least two outlets 122 and 124 for the second refrigerant K2, wherein one inlet-outlet pair, here exemplarily the first inlet 121 and the first outlet 122, can connect the second storage tank 12 to the photothermal (PVT) module 3; while the other inlet-outlet pair, here exemplarily the second inlet 123 and the second outlet 124, can connect the second storage tank 12 to the heat pump 2.
  • Silicone sleeves for thermally insulating the inlet and/or outlet areas can be arranged around the inlets 121 and 123 and around the outlets 122 and 124, respectively, on the outside of the outer side wall 1201 of the second storage tank 12.
  • the second storage tank 12 can thus preferably form a closed circuit for the second refrigerant K2 with the PVT module 3 and the heat pump 2.
  • the second storage tank 12 can therefore preferably be designed such that it can withstand an internal pressure of 2.5 to 3.5 bar, preferably 3.0 bar.
  • said second storage tank 12 can be made of chrome steel 1.4301 and have a height 120 of approximately 200 cm, a diameter of approximately 78 cm, and a filling capacity for the second refrigerant K2 of approximately 365 L.
  • the first storage tank 11 surrounded by the second storage tank 12 can, in this example, have a filling capacity of 530 L, so that such a storage tank combination can advantageously achieve a storage capacity of, for example, 74 kWh in a temperature range of the second refrigerant K2 from -5 °C to +20 °C.
  • the dimensions and filling contents of said storage combination can also be adapted as required.
  • the example described here can also be applied to the Fig. 3 transferred to the configuration shown.
  • Fig. 3 shows a second embodiment of a cold storage device 1 according to the invention with a frustoconical first storage container 11, in which the third storage container 13 is designed such that it completely accommodates the second storage container 12.
  • Such a third storage tank 13, which completely accommodates the second storage tank 12, can preferably be formed by a floodable space, in particular a retention space or a liquid-tight space, such as a rainwater cistern or a converted oil tank.
  • a "liquid-tight space” can in particular be a space of tightness class 2 according to standard SIA 272 of the Swiss Society of Engineers and Architects. In this way, existing building facilities, which were previously used, for example, for heating the building with fossil fuels, can be advantageously converted into a sustainable heating system.
  • such a third storage tank 13 can comprise at least one inlet 131 and at least one overflow 132 for the third refrigerant K3, wherein the overflow 132 is preferably arranged at a height 135 on a wall of the third storage tank 13 such that the third storage tank 13 can be filled with the third refrigerant K3 to a maximum of 90% of a height 134 of the third storage tank 13.
  • the second storage container 12 can, as in Fig. 3 shown, comprise at least one third inlet 125 and at least one third outlet 126 for connection to at least one additional source 4, wherein a guide element 1251 can preferably be arranged in the region of the inlet 125. Similar guide elements 1211 and 1231 can also be arranged inside the second storage container 12 in the region of at least one of the inlets 121 and 123, respectively. preferably in the area of both inlets 121 and 132.
  • Said guide elements 1211, 1231 and/or 1251 can be manufactured in particular as sheets of chrome steel, and accordingly arranged and/or shaped in the area of the respective inlet 121, 123 and/or 125 on the inside of the outer side wall 1201 of the second storage container 12 such that they direct the respective inlet flow into the desired layer within the second storage container 12.
  • Said guide elements 1211, 1231 and/or 1251 in the areas of the first 121, the second 123 and/or the third 125 inlet can also be used in the Fig. 2 illustrated embodiment of the invention.
  • Fig. 4 shows an embodiment of a second storage container 12 in a plan view.
  • the first storage container 11 can preferably be cylindrical or frustoconical, wherein a substantially circular boundary surface of the truncated cone with a smaller radius r is preferably formed by the bottom 114 of the first storage container 11, a substantially circular boundary surface of the truncated cone with a larger radius R is preferably formed by the opening 112 of the first storage container 11 and a lateral surface of the truncated cone is formed by the at least one side wall 113 of the first storage container 11, so that the first storage container 11 tapers from top to bottom in the state of use (i.e.
  • Both a cylindrical and a truncated cone-shaped design of the first storage tank 11, tapering towards the bottom 114 of the first storage tank 11 and thus also towards the bottom 136 of the third storage tank 13, advantageously ensures reliable freezing of the first refrigerant K1 in the first storage tank 11 from bottom to top, i.e. from the bottom 114 to Opening 112 without the risk of bursting the first storage tank 11. This is particularly true if the inner wall 113 and/or the bottom 114 of the first storage tank 11 have a wall thickness of 7 mm.
  • a cylindrical or truncated cone-shaped first storage tank 11 that tapers from the opening 112 to the bottom 114 can also act as a flow breaker and enable or maintain better temperature stratification in the second storage tank 12.
  • a phase change material in particular water or paraffin
  • the third refrigerant K3 can also preferably be a phase change material, in particular water or paraffin, in all embodiments, with particular preference also being given to embodiments of the present invention in which the same phase change material, preferably water, is used as the first K1 and third K3 refrigerants.
  • the operating costs of such an embodiment of the cold storage device 1, in particular when rainwater is used as the water source, are advantageously particularly low. Said rainwater can advantageously be filtered before being introduced into the first 11 or third 13 storage containers.
  • Ethylene glycol or an ethylene glycol-water mixture or propylene glycol or a propylene glycol-water mixture can be used as the second refrigerant K2, whereby the use of an ethylene glycol-water mixture can again advantageously reduce operating costs.
  • Fig. 5 finally shows a third embodiment of a cold storage device 1 according to the invention with a frustoconical first storage container 11 and a third storage container 13 designed as a liquid-tight trough and reinforcement rings 141; 142; 143 and 144 arranged between an inner wall of the second storage container 12 and an outer wall 116 of the first storage container 11 and Fig. 6
  • Embodiments of said reinforcement rings 141; 142; 143 and 144 in a plan view.
  • one or more reinforcing rings 141; 142; 143 and 144 can be arranged between the outer wall 116 of the first storage container 11 and an inner side of an outer side wall 1201 - i.e. the inner wall - of the second storage container 12, which reinforce the outer wall 116 of the first storage container 11 with the inner wall of the second storage container 12 and thereby advantageously stabilize the first storage container 11 against the pressure acting on it and thus protect it from implosion.
  • the reinforcement rings 141; 142; 143 and 144 can be arranged within the second storage container 12, preferably at regular intervals along the height 120 of the second storage container 12.
  • Their inner diameters 1411; 1421; 1431 and 1441 preferably correspond to the outer diameter 115 of the first storage container 11 at the respective height 120 of the second storage container 12.
  • first reinforcement ring 141 which is preferably arranged in the region of the opening 112 of the first storage container 11, can have the largest inner diameter 1411
  • the second reinforcement ring 142 following along the height 120 of the second storage container 12 can have a smaller inner diameter 1421 compared to the inner diameter 1411 of the first reinforcement ring 141
  • the then following third reinforcement ring 143 can have a smaller inner diameter 1431
  • the lowest, fourth reinforcement ring 144 along the height 120 of the first storage container 11 can have the smallest inner diameter 1441 of all the reinforcement rings 141; 142; 143 and 144 used.
  • Each of the individual inner diameters 1411; 1421; 1431 and 1441 preferably each correspond to the outer diameter 115 that the first storage container 11 has at the corresponding height 120 of the second storage container 12.
  • the outer diameters 1412; 1422; 1432 and 1442 of the reinforcement rings 141; 142; 143 and 144 preferably each correspond to the inner diameter 1202 of the second storage container 12, so that in particular the second 142, third 143 and fourth 144 reinforcement rings have a ring width that spans the second storage container 12 at the respective height 120 between the inside of its outer side wall 1201 (i.e. its inner wall) and the outer wall 116 of the first storage container 11 and advantageously divides the second storage container 12 into sections (cf. Fig. 5 ). Said sections can comprise equal or unequal volumes.
  • the reinforcing rings 141; 142; 143 and 144 preferably have at least one through-hole 145, particularly preferably a plurality of through-holes 145, which in particular distributed at regular intervals across the respective ring width.
  • the second 142, third 143, and fourth 144 reinforcement rings each have 32 through holes 145.
  • the diameter of the through holes 145 may preferably be 8 to 15 mm, particularly preferably 10 mm. As shown in Fig.
  • the through-holes 145 can be distributed in particular on two concentric rings and offset from one another across the respective ring width on the reinforcement rings 141; 142; 143 and 144.
  • the first reinforcement ring 141 can also, as shown, have no through-holes 145 at all.
  • the uppermost, first reinforcement ring 141 can also advantageously form a pressurized outer surface or a closure of the first 11 and second storage containers 12 to the outside.
  • the first, uppermost reinforcement ring 141 can preferably be non-positively and materially bonded (i.e., tightly connected), in particular welded, to both the first storage container 11 and the second storage container 12.
  • the other reinforcement rings 142, 143, 144, in particular the second 142, third 143 and/or fourth 144 reinforcement ring, can preferably be connected to the first storage container 11 in a force-locking manner.
  • reinforcement rings 141; 142; 143 and 144 which can preferably be made of stainless steel, was described above as an example for an embodiment of the cold storage device 1 according to the invention with a truncated cone-shaped first storage container 11.
  • one or more such reinforcement rings 141; 142; 143 and 144 can also be used in an embodiment with a cylindrical first storage container 11 (cf. Fig. 2 ) are used in principle in the same way, wherein the inner diameters 1411; 1421; 1431 and 1441 of the reinforcing rings 141; 142; 143 and 144 in this case are preferably all of the same size and correspond to the outer diameter of the cylindrically shaped, first storage container 11.
  • the cold storage device 1 can also comprise at least two second storage containers 12, preferably a plurality of second storage containers 12, which can be interconnected in particular within the framework of a parallel circuit with so-called Tichelmann pipe routing, which advantageously enables scaling of the respective cold storage device 1 in terms of performance and storable amount of energy.
  • the present invention relates to a cold storage device 1 comprising at least: a first storage container 11 for holding a first refrigerant K1; a second storage container 12 for a second refrigerant K2, which is arranged around the first storage container 11 and completely accommodates the first storage container 11; and a third storage container 13 for a third refrigerant K3, which in turn is arranged around the second storage container 12 and at least partially accommodates the second storage container 12; as well as to the use of such a cold storage device 1 as an energy storage device in a building supply system comprising at least: a photothermal module 3, a heat pump 2, and a consumer.
  • the cold storage device 1 can advantageously serve as a powerful "battery" for sustainably generated energy and increases the independence and range of such a building supply system.
  • the cold storage device 1 is particularly well suited for converting existing buildings that were previously heated with fossil fuels.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kältespeicher (1) wenigstens umfassend: einen ersten Speicherbehälter (11) für die Aufnahme eines ersten Kältemittels (K1); einen zweiten Speicherbehälter (12) für ein zweites Kältemittel (K2), welcher um den ersten Speicherbehälter (11) herum angeordnet ist und den ersten Speicherbehälter (11) vollständig in sich aufnimmt, und einen dritten Speicherbehälter (13) für ein drittes Kältemittel (K3), welcher wiederum um den zweiten Speicherbehälter (12) herum angeordnet ist und den zweiten Speicherbehälter (12) wenigstens teilweise in sich aufnimmt; sowie eine Verwendung eines derartigen Kältespeichers (1) als Energiespeicher in einem Gebäudeversorgungssystem wenigstens umfassend: ein Photothermie-Modul (3), eine Wärmepumpe (2) und einen Verbraucher. Der erfindungsgemäße Kältespeicher (1) kann dabei vorteilhaft als eine leistungsfähige "Batterie" für nachhaltig gewonnene Energie dienen und erhöht die Unabhängigkeit und Reichweite eines derartigen Gebäudeversorgungssystems. Der Kältespeicher (1) eignet sich dabei besonders gut für die Umrüstung bestehender Gebäude, die zuvor mit fossilen Brennstoffen beheizt wurden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kältespeicher und die Verwendung eines solchen Kältespeichers als Energiespeicher in einem Gebäudeversorgungssystem.
  • Unter dem Begriff "Gebäudeversorgungssystem" soll im Rahmen dieser Erfindung ein System zur Versorgung eines beliebigen Gebäudes mit warmem oder kaltem Trinkwasser, warmem Brauchwasser, insbesondere für Heizungsanlagen, und/oder kaltem Brauchwasser, insbesondere für Kühleinrichtungen bzw. Klimaanlagen verstanden werden. Dabei bezieht sich die vorliegende Erfindung vorzugsweise auf Gebäudeversorgungssysteme, bei denen die Energie (Strom und/oder Wärme) über erneuerbare Energiequellen, beispielsweise unter Verwendung von Photovoltaik-Modulen, Solarkollektoren oder kombinierten Hybridkollektoren resp. PVT-Modulen, erzeugt wird und die wenigstens eine Wärmepumpe umfassen.
  • Wärmepumpen sind aus modernen Gebäudeversorgungssystemen zur Erwärmung von Gebäuden, zur Bereitstellung von warmem Trinkwasser und von Prozesswärme, aber auch zur effizienten Kühlung von Gebäuden im Sommer, nicht mehr wegzudenken. Als Wärmequellen für besagte Wärmepumpen, insbesondere für Sole/Wasser-Wärmepumpen, können beispielsweise Erdwärmesonden, Eisspeicher aber auch Sonnenkollektoren bzw. Photothermie (PVT)-Module Verwendung finden.
  • In der DE 10 2019 135 681 A1 wird beispielsweise ein Energiespeicher bestehend aus zwei Behältern beschrieben, der teilweise in einem Erdreich eingesenkt sein kann. Der Energiespeicher kann vorteilhaft mit weiteren Energiequellen zusammenarbeiten, ohne dabei den Installationsaufwand zu erhöhen. Aus der EP3 147 584 B1 ist darüber hinaus ein Flüssigkeitsspeicher zur Speicherung von kalten und warmen Flüssigkeiten bekannt, der sich durch minimale Kälte- bzw. Wärmeverluste auszeichnet. Zudem sei noch auf die DE 20 2013 001 469 U1 verwiesen.
  • PVT-Module können dazu vorteilhaft als Luft/Wasser-Wärmetauscher eingesetzt werden und so eine alternative Wärme-Quelle zu klassischen Luft/Wasser-Wärmepumpen-Systemen darstellen. Im Vergleich zu den besonders energieeffizienten Erdwärmesonden- und Eisspeicher-Systemen erweisen sich PVT-Modul-Systeme dabei oftmals als kostengünstiger bei nur leicht niedrigerer Energieeffizienz.
  • Zur Gewährleistung der Betriebssicherheit sind bei der Auslegung von Gebäudeversorgungssystemen unter Verwendung von PVT-Modul-Systemen insbesondere auch "worst-case"-Bedingungen, also bspw. eine Schlechtwetterperiode mit mehreren kalten Tagen mit wolkenbedecktem Himmel, zu berücksichtigen. PVT-Modul-Systeme werden im Stand der Technik dazu oftmals besonders groß dimensioniert, was allerdings nachteilig zu einem schlechten Wirkungsgrad und/oder zu häufiger Stagnation der PVT-Anlage führen kann. Als alternative Möglichkeit für die Spitzenlastabdeckung werden im Stand der Technik Zusatzheizungen als Wärmequelle für die Wärmepumpe vorgesehen, welche beispielsweise in Form von Kaminöfen, kleinen Gasthermen, zusätzlichen Pelletöfen oder durch Elektroheizstäbe realisiert werden können. Besagte Zusatzheizungen nutzen allerdings nachteilig fossile Brennstoffe, was die Klimabilanz der jeweiligen Gesamtanlage deutlich verschlechtert. Elektroheizstäbe können, besonders bei häufigem Einsatz, aufgrund ihres vergleichsweise hohen Stromverbrauchs zu höheren Betriebskosten führen. Zudem können defekte Elektroheizstäbe, die starke Verkalkungen aufweisen, die Effizienz der Heizung beeinträchtigen, was wiederum nachteilig zu erhöhten Wartungs- und Reparaturkosten führen kann. Ein anderer Aspekt bei der Gebäudeversorgung - gerade bei einer klimawandelbedingten Zunahme der sommerlichen Durchschnittstemperatur - betrifft die Gewährleistung einer energieeffizienten Kühlung von Gebäuden.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte technische Lösung bereitzustellen, um die Betriebssicherheit eines auf regenerativen und somit oftmals witterungsabhängigen Energiequellen basierenden Gebäudeversorgungssystem zu gewährleisten und dabei gleichzeitig möglichst klimaneutral zu sein. Der Fokus soll hierbei insbesondere auf Gebäudeversorgungssystemen liegen, welche auf Wärmepumpenheizungen beruhen und PVT-Module als direkte Wärmequellen für die jeweilige Wärmepumpe verwenden.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Kältespeicher mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie durch eine Verwendung eines derartigen Kältespeichers als Energiespeicher in einem Gebäudeversorgungssystem gemäß Patentanspruch 15 gelöst.
  • Der erfindungsgemäße Kältespeicher umfasst wenigstens einen ersten Speicherbehälter mit einer Öffnung zur Befüllung des ersten Speicherbehälters mit einem ersten Kältemittel, wenigstens einer Seitenwand und einem, der Öffnung gegenüberliegenden, Boden; einen zweiten Speicherbehälter für ein zweites Kältemittel, welcher um den ersten Speicherbehälter herum angeordnet ist und den ersten Speicherbehälter vollständig in sich aufnimmt, sodass wenigstens die Seitenwand und der Boden des ersten Speicherbehälters das Volumen des zweiten Speicherbehälters zum ersten Speicherbehälter hin abgrenzen; und einen dritten Speicherbehälter für ein drittes Kältemittel, welcher wiederum um den zweiten Speicherbehälter herum angeordnet ist und den zweiten Speicherbehälter wenigstens teilweise in sich aufnimmt; und wobei der zweite Speicherbehälter wenigstens zwei Zuläufe und wenigstens zwei Abläufe für das zweite Kältemittel umfasst.
  • Der erfindungsgemäße Kältespeicher bildet vorteilhaft ein Tank-in-Tank-in-Tank-System bei dem der erste Speicherbehälter als Innentank und/oder der dritte Speicherbehälter als Außentank die Rolle von kostengünstigen Latentwärmespeichern einnehmen können, welche in direktem einseitigem oder beidseitigem thermischem Kontakt mit dem im zweiten, als Mitteltank ausgestalteten, Speicherbehälter befindlichen zweiten Kältemittel stehen. Die Wärmekapazität des erfindungsgemäßen Kältespeichers in Form eines Tank-in-Tank-in-Tank-Systems ist dadurch im Vergleich zur Wärmkapazität von konventionellen Pufferspeichern, insbesondere auch konventionellen Kombispeichern des Stands der Technik vorteilhaft um ein Vielfaches erhöht. Zudem eignet sich der erfindungsgemäße Kältespeicher besonders gut für den Einsatz bei Nachrüstungs-/ Umrüstungs- bzw. Renovierungsprojekten. So kann beispielsweise ein bereits bestehender wasserdichter Kellerraum, in dem zuvor der Öltank einer Ölheizung stand, im Zuge einer Umrüstung auf eine Wärmepumpenheizungsanlage zu einem dritten Speicherbehälter im Sinne der vorliegenden Erfindung umgebaut, durch einen ersten und zweiten Speicherbehälter im Sinne der vorliegenden Erfindung ergänzt und somit vorteilhaft zu einem erfindungsgemäßen Kältespeicher umgewandelt werden. Alternativ oder kumulativ dazu kann auch eine Regenwasser-Zisterne, ein Regenwassertank, ein Retentionsraum und/oder Retentionsbehälter als ein dritter Speicherbehälter im Sinne der vorliegenden Erfindung genutzt werden. Das darin eigeleitete, vorzugsweise gefilterte und/oder gereinigte Regenwasser kann dann vorteilhaft zu einer weiteren Umwelt-Quelle für ein Wärmepumpensystem werden.
  • Der erfindungsgemäße Kältespeicher ist zudem nicht nur als Energiequelle für die Heizperiode, sondern gleichermaßen auch als Kühlspeicher für den sommerlichen Kühlbetrieb geeignet, wobei vorteilhaft aktiv Kühlenergie durch die Brauchwarmwasserproduktion und auch über den Wärmeabwurf über die PVT-Module gewonnen werden kann.
  • Wird ein derartiger Kältespeicher als Energiespeicher in einem Gebäudeversorgungssystem verwendet, welches wenigstens ein Photothermie-Modul, eine Wärmepumpe und einen Verbraucher, insbesondere in Form eines Kombispeichers für Trink- und Brauchwasser, eines Trinkwasserverbrauchers und/oder einer Heizungsanlage umfasst, kann auf vergleichsweise einfache und kostengünstige Weise ein neues aber auch jedes bestehende Gebäude mit einer nachhaltigen Strom- und Heizungsanlage mit wenigstens Tag/Nacht-ausgleichendem, mehr-tages bis halb-saisonalem Eisspeicher mit PVT-Regeneration (also photo-thermischer Regeneration) ausgestattet werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, kann der erste Speicherbehälter zylindrisch oder kegelstumpfförmig ausgebildet sein, wobei die im Wesentlichen kreisförmige Grenzfläche des Kegelstumpfes mit kleinerem Radius durch den Boden des ersten Speicherbehälters gebildet ist und wobei die im Wesentlichen kreisförmige Grenzfläche des Kegelstumpfes mit größerem Radius durch die Öffnung des ersten Speicherbehälters gebildet ist, sodass sich der erste Speicherbehälter im Benutzungszustand von oben nach unten verjüngt. Ein derartiger, zylindrischer oder kegelstumpfförmiger, sich von der Öffnung zum Boden hin verjüngender erste Speicherbehälter bietet dem darin befindlichen ersten Kältemittel, bei dem es sich insbesondere um Wasser handeln kann, vorteilhaft die Möglichkeit von unten nach oben, also vom Boden zur Öffnung hin, zuzufrieren, ohne dass die Gefahr des Platzens des ersten Speicherbehälters besteht. Ein zylindrischer oder ein kegelstumpfförmiger, sich von der Öffnung zum Boden hin verjüngende erste Speicherbehälter kann darüber hinaus vorteilhaft als Strömungsbrecher wirken und dadurch eine bessere Temperaturschichtung im zweiten Speicherbehälter bewahren.
  • Darüber hinaus hat es sich bewährt, wenn der zweite Speicherbehälter einen Innenboden und einen Außenboden umfasst, welche durch einen thermischen Isolationsbereich voneinander getrennt sind, wobei der thermische Isolationsbereich eingerichtet ist, den zweiten Speicherbehälter im Bereich seines Innen- und Außenbodens nach außen thermisch zu isolieren. Dabei kann der thermische Isolationsbereich zwischen Innenboden und Außenboden vorzugsweise eine Breite zwischen 5 und 150 mm, bevorzugt zwischen 10 und 50 mm aufweisen, wobei besagte Breite im Falle unterschiedlicher Wölbungen von Innenboden und Außenboden auch von innen nach außen unterschiedlich sein, also innerhalb des angegebenen Bereichs variieren, kann. Der thermische Isolationsbereich kann bevorzugt als ein evakuierter Bereich zwischen Innenboden und Außenboden ausgebildet sein; und/oder eine Kunststoffschicht, insbesondere eine Polyethylen-Platte oder Polyethylen-Beschichtung, umfassen. Ein thermischer Isolationsbereich im Bereich des Innen- und Außenbodens vermeidet während des Betriebs vorteilhaft eine Vereisung unterhalb des Außenbodens des zweiten Speicherbehälters und verhindert so, dass der zweite Speicherbehälter durch sich ausdehnendes Eis aus seiner Verankerung innerhalb des dritten Speicherbehälters gedrückt wird.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es von Vorteil, wenn der zweiten Speicherbehälter einem Innendruck von 2,5 bis 3,5 bar, bevorzugt 3,0 bar, standhält. Insbesondere bei der Verwendung des Kältespeichers als Energiespeicher in einem Gebäudeversorgungssystem wenigstens umfassend: ein Photothermie-Modul, eine Wärmepumpe und einen Verbraucher, kann der Kältespeicher über seine wenigstens zwei Zuläufe und wenigstens zwei Abläufe in einen geschlossenen Kreislauf des zweiten Kältemittels, insbesondere einem Sole-Quellenkreis der Wärmepumpe, eingebunden sein, in dem i.d.R. ein Betriebsdruck von bis zu 3 bar herrscht.
  • Von Vorteil ist auch eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der der dritte Speicherbehälter als eine flüssigkeitsdichte Wanne ausgebildet ist, die den zweiten Speicherbehälter derart in sich aufnimmt, dass der zweite Speicherbehälter wenigstens abschnittsweise, insbesondere in einem Abschnitt bis zu 30 % einer Höhe des zweiten Speicherbehälters, bevorzugt bis 60 % seiner Höhe, mit dem dritten Kältemittel in Kontakt bringbar ist.
  • Der Kältespeicher, insbesondere der zweite Speicherbehälter, kann vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, insbesondere Chromstahl, hergestellt werden, wodurch auf eine Isolation des zweiten Speicherbehälters nach außen, mit einem Dämmmaterial wie bspw. Armaflex, verzichtet werden kann. Bei einem Betrieb eines Gebäudeversorgungssystems im Sinne der vorliegenden Erfindung wäre der zweite Speicherbehälter dann kälter als die Umgebungstemperatur am jeweiligen Aufstellungsort (beispielsweise die Temperatur in dem Kellerraum, in dem der erfindungsgemäße Kältespeicher platziert ist), wodurch Luftfeuchtigkeit an der Außenseite des zweiten Speicherbehälters kondensieren würde. Dadurch könnte der Aufstellungsort, insbesondere der Kellerraum, vorteilhaft trocken gehalten werden.
  • Die Ausgestaltung des dritten Speicherbehälters als flüssigkeitsdichte Wanne ermöglicht in diesem Zusammenhang einerseits vorteilhaft das Sammeln und Abführen des besagten Kondenswassers. In einer minimalen Ausgestaltung besagter Wanne kann deren Höhe somit nur wenige cm, also wenige % der Höhe des zweiten Speicherbehälters, betragen und vorzugsweise einen Bodenablauf für das gesammelte Kondenswasser aufweisen. Der dritte Speicherbehälter kann in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung auch als eine klassische, nach oben offene Auffangwanne aus Stahl oder Kunststoff ausgebildet sein, die 30 bis 60 % der Höhe des zweiten Speicherbehälters erreicht. Je grösser das Volumen des dritten Speicherbehälters ist, desto grösser ist der zusätzliche Energiegewinn in der Funktion als Latentspeicher.
  • Andererseits ermöglicht ein derartig ausgestalteter dritter Speicherbehälter auch vorteilhaft eine einfache und kostengünstige Installation des erfindungsgemäßen Kältespeichers in beliebigen Räumen eines Gebäudes und bietet insbesondere einfache Möglichkeiten der Befüllung und Entleerung, beispielsweise über eine mobile Pumpe und/oder ein flexibles Schlauchsystem.
  • Alternativ dazu kann der dritte Speicherbehälter in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Kältespeichers auch derart ausgebildet sein, dass er den zweiten Speicherbehälter vollständig in sich aufnimmt. Ein derartiger dritter Speicherbehälter, der insbesondere als ein flutbarer Behälter, flutbarer Tank oder bevorzugt als ein flutbarer Raum, insbesondere als ein Retentionsraum oder als ein flüssigkeitsdichter Raum, ausgestaltet sein kann, ermöglicht es vorteilhaft den zweiten Speicherbehälter je nach Bedarf bis zu einer beliebigen Höhe des zweiten Speicherbehälters mit dem dritten Kältemittel in Kontakt zu bringen. Ein flüssigkeitsdichter Raum im Sinne der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise ein Raum der Dichtigkeitsklasse 2 nach Norm SIA 272 des Schweizerischen Ingenieur- und Architekturvereins sein.
  • Die Ausgestaltung als ganzer Raum oder Zisterne ermöglicht es insbesondere den ganzen "Tank-in Tank", also den zweiten Speicherbehälter innerhalb des dritten Speicherbehälters, mehr als 50% zu fluten oder vorzugsweise ganz zu überfluten. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die Wände des dritten Speicherbehälters, also die Raum-, Zisternen- oder Tankwände, 20 bis 100 cm, bevorzugt 50 bis 80 cm, von der äußeren Seitenwand des zweiten Speicherbehälters entfernt, so dass ein vollständiges Durchfrieren des dritten Kältemittels, insbesondere des Wassers, bis an die Wände des dritten Speicherbehälters gemindert resp. verhindert wird. Ein solches System kann vorteilhaft bis zu 12 x mehr Energie speichern als ein einfacher Kältespeicher des Stands der Technik gleicher Größe.
  • Dabei hat es sich besonders bewährt, wenn der dritte Speicherbehälter wenigstens einen Zulauf und wenigstens einen Überlauf für das dritte Kältemittel umfasst, wobei der Überlauf, in einer solchen Höhe an einer Wand des dritten Speicherbehälters angeordnet ist, dass der dritte Speicherbehälter maximal zu 90 % einer Höhe des dritten Speicherbehälters mit dem dritten Kältemittel befüllbar ist.
  • Auch in diesem Fall kann der Kältespeicher, insbesondere der zweite Speicherbehälter, vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, insbesondere Chromstahl, hergestellt werden, wodurch auf eine Isolation des zweiten Speicherbehälters nach außen, mit einem Dämmmaterial wie bspw. Armaflex, verzichtet werden kann. Der dritte, den zweiten Speicherbehälter vollständig aufnehmende, Speicherbehälter kann dann mit dem dritten Kältemittel vorzugsweise maximal bis zu 90 % einer Höhe des dritten Speicherbehälters mit dem dritten Kältemittel geflutet werden. Das den zweiten Speicherbehälter umgebende dritte Kältemittel kann dann vorteilhaft ebenfalls Wärme mit dem zweite Kältemittel im Inneren des zweiten Speicherbehälters austauschen und die Wärmekapazität der Gesamtanlage vorteilhaft weiter erhöhen. Dabei kann in einer Ausgestaltung der Erfindung ein insbesondere ringförmiges Volumen um die Außenwand des zweiten Speicherbehälters von ungefähr 20 bis 50 cm Stärke zugelassen werden, in dem das dritte Kältemittel bei Wärmeabgabe an das zweite Kältemittel frieren kann. Im Fall von Wasser als drittem Kältemittel kann auf diese Weise durch den dritten Speicherbehälter vorteilhaft ein vollständig saisonaler Eisspeicher bereitgestellt werden, dessen Hydraulik im Vergleich zu einem herkömmlichen Eisspeicher wesentlich einfacher und kostengünstiger ist.
  • Dabei verhindert ein Überlauf, der in einer solchen Höhe an einer Wand des dritten Speicherbehälters angeordnet ist, dass der dritte Speicherbehälter maximal zu 90 % einer Höhe des dritten Speicherbehälters mit dem dritten Kältemittel befüllbar ist, dass das dritte Kältemittel vollständig bis zu einer oberen Begrenzung bzw. Decke des dritten Speicherbehälters gefriert und, insbesondere wenn es sich bei dem dritten Kältemittel um Wasser handelt, gegen die obere Begrenzung bzw. die Decke des dritten Speicherbehälters drückt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, kann im Inneren des zweiten Speicherbehälters im Bereich von wenigstens einem der Zuläufe, bevorzugt im Bereich beider Zuläufe, jeweils wenigstens ein Leitelement angeordnet sein. Ein oder mehrere Leitelemente ermöglichen es vorteilhaft, den jeweiligen Zustrom an zweitem Kältemittel gezielt in unterschiedliche Schichten des zweiten Speicherbehälters zu lenken und somit die Schichtung des zweiten Kältemittels in besagtem zweiten Speicherbehälter zu kontrollieren. Alternativ oder kumulativ dazu hat sich auch eine Ausgestaltung der Erfindung bewährt, bei der im Inneren des zweiten Speicherbehälters zwischen einer Außenwand des ersten Speicherbehälters und einer Innenseite einer äußeren Seitenwand des zweiten Speicherbehälters wenigstens ein Verstärkungsring, bevorzugt drei oder vier Verstärkungsringe, angeordnet sind. Ein oder mehrere Verstärkungsringe, welche zwischen einer Außenwand des ersten Speicherbehälters und einer Innenseite einer äußeren Seitenwand - also der Innenwand - des zweiten Speicherbehälters angeordnet sind, können nicht nur dem Implosionsschutz des ersten Speicherbehälters dienen, sondern auch vorteilhaft als Schichtungsbleche zur Kontrolle der Temperaturschichtung des zweiten Kältemittels fungieren.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann der zweite Speicherbehälter wenigstens einen dritten Zulauf und wenigstens einen dritten Ablauf zur Verbindung mit wenigstens einer Zusatzquelle umfassen, wobei im Bereich des dritten Zulaufs vorzugsweise ein Leitelement angeordnet sein kann. Die Zusatzquelle kann eine Zusatzheizquelle, bspw. in Form eines Kaminofens, einer kleinen Gastherme oder eines Pelletofens, sein, um die Temperatur des zweiten Kältemittels im Kältespeicher vorzugsweise während der kalten Wintermonate kontrolliert erhöhen zu können. Die Zusatzquelle kann jedoch auch eine Zusatzkühlvorrichtung sein, welche eingerichtet ist, die Temperatur des zweiten Kältemittels bei Bedarf kontrolliert zu senken.
  • Darüber hinaus hat sich eine Ausgestaltung der Erfindung bewährt, bei der das erste Kältemittel ein Phasenwechselmaterial, insbesondere Wasser oder Paraffin, das zweite Kältemittel Ethylenglykol oder ein Ethylenglykol-Wassergemisch oder Propylenglykol oder ein Propylenglykol-Wassergemisch; und/oder das dritte Kältemittel ein Phasenwechselmaterial, insbesondere Wasser oder Paraffin, ist.
  • Sind das erste und/oder das dritte Kältemittel, bevorzugt sowohl das erste als auch das dritte Kältemittel, als Phasenwechselmaterialien ausgebildet, kann der erste Speicherbehälter oder der dritte Speicherbehälter oder können gegebenenfalls sowohl der erste als auch der dritte Speicherbehälter vorteilhaft als Latentwärmespeicher fungieren, welche je nach Bedarf Wärmeenergie vom zweiten Kältemittel im zweiten Speicherbehälter aufnehmen oder an das zweite Kältemittel abgeben. Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausgestaltung, bei der als erstes und/oder drittes Kältemittel Regenwasser genutzt wird, welches vorzugsweise im Bereich des zu versorgenden Gebäudes gesammelt, gegebenenfalls gefiltert und dann über Rohrleitungen dem ersten und/oder dritten Speicherbehälter zugeführt werden kann.
  • Die Verwendung eines Ethylenglykol-Wassergemisches als zweites Kältemittel ermöglicht vorteilhaft einen vergleichsweise kostengünstigen Betrieb des erfindungsgemäßen Kältespeichers in einem "gewöhnlichen" "Betriebstemperaturbereich von -10 °C bis + 15 °C im zweiten Speicherbehälter. Eine Erhöhung des Ethylenglykolgehalts dieses Gemisches bis hin zu reinem Ethylenglykol ermöglicht es vorteilhaft den Betriebstemperaturbereich bei tiefen Temperaturen bis zu ungefähr -15 °C zu erweitern. Alternativ kann auch ein Gemisch aus Propylenglykol und Wasser bzw. reines Propylenglykol als zweite Kältemittel verwendet werden. Der Einsatz von Propylenglykol in einem Gemisch mit Wasser erlaubt dabei vorteilhaft den Betrieb bei noch tieferen Kältemitteltemperaturen bis zu ungefähr - 60 °C bei Verwendung von reinem Propylenglykol.
  • Schließlich hat sich eine Ausgestaltung der Erfindung bewährt, bei der der Kältespeicher wenigstens zwei zweite Speicherbehälter, bevorzugt eine Vielzahl von zweiten Speicherbehältern, umfasst.
  • Um die Produktion des erfindungsgemäßen Kältespeichers vergleichsweise einfach und kostengünstig zu halten, kann der zweite Speicherbehälter vorzugsweise in einer festen Größe hergestellt werden. Der Einsatz mehrerer zweiter Speicherbehälter in einem Kältespeicher ermöglicht dann vorteilhaft eine Skalierung des jeweiligen Kältespeichers in Leistung und speicherbarer Energiemenge. Bei der Verwendung eines Kältespeichers mit mehreren zweiten Speicherbehältern als Energiespeicher in einem Gebäudeversorgungssystem, wenigstens umfassend ein Photothermie-Modul, eine Wärmepumpe und ein Verbraucher, können die zweiten Speicherbehälter dabei untereinander bevorzugt derart parallel verschaltet sein, dass die Rohrleitungen vom Photothermie-Modul zur Wärmepumpe und zurück in Ringverlegung so geführt sind, dass die Summe der Längen von Vorlaufleitung und Rücklaufleitung bei jedem der zweiten Speicherbehälter im Wesentlichen gleich ist. Eine derartige Rohrführung, im vorliegenden Fall im Rahmen einer Parallelschaltung, wird auch als Tichelmannsche Rohrführung bezeichnet. Die Verrohrung kann dabei vorzugsweise in Kunststoff, insbesondere Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP) ausgeführt sein, um die Vereisung der Verrohrung vorteilhaft zu minimieren und auf die aktiven Flächen des Kältespeichers zu beschränken.
  • Zusätzliche Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend an Hand bevorzugter Ausführungsbeispiele, auf welche die vorliegende Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, und in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben.
  • Darin zeigen schematisch:
    • Fig. 1
    eine Ausgestaltung eines Gebäudeversorgungssystems mit einem Kältespeicher im Sinne der Erfindung;
    Fig. 2
    eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kältespeichers mit einem zylindrischen ersten Speicherbehälter und einem als flüssigkeitsdichte Wanne ausgestalteten dritten Speicherbehälter;
    Fig. 3
    eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kältespeichers mit einem kegelstumpfförmigen ersten Speicherbehälter, bei der der dritte Speicherbehälter derart ausgebildet ist, dass er den zweiten Speicherbehälter vollständig in sich aufnimmt;
    Fig. 4
    eine Ausgestaltung eines zweiten Speicherbehälters in einer Draufsicht;
    Fig. 5
    eine dritte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kältespeichers mit einem kegelstumpfförmigen ersten Speicherbehälter und einem als flüssigkeitsdichte Wanne ausgestalteten dritten Speicherbehälter und zwischen der Innenwand des zweiten Speicherbehälters und der Außenwand des ersten Speicherbehälters angeordneten Verstärkungsringen; und
    Fig. 6
    Ausgestaltungen von den in Fig. 5 gezeigten Verstärkungsringen in einer Draufsicht.
  • Bei der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
  • Fig. 1 zeigt eine Ausgestaltung eines Gebäudeversorgungssystems mit einem Kältespeicher 1 im Sinne der Erfindung.
  • Der erfindungsgemäße Kältespeicher 1 eignet sich insbesondere für eine Verwendung als Energiespeicher in einem Gebäudeversorgungssystem. Das in Fig. 1 dargestellte Gebäudeversorgungssystem umfasst beispielsweise ein Photothermie-Modul 3, eine Wärmepumpe 2 und verschiedene Verbraucher, wie z.B. einen Kombispeichers 5 für Trink- und Brauchwasser, welcher wiederum verschiedene Trinkwasserverbraucher 6, wie Duschen, Wasserhähne, u.Ä. mit kaltem und/oder warmem Trinkwasser versorgt. Darüber hinaus kann besagter Kombispeicher 5 auch eine Heizungsanlage 7 mit warmem Brauchwasser und/oder eine Klimaanlage (hier nicht eingezeichnet) mit kaltem Brauchwasser versorgen. Der erfindungsgemäße Kältespeicher 1 ist vorzugsweise zwischen das Photothermie-Modul 3 und die Wärmepumpe 2 geschaltet. Zusätzlich kann der Kältespeicher 1 auch mit wenigstens einer Zusatzquelle 4, bspw. in Form eines Kaminofens, einer kleinen Gastherme oder eines Pelletofens als Zusatzheizquelle, und/oder in Form einer Klimaanlage als Zusatzkühlvorrichtung, verbunden sein.
  • In Fig. 2 ist eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kältespeichers 1 mit einem zylindrischen ersten Speicherbehälter 11 und einem als flüssigkeitsdichte Wanne ausgestalteten dritten Speicherbehälter 13 gezeigt.
  • Der erfindungsgemäße Kältespeicher 1 umfasst wenigstens einen ersten Speicherbehälter 11 mit einer Öffnung 112 zur Befüllung des ersten Speicherbehälters 11 mit einem ersten Kältemittel K1. Die Befüllung kann insbesondere über eine Schlauchleitung mit Pumpe (nicht gezeigt) oder eine anderweitige Zuleitung erfolgen (ebenfalls nicht gezeigt). Der erste Speicherbehälter 11 kann aber über besagte Öffnung 112 auch stets vorteilhaft mit seiner Umgebung, insbesondere mit einem dritten Speicherbehälter 13 in Stoffaustausch stehen, sodass sich im Inneren des ersten Speicherbehälters 11 kein höherer Druck als der Umgebungsdruck bzw. der Druck im dritten Speicherbehälter 13 bildet und im Falle, dass als erstes K1 und drittes K3 Kältemittel das gleiche Phasenwechselmaterial, insbesondere Wasser, verwendet wird, der erste Speicherbehälter 11 durch Flutung des dritten Speicherbehälters befüllt werden kann (vgl. dazu auch die Ausgestaltung in Fig. 3).
  • Zur Vermeidung einer Verunreinigung und/oder einer Algenbildung des, innerhalb des ersten Speicherbehälters 11 befindlichen ersten Kältemittels K1, kann die Öffnung 112 des ersten Speicherbehälters 11 mit einer Abdeckung 111 versehen sein, welche jedoch vorzugsweise eingerichtet ist, einen Druckausgleich mit der Umgebung bzw. mit dem dritten Speicherbehälter 13 zuzulassen. Der erste Speicherbehälter 11 wird von wenigstens einer Seitenwand 113 und einem, der Öffnung 112 gegenüberliegenden, Boden 114 zu einem zweiten Speicherbehälter 12 für ein zweites Kältemittel K2 abgegrenzt. Der zweite Speicherbehälter 12 ist dazu erfindungsgemäß um den ersten Speicherbehälter 11 herum angeordnet und nimmt den ersten Speicherbehälter 11 vollständig in sich auf, sodass das Volumen des zweiten Speicherbehälters 12 zum ersten Speicherbehälter 11 von besagter wenigstens einen Seitenwand 113 und dem Boden 114 des ersten Speicherbehälters 11 begrenzt wird. Die Außenbegrenzung, gebildet aus Seitenwand 113 und Boden 114 des ersten Speicherbehälters 11, bildet somit die Innenabgrenzung des zweiten Speicherbehälters 12.
  • Um den zweiten Speicherbehälter 12 herum ist erfindungsgemäß wiederum ein dritter Speicherbehälter 13 für ein drittes Kältemittel K3 angeordnet. Dieser dritte Speicherbehälter 13 nimmt den zweiten Speicherbehälter 12 wenigstens teilweise in sich auf.
  • Der dritte Speicherbehälter 13 kann beispielsweise - wie in Fig. 2 dargestellt - als eine flüssigkeitsdichte Wanne ausgebildet sein, die den zweiten Speicherbehälter 12 derart in sich aufnimmt, dass der zweite Speicherbehälter 12 wenigstens abschnittsweise mit dem dritten Kältemittel K3 in Kontakt bringbar ist. Die Höhe 134 des als Wanne ausgestalteten, dritten Speicherbehälters 13 kann dazu bevorzugt so gewählt werden, dass sich das im dritten Speicherbehälter 13 befindliche, dritte Kältemittel K3 bis zu einer Höhe sammeln kann, die 30 % einer Höhe 120 des zweiten Speicherbehälters 12, bevorzugt bis 60 % besagter Höhe 120, entspricht. In einer minimalen Ausgestaltung besagter Wanne, welche vorwiegend zum Sammeln und Abführen von, sich an der Außenseite der äußeren Seitenwand 1201 des zweiten Speicherbehälters 12 bildendem, Kondenswasser genutzt wird, kann deren Höhe insbesondere nur wenige cm, also wenige % der Höhe 120 des zweiten Speicherbehälters 12, betragen und vorzugsweise eine Bodenablauf für das gesammelte Kondenswasser aufweisen (hier nicht gezeigt). In besagter minimaler Ausgestaltung kann dann vorteilhaft die Kondensationsenthalpie des sich bildenden Kondenswassers über die vorzugsweise unisolierte äußere Seitenwand 1201 des zweiten Speicherbehälters 12 an das zweite Kältemittel K2 übertragen werden.
  • Der zweite Speicherbehälter 12 kann zu Abgrenzung nach außen, also zum dritten Speicherbehälter 13 hin, neben wenigstens einer äußeren Seitenwand 1201, einen Innenboden 127 und einen Außenboden 129 umfassen, welche bevorzugt durch einen thermischen Isolationsbereich 128 voneinander getrennt sind. Der thermische Isolationsbereich 128 kann dann vorzugsweise eingerichtet sein, den zweiten Speicherbehälter 12 im Bereich seines Innen- 127 und Außenbodens 129 nach außen thermisch zu isolieren. Der thermische Isolationsbereich 128 zwischen Innenboden 127 und Außenboden 129 kann vorzugsweise eine Breite zwischen 5 und 150 mm, bevorzugt zwischen 10 und 50 mm aufweisen, wobei besagte Breite im Falle unterschiedlicher Wölbungen von Innenboden 127 und Außenboden 129 auch von innen nach außen unterschiedlich sein, also innerhalb des angegebenen Bereichs variieren, kann, und beispielsweise durch eine Kunststoffschicht, insbesondere eine Polyethylen-Platte oder Polyethylen-beschichtung, zwischen Innen- 127 und Außenboden 129 gebildet sein. Besonders bevorzugt kann der thermische Isolationsbereich 128 auch, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, als ein evakuierter Bereich zwischen Innenboden 127 und Außenboden 129 ausgebildet sein, wobei innerhalb des evakuierten Bereichs auch zusätzlich noch eine Kunststoffschicht, wie zuvor beschrieben, angeordnet sein kann.
  • Der zweite Speicherbehälter 12 umfasst erfindungsgemäß wenigstens zwei Zuläufe 121 und 123 und wenigstens zwei Abläufe 122 und 124 für das zweite Kältemittel K2, wobei ein Zulauf-Ablauf-Paar, hier exemplarisch der erste Zulauf 121 und der erste Ablauf 122, den zweiten Speicherbehälter 12 mit dem Photothermie (PVT)-Modul 3 verbinden können; während das andere Zulauf-Ablauf-Paar, hier exemplarisch der zweite Zulauf 123 und der zweite Ablauf 124, den zweite Speicherbehälter 12 mit der Wärmepumpe 2 verbinden können. Um die Zuläufe 121 und 123 sowie um die Abläufe 122 und 124 herum, können dabei jeweils auf der Außenseite der äußeren Seitenwand 1201 des zweiten Speicherbehälters 12 Silikon-Manschetten zur thermischen Isolierung der Zu- und/oder Ablaufbereiche angeordnet sein.
  • Der zweite Speicherbehälter 12 kann somit mit dem PVT-Modul 3 und der Wärmepumpe 2 vorzugsweise einen geschlossenen Kreislauf für das zweite Kältemittel K2 bilden. Der zweiten Speicherbehälter 12 kann deshalb bevorzugt derart ausgestaltet sein, dass er einem Innendruck von 2,5 bis 3,5 bar, bevorzugt 3,0 bar, standhält. Vorzugsweise kann besagter zweite Speicherbehälter 12 aus Chromstahl 1.4301 gefertigt sein und eine Höhe 120 von ungefähr 200 cm, einen Durchmesser von ungefähr 78 cm und einen Füll-Inhalt für das zweite Kältemittel K2 von ungefähr 365 L aufweisen. Der vom zweiten Speicherbehälter 12 umgebene erste Speicherbehälter 11 kann in diesem Beispiel ein Füll-Inhalt von 530 L aufweisen., sodass eine solche Speicherbehälterkombination vorteilhaft eine Speicherkapazität in einem Temperaturbereich des zweiten Kältemittels K2 von -5 °C bis + 20 °C von beispielsweise 74 kWh erreichen kann. Die Dimensionen und Füll-Inhalte besagter Speicherkombination können jedoch auch nach Bedarf angepasst werden. Das hier beschriebene Beispiel lässt sich zudem auch auf die in Fig. 3 dargestellten Ausgestaltung übertragen.
  • Fig. 3 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kältespeichers 1 mit einem kegelstumpfförmigen ersten Speicherbehälter 11, bei der der dritte Speicherbehälter 13 derart ausgebildet ist, dass er den zweiten Speicherbehälter 12 vollständig in sich aufnimmt.
  • Ein derartiger, den zweiten Speicherbehälter 12 vollständig in sich aufnehmende, dritte Speicherbehälter 13 kann vorzugsweise durch einen flutbaren Raum, insbesondere einen Retentionsraum oder einen flüssigkeitsdichten Raum, wie insbesondere eine Regenwasser-Zisterne oder einen umgerüsteten Öltank-Raum gebildet sein. Ein "flüssigkeitsdichter Raum" kann dabei insbesondere ein Raum der Dichtigkeitsklasse 2 nach Norm SIA 272 des Schweizerischen Ingenieur- und Architekturvereins. So können bestehende Gebäudeeinrichtungen, die zuvor beispielsweise für die Heizung des Gebäudes mit fossilen Brennstoffen genutzt wurden, vorteilhaft in eine nachhaltige Heizungsanlage umgewandelt werden.
  • Wie in Fig. 3 zu sehen, kann ein derartiger dritter Speicherbehälter 13 wenigstens einen Zulauf 131 und wenigstens einen Überlauf 132 für das dritte Kältemittel K3 umfassen, wobei der Überlauf 132 vorzugsweise in einer solchen Höhe 135 an einer Wand des dritten Speicherbehälters 13 angeordnet ist, dass der dritte Speicherbehälter 13 maximal zu 90 % einer Höhe 134 des dritten Speicherbehälters 13 mit dem dritten Kältemittel K3 befüllbar ist. Dies gewährleistet vorteilhaft, dass ein derartiger dritter Speicherbehälter 13 nicht vollständig bis zur Behälterdecke mit dem dritten Kältemittel K3 gefüllt werden kann, sodass, insbesondere wenn es sich bei dem dritten Kältemittel K3 um Wasser handelt, welches sich beim Gefrieren ausdehnt, keine Gefahr der Beschädigung des dritten Speicherbehälters 13 durch eine zu hohe Druckbelastung auf die Behälterwände entsteht. Der Zulauf 131 eines derartigen dritten Speicherbehälters 13 kann zudem vorteilhaft mit einer Regenwasser-Sammeleinrichtung verbunden sein, welche an geeigneter Stelle am jeweiligen Gebäude angeordnet sein kann. Fig. 3 zeigt auch insbesondere im Bereich des Bodens 136 des dritten Speicherbehälters 13 beispielhaft einen Ablauf 133, welcher vorzugsweise an der tiefsten Stelle des Bodens 136 angeordnet und eingerichtet sein kann, das dritte Kältemittel K3 im Bedarfsfall - beispielsweise für Wartungs- und/oder Reparaturarbeiten am zweiten Speicherbehälter 12 - kontrolliert abzulassen.
  • Der zweite Speicherbehälter 12 kann, wie in Fig. 3 gezeigt, wenigstens einen dritten Zulauf 125 und wenigstens einen dritten Ablauf 126 zur Verbindung mit wenigstens einer Zusatzquelle 4 umfassen, wobei im Bereich des Zulaufs 125 vorzugsweise ein Leitelement 1251 angeordnet sein kann. Ähnliche Leitelemente 1211 bzw. 1231 können im Inneren des zweiten Speicherbehälters 12 auch im Bereich von wenigstens einem der Zuläufe 121 bzw. 123, bevorzugt im Bereich beider Zuläufe 121 und 132, angeordnet sein. Besagte Leitelemente 1211, 1231 und/oder 1251 können insbesondere als Bleche aus Chromstahl gefertigt sein, und entsprechend so im Bereich des jeweiligen Zulaufs 121, 123 und/oder 125 an der Innenseite der äußeren Seitenwand 1201 des zweiten Speicherbehälters 12 angeordnet und/oder geformt sein, dass sie den jeweiligen Zulaufstrom in die gewünschte Schicht innerhalb des zweiten Speicherbehälters 12 lenken. Besagte Leitelemente 1211, 1231 und/oder 1251 in den Bereichen des ersten 121, des zweiten 123 und/oder des dritten 125 Zulaufs können auch bei der in Fig. 2 dargestellten Ausgestaltung der Erfindung Verwendung finden.
  • Fig. 4 zeigt eine Ausgestaltung eines zweiten Speicherbehälters 12 in einer Draufsicht.
  • Der erste, sich innerhalb des zweiten Speicherbehälters 12 befindende, Speicherbehälter 11 kann prinzipiell jede beliebige Form annehmen, gegebenenfalls somit auch mehr als eine Seitenwand 113 aufweisen, beispielsweise wenn der erste Speicherbehälter 11 näherungsweise prismenförmig mit verschiedener Grundfläche (Dreieck, Viereck, Fünfeck, ...) ausgestaltet ist.
  • Zusammen mit den schematischen Seitenansichten von verschiedenen Ausgestaltungen der Kombination aus erstem 11 und zweitem 12 Speicherbehälter in den Fig. 2 und 3 ist allerdings ersichtlich, dass der erste Speicherbehälter 11 bevorzugt zylindrisch oder kegelstumpfförmig ausgebildet sein kann, wobei eine im Wesentlichen kreisförmige Grenzfläche des Kegelstumpfes mit kleinerem Radius r vorzugsweise durch den Boden 114 des ersten Speicherbehälters 11 gebildet ist, eine im Wesentlichen kreisförmige Grenzfläche des Kegelstumpfes mit größerem Radius R vorzugsweise durch die Öffnung 112 des ersten Speicherbehälters 11 gebildet ist und eine Mantelfläche des Kegelstumpfes durch die wenigstens eine Seitenwand 113 des ersten Speicherbehälters 11 gebildet ist, sodass sich der erste Speicherbehälter 11 im Benutzungszustand (also im aufgebauten, aufrechten Zustand des Kältespeichers 1) von oben nach unten verjüngt. Sowohl eine zylindrische als auch eine kegelstumpfförmige, sich zum Boden 114 des ersten Speicherbehälters 11 und damit auch in Richtung Boden 136 des dritten Speicherbehälters 13 verjüngende Ausgestaltung des ersten Speicherbehälters 11 gewährleistet vorteilhaft ein sicheres Einfrieren des ersten Kältemittels K1 im ersten Speicherbehälter 11 von unten nach oben, also vom Boden 114 zur Öffnung 112 hin, ohne dass die Gefahr des Platzens des ersten Speicherbehälters 11 besteht. Insbesondere wenn die Innenwand 113 und/oder der Boden 114 des ersten Speicherbehälters 11 eine Wandstärke von 7 mm haben. Ein zylindrischer oder kegelstumpfförmiger, sich von der Öffnung 112 zum Boden 114 hin verjüngende erste Speicherbehälter 11 kann zudem als Strömungsbrecher wirken und eine bessere Temperaturschichtung im zweiten Speicherbehälter 12 ermöglichen bzw. erhalten.
  • Als erstes Kältemittel K1 kann in allen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine Phasenwechselmaterial, insbesondere Wasser oder Paraffin, Verwendung finden. Auch das dritte Kältemittel K3 kann bevorzugt in allen Ausgestaltungen ein Phasenwechselmaterial, insbesondere Wasser oder Paraffin, sein, wobei insbesondere auch Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung bevorzugt sind, bei denen als erstes K1 und drittes K3 Kältemittel dasselbe Phasenwechselmaterial, vorzugsweise Wasser, Verwendung findet. Die Betriebskosten einer derartigen Ausgestaltung des Kältespeichers 1, insbesondere wenn als Wasserquelle Regenwasser verwendet wird, sind vorteilhaft besonders gering. Besagtes Regenwasser kann vor der Einleitung in den ersten 11 bzw. dritten 13 Speicherbehälter vorteilhaft filtriert werden. Als zweites Kältemittel K2 kann Ethylenglykol oder ein Ethylenglykol-Wassergemisch oder Propylenglykol oder Propylenglykol-Wassergemisch verwendet werden, wobei die Verwendung eines Ethylenglykol-Wassergemischs die Betriebskosten wiederum vorteilhaft senken kann.
  • Fig. 5 zeigt schließlich eine dritte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kältespeichers 1 mit einem kegelstumpfförmigen ersten Speicherbehälter 11 und einem als flüssigkeitsdichte Wanne ausgestalteten dritten Speicherbehälter 13 und zwischen einer Innenwand des zweiten Speicherbehälters 12 und einer Außenwand 116 des ersten Speicherbehälters 11 angeordneten Verstärkungsringen 141; 142; 143 und 144 und Fig. 6 Ausgestaltungen besagter Verstärkungsringe 141; 142; 143 und 144 in einer Draufsicht.
  • Wie gezeigt können zwischen der Außenwand 116 des ersten Speicherbehälters 11 und einer Innenseite einer äußeren Seitenwand 1201 - also der Innenwand - des zweiten Speicherbehälters 12 ein oder mehrere Verstärkungsringe 141; 142; 143 und 144 angeordnet sein, welche die Außenwand 116 des ersten Speicherbehälters 11 mit der Innenwand des zweiten Speicherbehälters 12 wirkverbinden und dadurch vorteilhaft den ersten Speicherbehälter 11 gegen den auf ihn wirkenden Druck stabilisieren und somit vor Implosion schützen können.
  • Die Verstärkungsringe 141; 142; 143 und 144 können innerhalb des zweiten Speicherbehälters 12 vorzugsweise in regelmäßigen Abständen entlang der Höhe 120 des zweiten Speicherbehälters 12 angeordnet sein. Ihre Innendurchmesser 1411; 1421; 1431 und 1441 entsprechen hierbei vorzugsweise dem Außendurchmesser 115 des ersten Speicherbehälters 11 in der jeweiligen Höhe 120 des zweiten Speicherbehälters 12. In Fig. 6 ist zu sehen, dass beispielsweise der oberste, erste Verstärkungsring 141, welcher vorzugsweise im Bereich der Öffnung 112 des ersten Speicherbehälters 11 angeordnet ist, den größten Innendurchmesser 1411 aufweisen kann, der entlang der Höhe 120 des zweiten Speicherbehälters 12 folgende, zweite Verstärkungsring 142 einen im Vergleich zum Innendurchmesser 1411 des ersten Verstärkungsrings 141 kleineren Innendurchmesser 1421 aufweisen kann, der dann folgende dritte Verstärkungsring 143 einen wiederum kleineren Innendurchmesser 1431 aufweisen kann und schließlich der entlang der Höhe 12 des ersten Speicherbehälters 11 unterste, vierte Verstärkungsring 144, den kleinsten Innendurchmesser 1441 aller verwendeten Verstärkungsringe 141; 142; 143 und 144 aufweisen kann. Jeder der einzelnen Innendurchmesser 1411; 1421; 1431 und 1441 entspricht dabei vorzugsweise jeweils dem Außendurchmesser 115, den der erste Speicherbehälters 11 auf der entsprechenden Höhe 120 des zweiten Speicherbehälters 12 hat.
  • Die Außendurchmesser 1412; 1422; 1432 und 1442 der Verstärkungsringe 141; 142; 143 und 144 entsprechen vorzugsweise jeweils dem Innendurchmesser 1202 des zweiten Speicherbehälters 12, sodass insbesondere der zweite 142, dritte 143 und vierte 144 Verstärkungsring eine Ringbreite aufweisen, die den zweiten Speicherbehälter 12 in der jeweiligen Höhe 120 zwischen der Innenseite seiner äußeren Seitenwand 1201 (also seiner Innenwand) und der Außenwand 116 des ersten Speicherbehälters 11 überspannt und den zweiten Speicherbehälter 12 vorteilhaft in Abschnitte unterteilt (vgl. Fig. 5). Besagte Abschnitte können gleiche oder ungleiche Volumina umfassen. Um dabei weiterhin den Fluss des zweiten Kältemittels K2 durch den zweiten Speicherbehälter 12 zu gewährleisten, weisen die Verstärkungsringe 141; 142; 143 und 144 vorzugsweise wenigstens ein Durchtrittsloch 145, besonders bevorzugt eine Vielzahl von Durchtrittslöchern 145, auf, welche insbesondere in regelmäßigem Abstand über die jeweilige Ringbreite verteilt, angeordnet sein können. Im hier gezeigten Beispiel weisen der zweite 142, dritte 143 und vierte 144 Verstärkungsring jeweils 32 Durchtrittslöcher 145 auf. Die Anzahl der Durchtrittslöcher 145 pro Verstärkungsring 141; 142; 143 und 144 kann jedoch auch unterschiedlich zueinander sein. Der Durchmesser der Durchtrittslöcher 145 kann bevorzugt 8 bis 15 mm, besonders bevorzugt 10 mm, betragen. Wie in Fig. 6 zu sehen ist, können die Durchtrittslöcher 145 insbesondere auf zwei konzentrischen Ringen verteilt und gegeneinander versetzt über die jeweilige Ringbreite auf den Verstärkungsringen 141; 142; 143 und 144 angeordnet sein. Je nach Position des obersten, ersten Verstärkungsrings 141 im Bereich der Öffnung 112 des ersten Speicherbehälters 11, kann der erste Verstärkungsring 141 auch, wie dargestellt, keinerlei Durchtrittslöcher 145 aufweisen. Der oberste, erste Verstärkungsring 141 kann zudem vorteilhaft eine unter Druck stehende Ausfläche bzw. einen Abschluss des ersten 11 und zweiten Speicherbehälters 12 nach außen bilden. Dazu kann der erste, oberste Verstärkungsring 141 bevorzugt sowohl mit dem ersten Speicherbehälter 11 als auch mit dem zweiten Speicherbehälter 12 kraftschlüssig und stoffschlüssig (also dicht verbunden), insbesondere verschweißt, sein. Die anderen Verstärkungsringe 142, 143, 144, insbesondere der zweite 142, dritte 143 und/oder vierte 144 Verstärkungsring, können vorzugsweise kraftschlüssig mit dem ersten Speicherbehälter 11 verbunden sein.
  • Die Verwendung von einem oder mehreren Verstärkungsringen 141; 142; 143 und 144, welche vorzugsweise aus Edelstahl gefertigt sein können, wurde vorangehend für eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kältespeichers 1 mit kegelstumpfförmigem ersten Speicherbehälter 11 exemplarisch beschrieben. Ein oder mehrere derartige Verstärkungsringe 141; 142; 143 und 144 können aber auch bei einer Ausgestaltung mit zylindrischem ersten Speicherbehälter 11 (vgl. Fig. 2) in prinzipiell gleicher Weise Verwendung finden, wobei die Innendurchmesser 1411; 1421; 1431 und 1441 der Verstärkungsringe 141; 142; 143 und 144 in diesem Fall vorzugsweise alle gleich groß sind und dem Außendurchmesser des zylindrisch geformten, ersten Speicherbehälters 11 entsprechen.
  • Schließlich kann der Kältespeicher 1 auch wenigstens zwei zweite Speicherbehälter 12, bevorzugt eine Vielzahl von zweiten Speicherbehältern 12, umfassen, welche insbesondere im Rahmen einer Parallelschaltung mit sog. Tichelmannscher Rohrführung miteinander verschaltet sein können, was vorteilhaft eine Skalierung des jeweiligen Kältespeichers 1 in Leistung und speicherbarer Energiemenge ermöglicht.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kältespeicher 1 wenigstens umfassend: einen ersten Speicherbehälter 11 für die Aufnahme eines ersten Kältemittels K1; einen zweiten Speicherbehälter 12 für ein zweites Kältemittel K2, welcher um den ersten Speicherbehälter 11 herum angeordnet ist und den ersten Speicherbehälter 11 vollständig in sich aufnimmt, und einen dritten Speicherbehälter 13 für ein drittes Kältemittel K3, welcher wiederum um den zweiten Speicherbehälter 12 herum angeordnet ist und den zweiten Speicherbehälter 12 wenigstens teilweise in sich aufnimmt; sowie eine Verwendung eines derartigen Kältespeichers 1 als Energiespeicher in einem Gebäudeversorgungssystem wenigstens umfassend: ein Photothermie-Modul 3, eine Wärmepumpe 2 und einen Verbraucher. Der erfindungsgemäße Kältespeicher 1 kann dabei vorteilhaft als eine leistungsfähige "Batterie" für nachhaltig gewonnene Energie dienen und erhöht die Unabhängigkeit und Reichweite eines derartigen Gebäudeversorgungssystems. Der Kältespeicher 1 eignet sich dabei besonders gut für die Umrüstung bestehender Gebäude, die zuvor mit fossilen Brennstoffen beheizt wurden.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kältespeicher
    11
    erster Speicherbehälter
    111
    Abdeckung des ersten Speicherbehälters (11)
    112
    Öffnung des ersten Speicherbehälters (11)
    113
    Innenwand des ersten Speicherbehälters (11)
    114
    Boden des ersten Speicherbehälters (11)
    115
    Außendurchmesser des ersten Speicherbehälters (11)
    116
    Außenwand des ersten Speicherbehälters (11)
    12
    zweiter Speicherbehälter
    120
    Höhe des zweiten Speicherbehälters (12)
    1201
    äußere Seitenwand
    1202
    Innendurchmesser des zweiten Speicherbehälters (12)
    121
    erster Zulauf vom PVT-Modul (3)
    1211
    erstes Leitelement
    122
    erster Ablauf zum PVT-Modul (3)
    123
    zweiter Zulauf von der Wärmepumpe (2)
    1231
    zweites Leitelement
    124
    zweiter Ablauf zur Wärmepumpe (2)
    125
    dritter Zulauf von der Zusatzquelle (4)
    1251
    drittes Leitelement
    126
    dritter Ablauf zur Zusatzquelle (4)
    127
    Innenboden des zweiten Speicherbehälters (12)
    128
    thermischer Isolationsbereich
    129
    Außenboden des zweiten Speicherbehälters (12)
    13
    dritter Speicherbehälter
    131
    Zulauf
    132
    Überlauf
    133
    Ablauf
    134
    Höhe des dritten Speicherbehälters (13)
    135
    Höhe des Überlaufs (132)
    136
    Boden des dritten Speicherbehälters (13)
    141
    erster Verstärkungsring
    1411
    Innendurchmesser des ersten Verstärkungsrings (141)
    1412
    Außendurchmesser des ersten Verstärkungsring (141)
    142
    zweiter Verstärkungsring
    1421
    Innendurchmesser des zweiten Verstärkungsrings (142)
    1422
    Außendurchmesser des zweiten Verstärkungsrings (142)
    143
    dritter Verstärkungsring
    1431
    Innendurchmesser des dritten Verstärkungsrings (143)
    1432
    Außendurchmesser des dritten Verstärkungsrings (143)
    144
    vierter Verstärkungsring
    1441
    Innendurchmesser des vierten Verstärkungsrings (144)
    1442
    Außendurchmesser des vierten Verstärkungsrings (144)
    145
    Durchtrittsloch
    2
    Wärmepumpe
    3
    Photothermie (PVT)-Modul
    4
    Zusatzquelle
    5
    Kombispeicher
    6
    Trinkwasserverbraucher
    7
    Gebäudeheizung
    K1
    erstes Kältemittel
    K2
    zweites Kältemittel
    K3
    drittes Kältemittel
    r
    Radius des Bodens (113)
    R
    Radius der Öffnung (114)

Claims (15)

  1. Kältespeicher (1) wenigstens umfassend:
    - einen ersten Speicherbehälter (11) mit einer Öffnung (112) zur Befüllung des ersten Speicherbehälters (11) mit einem ersten Kältemittel (K1), wenigstens einer Seitenwand (113) und einem, der Öffnung (112) gegenüberliegenden, Boden (114);
    - einen zweiten Speicherbehälter (12) für ein zweites Kältemittel (K2), welcher um den ersten Speicherbehälter (11) herum angeordnet ist und den ersten Speicherbehälter (11) vollständig in sich aufnimmt, sodass wenigstens die Seitenwand (113) und der Boden (114) des ersten Speicherbehälters (11) das Volumen des zweiten Speicherbehälters (12) zum ersten Speicherbehälter (11) hin abgrenzen;
    - und einen dritten Speicherbehälter (13) für ein drittes Kältemittel (K3), welcher wiederum um den zweiten Speicherbehälter (12) herum angeordnet ist und den zweiten Speicherbehälter (12) wenigstens teilweise in sich aufnimmt;
    - und wobei der zweite Speicherbehälter (12) wenigstens zwei Zuläufe (121; 123) und wenigstens zwei Abläufe (122; 124) für das zweite Kältemittel (K2) umfasst.
  2. Kältespeicher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Speicherbehälter (11) zylindrisch oder kegelstumpfförmig ausgebildet ist, wobei eine im Wesentlichen kreisförmige Grenzfläche des Kegelstumpfes mit kleinerem Radius (r) durch den Boden (114) des ersten Speicherbehälters (11) gebildet ist, eine im Wesentlichen kreisförmige Grenzfläche des Kegelstumpfes mit größerem Radius (R) durch die Öffnung (112) des ersten Speicherbehälters (11) gebildet ist und eine Mantelfläche des Kegelstumpfes durch die wenigstens eine Seitenwand (113) des ersten Speicherbehälters (11) gebildet ist, sodass sich der erste Speicherbehälter (11) im Benutzungszustand von oben nach unten verjüngt.
  3. Kältespeicher (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Speicherbehälter (12) einen Innenboden (127) und einen Außenboden (129) umfasst, welche durch einen thermischen Isolationsbereich (128) voneinander getrennt sind, wobei der thermische Isolationsbereich (128) eingerichtet ist, den zweiten Speicherbehälter (12) im Bereich seines Innen- (127) und Außenbodens (129) nach außen thermisch zu isolieren.
  4. Kältespeicher (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Isolationsbereich (128) zwischen Innenboden (127) und Außenboden (129) eine Breite zwischen 5 und 150 mm, bevorzugt zwischen 10 und 50 mm aufweist.
  5. Kältespeicher (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
    - dass der thermische Isolationsbereich (128) als ein evakuierter Bereich zwischen Innenboden (127) und Außenboden (129) ausgebildet ist; und/oder
    - dass der thermische Isolationsbereich (128) eine Kunststoffschicht, insbesondere eine Polyethylen-Platte oder Polyethylen-Beschichtung, umfasst.
  6. Kältespeicher (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiten Speicherbehälter (12) einem Innendruck von 2,5 bis 3,5 bar, bevorzugt 3,0 bar, standhält.
  7. Kältespeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Speicherbehälter (13) als eine flüssigkeitsdichte Wanne ausgebildet ist, die den zweiten Speicherbehälter (12) derart in sich aufnimmt, dass der zweite Speicherbehälter (12) wenigstens abschnittsweise, insbesondere in einem Abschnitt bis zu 30 % einer Höhe (120) des zweiten Speicherbehälters (12), bevorzugt bis 60 % seiner Höhe, mit dem dritten Kältemittel (K3) in Kontakt bringbar ist.
  8. Kältespeicher (1) nach einem der Ansprüche, 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Speicherbehälter (13) derart ausgebildet ist, dass er den zweiten Speicherbehälter (12) vollständig in sich aufnimmt.
  9. Kältespeicher (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Speicherbehälter (13) ein flutbarer Raum, insbesondere ein Retentionsraum oder ein flüssigkeitsdichter Raum, ist.
  10. Kältespeicher (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Speicherbehälter (13) wenigstens einen Zulauf (131) und wenigstens einen Überlauf (132) für das dritte Kältemittel (K3) umfasst, wobei der Überlauf (132), in einer solchen Höhe (135) an einer Wand des dritten Speicherbehälters (13) angeordnet ist, dass der dritte Speicherbehälter (13) maximal zu 90 % einer Höhe (134) des dritten Speicherbehälters (13) mit dem dritten Kältemittel (K3) befüllbar ist.
  11. Kältespeicher (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des zweiten Speicherbehälters (12)
    - im Bereich von wenigstens einem der Zuläufe (121; 123), bevorzugt im Bereich beider Zuläufe (121; 132), jeweils wenigstens ein Leitelement (1211; 1231) angeordnet ist; und/oder
    - zwischen einer Außenwand (116) des ersten Speicherbehälters (11) und einer Innenseite einer äußeren Seitenwand (1201) des zweiten Speicherbehälters (12) wenigstens ein Verstärkungsring (141; 142; 143; 142), bevorzugt drei oder vier Verstärkungsringe (141; 142; 143; 144), angeordnet sind.
  12. Kältespeicher (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Speicherbehälter (12) wenigstens einen dritten Zulauf (125) und wenigstens einen dritten Ablauf (126) zur Verbindung mit wenigstens einer Zusatzquelle (4) umfasst, wobei im Bereich des Zulaufs (125) vorzugsweise ein Leitelement (1251) angeordnet ist.
  13. Kältespeicher (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    - dass das erste Kältemittel (K1) ein Phasenwechselmaterial, insbesondere Wasser oder Paraffin, ist;
    - dass das zweite Kältemittel (K2) Ethylenglykol oder ein Ethylenglykol-Wassergemisch oder Propylenglykol oder ein Propylenglykol-Wassergemisch ist; und/oder
    - dass das dritte Kältemittel (K3) ein Phasenwechselmaterial, insbesondere Wasser oder Paraffin, ist.
  14. Kältespeicher (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältespeicher (1) wenigstens zwei zweite Speicherbehälter (12), bevorzugt eine Vielzahl von zweiten Speicherbehältern (12), umfasst.
  15. Verwendung eines Kältespeichers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 als Energiespeicher in einem Gebäudeversorgungssystem wenigstens umfassend:
    - ein Photothermie-Modul (3),
    - eine Wärmepumpe (2) und
    - einen Verbraucher, insbesondere in Form eines Kombispeichers (5) für Trink- und Brauchwasser, eines Trinkwasserverbrauchers (6) und/oder einer Heizungsanlage (7).
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