WO2012032159A2 - Speichertankeinrichtung für ein energiespeichersystem sowie energiespeichersystem mit einer speichertankeinrichtung - Google Patents

Speichertankeinrichtung für ein energiespeichersystem sowie energiespeichersystem mit einer speichertankeinrichtung Download PDF

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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • Storage tank device for an energy storage device as well
  • the invention relates to a storage tank device for an energy storage system and an energy storage system with a storage tank device according to the preambles of the independent claims.
  • EP 1 807 672 B1 an energy storage system is known, which can be used with high efficiency for heating and cooling of buildings and facilities, being particularly when using a
  • Absorption heat pump for heat extraction in winter and only a blower for cooling in summer economic operation is possible.
  • the energy storage system can be used where peak loads are required for cooling in short periods, such as in exhibition halls.
  • the storage tank is an ice storage whose temperature varies with low variance around the freezing point.
  • the energy storage system described there is suitable for the supply of larger units, in particular for those which have a rather low refrigeration demand over a longer period of time, but which at times increases suddenly.
  • the energy storage system described there is suitable for the supply of larger units, in particular for those which have a rather low refrigeration demand over a longer period of time, but which at times increases suddenly.
  • the supply of smaller units such as the
  • Heat exchanger assemblies are provided. One of the storage tanks is in
  • Buried soil has a first, a second and a third
  • Heat exchanger assembly on. Two heat transfer media circuits are coupled and flowed through by a common heat transfer medium, which may be liquid or gaseous.
  • An object of the invention is to provide a storage tank device for a
  • Another object is to provide an energy storage system with a
  • Storage Tank device to develop so that an energy storage system with good efficiency for the supply of smaller units is created.
  • a storage tank device for an energy storage system comprising at least one Storage tank with a housing containing a storage medium and
  • At least one first heat exchanger arrangement in contact with the
  • the at least first heat exchanger assembly comprises a first heat transfer medium and within the housing at least a second heat exchanger assembly with a second heat transfer medium and at least a third heat exchanger assembly with a third
  • Heat transfer medium is arranged.
  • the second heat exchanger arrangement and the third heat exchanger arrangement at least partially surround the first heat exchanger arrangement.
  • the first heat exchanger arrangement can in particular be arranged centrally and is intended to extract heat from the storage tank in a withdrawal period, for instance via a heat pump, until it is thermally discharged.
  • the thermal discharge process may be operated until the entire storage medium intended for conversion has its aggregate state of e.g. liquid after fixed changed.
  • the extracted heat may e.g. used for heating and / or for heating water. This can be done with a heat pump, the temperature level of the extracted heat transporting first
  • Heat transfer medium can be raised accordingly.
  • the heat transfer medium is preferably liquid, e.g. Brine or a water-glycol mixture.
  • the first heat exchanger assembly is arranged in the housing, that a controlled solidification and thawing of
  • Storage medium can take place, which reduces a blasting or pressure effect on the housing of the storage tank.
  • the housing can usefully, alternatively or additionally, have a buffer area, which has a
  • Volume increase of the storage medium can record.
  • the second and / or third heat exchanger arrangement on the inside of the housing is that the solidifying Storage medium practically does not get to the housing wall.
  • the second and / or third heat exchanger device at least partially surrounds the first heat exchanger arrangement, as a result of which the storage medium near the housing wall can remain liquid for longer.
  • the heat exchanger assembly is in the
  • Heat transfer medium may be in particular gaseous, while the third heat transfer medium may be particularly liquid.
  • the second heat exchanger assembly may consist of several separate heat exchanger assemblies, e.g. can be arranged at different positions in the storage tank.
  • the second heat exchanger arrangement can be operated separately from the first heat exchanger arrangement, in particular can be controlled or controlled.
  • the storage tank device can be used flexibly, for example in conjunction with an electronic control and / or control unit, which can be evaluated by evaluating various measured values and influencing the volume flows of the heat transfer media
  • Control devices ensures optimized energy yields.
  • the second heat exchanger arrangement may be arranged at least in regions on an inner side of the housing and / or in the housing wall of the housing.
  • the third heat exchanger assembly may in the intended
  • the third heat exchanger arrangement can at least partially on an inner wall the housing and / or at least partially disposed within the housing wall.
  • the third heat exchanger arrangement may consist of a plurality of segments connected in series and / or in parallel.
  • the storage medium changes its state of aggregation, for example between liquid and solid, with the release or absorption of latent heat.
  • the storage medium is water.
  • other materials are also conceivable, e.g. Paraffin, depending on the desired temperature level of the
  • the temperature therefore varies within narrow limits around the solidification temperature of the storage medium, e.g. around the freezing point of water around ⁇ 0 ° C.
  • the solidification temperatures of the storage medium of a storage tank device according to the invention with water as the storage medium are usually in a practical range of application between -5 ° C and + 15 ° C.
  • the storage medium can be regenerated when this is thermally discharged, and otherwise heat energy
  • Heat extraction is provided.
  • the second and third heat exchanger arrangement leads with particular advantage to the storage medium or the storage tank energy. Under “thermally discharged” is the complete transition of the
  • Storage medium of an aggregate state such as liquid, in the energetically lower, about solid, to understand, with the storage medium has given off the resulting latent heat.
  • an aggregate state such as liquid
  • Storage medium is this thermally discharged when it completely turns to ice is frozen.
  • the latent heat is resumed and the storage medium is thermally charged again.
  • the storage tank heat can be removed at a relatively low temperature level, which can be used for example by a heat pump for a higher temperature level.
  • a heat pump for a higher temperature level.
  • solidified storage medium which can be regenerated, e.g. be liquefied, for example, be removed via an air circulation pump or a fan cold, which can be used for cooling purposes.
  • the storage tank With a heating demand in the withdrawal period, the storage tank provides heat, while during the withdrawal period as well as in the warm season virtually any type of excess heat can be fed into the storage tank, in particular via ambient air from various sources. If e.g. By means of the second heat transfer medium excess heat in the withdrawal period fed into the storage tank, this delays the thermal discharge of the storage tank and makes this fed energy available, advantageously as long as energy
  • Heat transfer medium is above the storage medium.
  • the second heat transfer medium can always enter heat into the storage tank as long as its temperature is above the (average) temperature of the storage medium.
  • the combination of the first heat exchanger arrangement for removing heat with the second, in particular gas-supplied second heat exchanger arrangement and the third heat exchanger arrangement is particularly advantageous, as well
  • Heat energy with a low temperature level can be introduced into the storage tank, which is not efficient or even unusable in known systems. During the withdrawal period will that
  • the efficiency of the storage tank device increases with the progression of the
  • the mean temperature of the storage medium is in the withdrawal period at or below the temperature of the material surrounding the storage tank, e.g. Soil.
  • the usable for heating temperature level of the storage tank or the storage medium decreases in the withdrawal period. If the temperature of the storage medium drops, for example, to 2 ° C., energy can be introduced into the storage medium with the second and / or third heat transfer medium still at temperatures slightly above 2 ° C.
  • exhaust air of a ventilation system for buildings can be used, even if it is already cooled and is available at only 6-7 ° C. Air can be used directly, without the interposition of air-brine heat exchangers and the associated losses.
  • Heat energy in the storage tank or in the energy storage system are stored more efficiently, as well as energy low calorific heat sources,
  • Storage medium temperature can be stored more efficiently.
  • the second and / or third heat transfer medium has on the output side approximately the (low) temperature of the storage medium.
  • the second heat transfer medium may be substantially gaseous, in particular, the second heat transfer medium may be air, in particular ambient air and / or sewer exhaust air and / or
  • substantially gaseous is intended to mean, for example, that impurities of a solid or liquid nature may be contained in the second heat transfer medium, such as dusts and liquid droplets
  • the second heat exchanger arrangement is directly from the heat-supplying gas, in particular air
  • the introduced circulating energy can come from free and / or freely available sources.
  • ambient air as the second heat transfer medium is particularly favorable to use moisture-laden air as the second heat transfer medium, whereby an advantageous extraction of condensation energy from the water vapor contained in the air is possible.
  • the condensation energy means to heat an additional, relatively high heat input into the storage medium.
  • the second heat transfer medium can also be made of air
  • Geothermal absorbers air from solar air absorbers, air heated or recirculated air and / or waste heat sources and / or any co-use of environmental sources such as sewer air, air taken from rooftops or roof spaces and / or (possibly cleaned) air from exhaust air systems and / or or exhaust gases, such as Industrial emissions, process emissions, engine combustion exhaust gases, exhaust gases from power and work machines, etc., the second heat exchanger assembly for the use of the heat contained therein or residual heat are supplied.
  • the gaseous second heat exchanger assembly for the use of the heat contained therein or residual heat are supplied.
  • Heat transfer medium can be advantageously used in the air waste heat in the storage tank.
  • the storage tank can be at least temporarily in heat exchange with its environment, so that ambient heat can be used or the closer storage environment can be used as an extension of the memory.
  • the term "intended to be in heat exchange with its surroundings” is intended to mean that the storage tank is at least temporarily in heat exchange with its surroundings for its regular function, ie is not or at least temporarily isolated from the heat exchange. buried in the ground and specifically absorbs, for example, heat from the surrounding soil.
  • a conveyor such as a fan, a pump, a compressor or the like, in a flow of the second
  • Heat exchanger assembly may be provided, which is the second
  • Heat exchanger assembly is pressed into it, there is automatically a slightly higher pressure than ambient pressure.
  • an even higher pressure can be set, in particular if ambient air is used. Even with a negative heat difference between ambient temperature and storage medium temperature, energy can still be extracted from the (compressed)
  • Ambient air are obtained, and the air exits the storage tank at a temperature below the ambient temperature.
  • the storage tank can be designed as a transportable container and can be prefabricated with at least one heat exchanger arrangement.
  • the storage tank in the manner of a
  • Rainwater cistern be formed, which is poured for example in a concrete plant.
  • the storage tank can be delivered ready for installation to a user be and must be connected there only with the appropriate connections for the various heat transfer media. Conveniently, the storage tank may already be filled with the first heat transfer medium.
  • the storage tank does not have to be manufactured on site, which means the installation of the
  • Storage memory device considerably simplified for the customer and makes the use of the storage tank flexible.
  • Storage tanks makes it conveniently possible to store the storage tank e.g. in the
  • Storage tanks are built so that no parking space is lost through the storage tank.
  • the storage tank can be used with the appropriate shape and stability at the same time as a foundation or substrate for a garage or other structure.
  • an energy storage system is proposed with a storage tank device, wherein a first
  • Heat exchanger assembly of the storage tank comprising a first
  • Heat transfer medium circuit with a heat pump unit can be coupled and at least a second heat exchanger assembly of the storage tank comprising a second heat transfer medium circuit, with a heat source can be coupled, wherein the second heat exchanger assembly comprises a gaseous heat transfer medium, wherein at least a third heat exchanger assembly is arranged with a third heat transfer medium circuit in the housing.
  • Heat transfer medium circuits of the heat exchanger assemblies are
  • Heat transfer medium cycles can be operated completely independently of each other and complement each other advantageously.
  • the heat transfer medium cycles can be decoupled from each other.
  • the heat transfer medium cycles can be operated completely independently of each other and complement each other advantageously.
  • the heat transfer medium cycles can be decoupled from each other.
  • Heat transfer medium circuits of the second and third heat exchanger assembly to be independent of each other and operated, for example, with different types of heat transfer media.
  • At least one of the heat transfer media may be gaseous and at least one of the heat transfer media may be liquid.
  • the third heat exchanger arrangement may advantageously be coupled to or coupled to a collector open to the environment, which allows a large surface for energy coupling.
  • the second and the third heat exchanger arrangement serve predominantly or exclusively to enter heat into the storage tank, with which the storage medium can be regenerated and / or heated. Because the second heat transfer medium is gaseous, heat from e.g. Air directly, without lossy interposition of an additional air / brine heat exchanger between the air source and the second
  • Heat transfer medium for example in the form of a solar air collector.
  • the third heat exchanger arrangement can be coupled to one or more heat sources.
  • the third heat exchanger assembly is coupled to a solar absorber or collector or coupled, or coupled with other permanently or temporarily available heat sources or coupled.
  • one or more heat sources as needed to the third heat exchanger assembly can be switched or switched off. There is a great deal of freedom as to which types of heat sources can be used. These can be temporarily switched on and off according to availability and also according to individual preferences and boundary conditions, for example by means of a control and / or control unit optimizing the energy yield.
  • Storage tank all year various types of available types of energy fed, stored and used in the withdrawal period. It is particularly advantageous if both predominantly or completely for heat input
  • heat exchanger assemblies are decoupled from each other. You can e.g. have different heat transfer media, in particular air in the second heat exchanger assembly and a liquid, e.g. a glycol-water mixture or brine, in the third heat exchanger assembly.
  • a liquid e.g. a glycol-water mixture or brine
  • the energy storage system is connected to a control and / or control unit, which can be operated so that the
  • the storage tank is usually buried in the ground to allow at least temporarily heat flow from the environment into the storage tank.
  • a groundwater contact of the housing of the storage tank acts energetically favorable, but is by no means necessary for the function of the storage tank.
  • placement below the ground freezing boundary makes sense in order to reduce or avoid unnecessary heat loss in cold seasons or even an explosive effect on the storage tank, and to reduce e.g. to prevent the freezing of connection lines.
  • Solar collectors ambient air, ambient heat radiation, sewage air, rainwater, service water, waste heat, geothermal and wind energy.
  • Heat energy of different origin can be stored in the storage tank and used by a user.
  • Interval energy forms made available and effective eg for Heating are used, which is particularly advantageous in connection with heat pumps for heating systems.
  • heat can not be extracted only from the storage tank.
  • moisture contained in the soil surrounding the storage tank can also be frozen or the soil at least cooled down. That in the cold season in the
  • Storage tank solidified storage medium e.g. Ice
  • Storage tank solidified storage medium may optionally be used in an optional mode of operation during the warm season, at least temporarily for cooling, as long as the storage medium is not completely re-liquefied.
  • an outer surface of its housing advantageously acts as a ground probe or ground collector.
  • the storage tank can be stored in its entirety as a heat collector in its function as a heat collector surrounded for example by a coarse gravel bed in the ground to then enter this gravel bed, for example.
  • Rainwater from rain gutters - possibly controlled by switching means - to initiate, which carries a lot of heat energy with them and emits into the environment of the housing and / or directly to the colder
  • the storage tank like a rainwater cistern for
  • Rainwater use can be used.
  • a part of the storage medium water for example a third or more, for example, be used for garden irrigation, while the storage tank can then be used for rain retention, which is legally in some countries in single-family homes is prescribed.
  • the storage medium can then be easily supplemented with rainwater.
  • the heat pump unit depriving the storage tank of energy can comprise one or more absorption heat pumps and / or one or more compression heat pump. If the focus of the energy storage system on the ceiling of the heating demand at the connected consumer, the use of heat pumps can be done in an energetically favorable and economically meaningful way.
  • heat pumps of other types e.g. based on Peltier elements, when equipped with their own heat exchanger, to a gas or brine circuit of the
  • Energy storage can be connected.
  • the heat pump device comprises
  • Absorption heat pump are from EP 1 807 672 B1 for larger
  • Heat exchanger arrangement coupled or coupled open collector have the largest possible surface. "Open” to mean that the collector is exposed directly to the environment
  • the collector can advantageously be mounted in a floating manner, for example on a roof or the like. Thus, the collector can be stored only in the central region and survive to the sides, so that a lateral thermal expansion is easily possible.
  • the second heat exchanger assembly may be coupled to a sewer via a loop, wherein channel air of the sewer through the second
  • Heat exchanger arrangement feasible and can be fed back into the sewer.
  • the energy contained in the high air humidity in the relatively warm channel air can be channeled into the storage tank and stored. At the same time an odor of the environment can be avoided, as the channel air is returned to the channel.
  • Figure 1 is a block diagram of an embodiment of a
  • Figure 2 shows a favorable arrangement with a sewer as cheap
  • Figure 3 is a side view of an embodiment of a buried in the ground, environment-based storage tank
  • Figure 4 shows a storage tank device in a cutaway view with a favorable arrangement with a central first
  • Heat exchanger arrangements a section through a storage tank device according to an embodiment of Figure 4, with ice furs around heat exchanger tubes of the first heat exchanger assembly;
  • Figure 6a, 6b cross sections of a storage tank as a plan view of a plane arranged as a double spiral first
  • Heat exchanger assembly with different arrangements of a surrounding second heat exchanger assembly
  • Figure 7 is an oblique view of a favorable embodiment of a
  • latent memory which contains, for example, water as the storage medium.
  • other storage media or mixtures of storage media are also conceivable.
  • Figure 1 shows schematically a schematic diagram of an advantageous
  • Embodiment of an energy storage system 500 according to the invention with a storage tank device 600 which comprises a storage tank 10 with a first, second and third heat exchanger assembly 100, 200, 300, which are arranged in the housing of the storage tank 10.
  • a storage tank device 600 which comprises a storage tank 10 with a first, second and third heat exchanger assembly 100, 200, 300, which are arranged in the housing of the storage tank 10.
  • Heat exchanger assembly 100 is a first heat transfer medium 102, in the second heat exchanger assembly 200, a second heat transfer medium 202 and the third heat exchanger assembly 300, a third heat transfer medium 302 used.
  • the storage tank 10 contains as a storage medium 30th
  • the storage tank 10 is an environment-based storage tank 10 which is at least temporarily targeted to heat exchange with the environment, i. at least temporarily, a heat flow from the environment into the storage tank 10 (or out into the environment) is desired for the operation of the storage tank 10.
  • the storage tank 10 is buried in the soil 50 in this embodiment, wherein the storage tank 10 is disposed near the surface.
  • the reference numeral 52 is intended to indicate a system boundary in the soil surrounding the storage tank 10 50 and concerns an area in the soil 50, which can still enter much heat in the storage tank 10, ie a typical range of action between the environment of the storage tank 10 and the storage tank 10 itself, the typically depends on design parameters such as the size of the storage tank 10.
  • the soil 50 may on the one hand serve as geothermal source and on the other hand in the usual
  • Entziehperioden for example, heating periods, geothermal supply to the virtually uninsulated storage tank 10.
  • the surrounding can
  • Soil 50 due to its mass and heat storage capacity temporarily even serve as an extension of the storage tank 10.
  • the broken line indicates a typical area of action of the first heat exchanger assembly 100 which removes energy from the storage tank 10, e.g. for operating a heat pump 60, which raises the heat removed from the storage tank 10 to a higher temperature level.
  • This first heat exchanger assembly 100 operates with liquid as the heat transfer medium 102, such as brine or a glycol-water mixture or the like, which is circulated by a pump 120.
  • the heat pump 60 may also be a heat pump system having a plurality of heat pumps.
  • the heat pump 60 sets the relatively low
  • Temperature level of the storage medium 30 of the storage tank 10 to a higher temperature level and supplies, e.g. via a pump 1 12, one or more heat consumers 1 14, such as a building to be heated.
  • the heat pump unit 60 may include an absorption heat pump and / or a compression heat pump and / or another type of heat pump.
  • the second heat exchanger arrangement 200 serves for the regeneration of the
  • Storage medium 30 and leads to the storage tank 10 heat.
  • the second heat exchanger assembly 200 may be temporarily used for cooling purposes, with sufficiently cooled storage medium 30 could be used as a source of cold.
  • the energy storage system 500 can be operated in such optional phases so that a cooling by means of the storage tank 10 is also possible when the storage medium 30 is already completely melted, for example in midsummer. In this mode, the sensitive heat of the storage medium 30 can be used, resulting in
  • Temperature change of the storage medium 30 leads.
  • the daytime temperature fluctuations can be used for cooling by z.
  • the storage medium 30 e.g. by means of ambient air (heat exchanger arrangement 200) or e.g. the sole-guided air heat exchangers (e.g., heat exchanger assembly 300) are cooled, so that during the day, when the outside temperatures are again significantly higher, the now cooler storage capacity is available for cooling, for example, residential and office space.
  • the supply device 70 may include corresponding switching means and directs the corresponding
  • Heat transfer medium 202 to the connected "cold” Consumers to (not shown for simplicity). This type of use of daytime
  • a gas is used, preferably air.
  • the heat energy of the air, i. of the second heat transfer medium 202 is discharged directly to the storage medium 30 via the heat exchanger assembly 200. It is advantageous if the air has an increased humidity, since the energy input of moist air is particularly high compared to dry air because of the heat of condensation of auskondensierenden in the cooling of the air in the heat exchanger assembly 200 water.
  • Heat exchanger assembly 200 heat energy is entered into the storage medium 30 of the storage tank 10, ie the storage tank 10 charged.
  • the second heat exchanger device 200 it is expedient if the second heat exchanger device 200 as possible has a large surface for heat exchange. So it is convenient, corrugated hoses for the second heat exchanger device 200 for transporting the
  • a conveyor 220 such as a fan, a blower, a circulation pump or the like, is at
  • a heat source 70 e.g. in the form of a heat supplying supply means 70 for a gaseous medium, e.g. Ambient air, connected to the heat input in the storage tank 10.
  • a gaseous medium e.g. Ambient air
  • Supply device 70 may in the simplest case have two open pipe ends, which are open to the environment for supply and exhaust air, or the return 206 has an open pipe end, while the feed 204 is connected to a device, the heat supplying exhaust air through the second
  • Heat exchanger assembly 200 is to be introduced into the storage tank 10.
  • the supply device 70 may also include a (complex) supply and exhaust air system, possibly with control and / or regulation, or a heat source system with various connections for a variety of gas heat sources and
  • Exhaust gas routing for example with air as medium.
  • a connection option for a cooling system is conceivable, for. B. for a building cooling system that can be supplied with cool exhaust air from the second heat exchanger assembly 200, or with the heat from the exhaust air storage tank 10 can be supplied.
  • the flow direction of the second heat transfer medium 202 in the second heat exchanger 200 can also be reversed.
  • the supply device 70 different gas sources, in particular air sources, which supply the
  • Heat transfer medium 202 of the second heat exchanger assembly 200 for
  • Energy input can be supplied and replaced by another gas or air source, if their energy input decreases and among a possible
  • Possible gas or air sources can be very diverse and simply coupled to the energy storage system 500 and the second heat exchanger assembly 200. Conveniently, as a gas or air source
  • Ambient air can be used, which has the additional advantage of recovering condensing heat of the water content of the air.
  • flow 204 and / or the return 206 are partially relocated on the way to the storage tank 10 and away from the storage tank 10 over several meters in the ground 50 to additionally absorb geothermal heat.
  • These areas of flow 204 and / or return 206 may also be switchable or by appropriate louvers on and
  • the third heat exchanger assembly 300 serves as the second
  • Heat exchanger assembly 200 for regenerating the storage medium 30 and for supplying heat into the storage tank 10 and has a liquid
  • Heat transfer medium 302 e.g. a glycol-water mixture or brine, which is conveyed by means of a conveyor 320, e.g. a pump 320 is circulated.
  • heat energy e.g from solar collectors, air / brine absorbers, wastewater heat exchangers, rainwater or
  • Heat exchanger assembly 300 to use for cooling purposes, for example, in the warm season, as long as the storage medium 30 is not fully regenerated.
  • the third heat exchanger assembly 300 is via a flow 304 and a Return 306 connected to the heat source 80, wherein the pump 320 is conveniently located in the flow 304. If necessary, the
  • Flow direction can be reversed in certain operating phases, so that supply 304 serves as a return and return 306 as a flow.
  • the heat source 80 may be an open collector 80, as described in detail in FIGS. 7 and 8.
  • the third heat exchanger assembly 300 may also be divided into a plurality of units, each having its own terminals, or a plurality of third heat exchanger assemblies 300, e.g. be mounted one above the other.
  • the serving as a storage medium 30 water is introduced directly into the storage tank 10, which contains a suitable amount of heat for heating the storage medium 30.
  • Storage tank devices 600 and storage tanks 10 provide that can be connected in series and / or in parallel. Likewise, a single storage tank 10 may be coupled to two or more heat pumps 60, or a plurality of storage tanks 10 with a heat pump 60. Furthermore, the
  • Energy storage system 500 be further developed so that a storage tank 10 is coupled to a rainwater cistern for water exchange.
  • Energy storage system 500 can be easily adapted to local requirements.
  • FIG. 2 shows in a longitudinal section a favorable supply device 70 in the form of an air source 70 for a second heat exchanger arrangement 200 of an energy storage system 500, as described in FIG.
  • the heat supplying air source 70 is in this case channel air 74 of a sewer 71, for example, a municipal sewer.
  • the duct air 74 above the sewage 73 in the sewer 71 is very humid and relatively warm.
  • the duct air 74 from the sewer 71 is sucked, for example at a manhole 72 via a suction opening 78 by means of a delivery device 220 and fed via a ring line 75 with flow 204 and return 206 of the second heat exchanger device 200 as a heat transfer medium and via a return port 79 back into the sewer 71st returned.
  • Sewer 71 to the outside, and an odor of the environment is avoided, as well as a maintenance-consuming odor filter is unnecessary.
  • the humidity contained in the channel air 74 of the sewer 71 condenses in the second heat exchanger device 200 in the storage tank 10 and can there, for example. be pumped out and disposed of.
  • the duct air 74 passes dried and cooled back into the sewer 71 back.
  • the channel air 74 which is warmer than the storage tank 10, is used directly for the regeneration of the storage medium 30.
  • a line section 76 is preferably laid over a longer path along the top of the sewer 71, which channels the channel air 74 sufficiently deep into the interior of the sewer 71.
  • the return line 76 is preferably laid in the direction of the waste water flow (indicated by arrows 34). This can be a gradient due to the
  • Density difference of the hot and cold channel air 74 are exploited. This causes an additional drive of the air flow, as well as a good
  • Directions are laid in the sewer 71, wherein the cold air line is preferably laid in the direction of any existing channel slope.
  • the manhole 72 may conveniently be sealed at its manhole cover, if due to the piping there is the danger that by local overpressure a leakage of duct air 74 is expected in the ambient air, especially in residential areas. However, this can be avoided by suitable design.
  • the ends of the pipes laid in the sewer 71 may be protected by grids or similar devices against the ingress of rats or other animals and against foreign bodies.
  • the end of the line section 76, which is located in the sewer 71, may be protected by a check valve 77, the channel air 74 can escape in the flow direction 35, but blocks against ingress of sewage 73, when in
  • Sewer 71 is flooding. Thus, e.g. Sludge deposits in the line section 76 are avoided.
  • the check valve 77 can report a corresponding signal to a control unit via a switch, which then switches off the conveyor 220 in the loop 75 when the check valve 77 is closed.
  • the duct air 74 from the sewer 71 can be used in conjunction with the second heat exchanger assembly 200 in the storage tank 10 in other ways.
  • it may be an intake of air from the sewer 71, eg on the manhole cover, with passing through the second heat exchanger 200 in the storage tank 10 and venting the duct air 74 to the outside.
  • the duct air 74, z. B. first passed through an odor filter and then released into the open.
  • it may also be a suction of duct air 74th take place, however, for example, from a connecting line between a building and a (public) wastewater collection (sewer) and the channel air 74 are discharged back into the connecting line with or without odor filter.
  • Conditions also two further apart channel sections for the suction port 78 and return port 79 of the channel air 74 are used by the supply and removal of duct air 74 at far apart locations of the same sewer 71 is made. If pipes carrying duct air 74 to the storage tank 10 are buried in the ground 50, e.g. is shown by way of example in Figure 3, these may optionally include additional geothermal heat or heat energy in the ground 50 caching. When laying in the air, insulation of the heat-carrying leads to the storage tank 10 is useful.
  • Figure 3 shows a side view of an exemplary embodiment of a
  • Storage tank device 600 with a storage tank 10 in a mounting situation in the ground 50.
  • the installation depth of the storage tank 10 is low, the storage tank 10 is disposed near the ground.
  • a cylindrical neck 14 is formed with a smaller diameter, which, for. can be opened for maintenance and inspection purposes.
  • Groundwater contact of the storage tank 10 is not necessary for its function, however, a subsurface with easily flowing groundwater may have a positive effect on the regeneration of the storage medium 30 by the heat supplied to the outside of the housing 12 by the groundwater since the storage contents are generally colder than the groundwater and pouring
  • the housing 12 may be formed as a hollow body of any cross-section, for example in the form of a hollow cylinder or a cuboid.
  • a favorable material for the housing is eg stone, concrete or plastic. Since the storage tank 10 does not require a large minimum installation depth, the housing 12 can expediently be designed so that it is passable or accessible.
  • the size of the housing 12 may be adapted to the respective needs. For this purpose, for larger diameters of the housing 12 for static reasons, a support strut may be arranged to be able to carry, for example, a vehicle weight.
  • the storage tank 10 may be formed in the manner of a rainwater cistern, e.g. poured in a concrete plant or made in a molding press made of plastic.
  • Cross-section and shape of the storage tank 10 can be chosen arbitrarily, as just needed, such as a cylinder, cuboid, sphere or the like.
  • the storage tank 10 can be delivered ready to install including heat exchanger assemblies 100, 200, 300 to the installation site and there has only with the corresponding supply lines for the various
  • Heat transfer media, conveyors, heat sources, consumers, etc. are connected.
  • a type of connection is shown, in which the flow 204 of the second heat exchanger device 200 is guided a distance in the ground 50, while the return line 206 is led upwards.
  • other arrangements of flow 204 and return 206 may be provided, such as a central supply from above through the pipe 14th
  • FIG. 4 shows a view of a cut-open storage tank 10 in a favorable configuration with three heat exchanger arrangements 100, 200, 300 first heat exchanger assembly 100 includes heat exchanger tubes 100W, preferably in the form of tube or hose windings.
  • Heat exchanger tubes 100W may be substantially single-layer or multi-layered and stacked one above the other in axially spaced-apart planes 110.
  • the material of the heat exchanger tubes 100W may be arbitrary, such as metal or plastic; Polyethylene (PE) is preferably used as inexpensive and durable material.
  • the axially spaced planes 110 can advantageously be flowed through in parallel from the heat transfer medium 102 by means of supply pipes 104, 106 acting as distributors or collectors. All levels 1 10 can be flowed through at the same time. Optionally, only a few selected of the levels 1 10 can be flowed through. By connecting the other levels 1 10, the storage tank 10 can briefly provide a significantly increased amount of heat available.
  • the heat exchanger tubes 100W may preferably be wound in a U-shape as a double spiral per level 1 10 on a spokes wheel-like mounting frame, wherein the base of the double spiral is arranged centrally and the two ends of the double spiral on the outer periphery of the plane 1 10 and
  • spoked wheel-like mounting frame and e.g. are led to a valve or line connection outside the storage tank 10.
  • Storage medium 30 can be reduced when the heat exchanger tubes 100W are wound in each plane 110 such that a lesser distance is set in an inner central region between the substantially concentric coils than in a circumferential region of the planes 110. Adjacent spiral arms become each in opposite flow or
  • the levels 1 10 can analogously from bottom to top in increasing intervals be arranged.
  • Storage medium 30 may be provided so that the storage medium 30 can easily expand during solidification. It is also conceivable, the density of
  • the heat exchanger 100W can be considered as flat spirals be arranged in each of these layers, or even be merged into one another, so that only two connections are required for a double layer or multiple layer of heat exchangers 100W.
  • the housing 12 may be divided and dismountable with one or more mounting joints so as to be able to install individual or even a plurality of heat exchangers 100W in the housing 12 as prefabricated units.
  • a removable cover 15 with a large area can be provided on the housing 12, which allows the heat exchanger 100W to be lowered into the housing.
  • the second heat exchanger assembly 200 in this embodiment surrounds the first heat exchanger assembly 100 coaxially in its axially upper region and is arranged, for example, at or near an inner side 18 of the housing 12 of the storage tank 10.
  • the second heat exchanger arrangement 200 consists of axially spaced tubes or hoses, in particular corrugated hoses, which serve as heat exchangers 200W and follow the contour of the inner side 18 of the housing 12. It is favorable to provide a gradient of the heat exchanger 200W between the feed 204 and the return 206 of the second heat exchanger arrangement 200 so that liquid condensing out in the heat transfer medium 202 can be collected and removed.
  • the second heat exchanger arrangement 200 In the embodiment shown axially below the second
  • Heat exchanger assembly 200 is disposed in a lower portion 21 of the storage tank 10 is the optional third heat exchanger assembly 300, which is also the first heat exchanger assembly 100 concentric with than
  • Heat exchanger 300W serving winding and axially spaced
  • Hoses or pipes surrounds. The gas-working
  • Heat exchanger assemblies 200 of storage tank 10 typically do not have the same pipe diameter or dimensions of respective heat exchangers 200W as heat exchanger assemblies 100, 300 operating with liquid heat transfer media 102, 302, but are larger than these.
  • the heat exchangers may be 200W e.g. have a significantly larger diameter than the liquid-carrying heat exchanger 100W, 300W.
  • the heat exchangers 300W are preferably designed in the form of one or more pipe turns (with a gradient), which run along the inner side 18 of the housing as a screw curve, as indicated in Figure 4.
  • the arrangement of the heat exchangers 300W spaced from an inner wall is preferably such that the individual portions of the heat exchangers 300W have a slope in the same direction.
  • a uniform gradient ensures that the simplest possible venting of the heat exchanger 300W during filling with the third heat transfer medium 302 is ensured.
  • the second and third heat exchanger assemblies 200 and 300 are respectively
  • a round or cylindrical housing 12 is used in a mounting position with horizontal rather than vertical axis as a storage tank 10, wherein the individual
  • Heat exchanger assemblies 100, 200 and 300 are then positioned rotated in space accordingly. This is useful when the housing 12 made
  • Plastic and consists of two semi-cylindrical, larger basic shapes that form a horizontal pitch joint in the assembled state, because then the empty upper half shell of the housing 12 from the top to the bottom
  • Half shell which can be pre-assembled with heat exchanger assemblies 100, 200 and 300, lowered with a lifting means and can be joined together to form a unit.
  • the ice forms as a solid phase 108 gradually as so-called ice furs in a round shape around the heat exchanger 100W of the first heat exchanger assembly 100 in the liquid phase 109 of the storage medium 30, as indicated in Figure 5.
  • Heat exchanger assemblies 100 and 300 are temporarily interconnected by switching means also to a unit, provided that they use the same heat transfer medium.
  • the storage tank is emptied completely energetically and the storage medium 30 has already been heated significantly above the melting temperature of the storage medium 30, this could eg a removable cooling capacity can be increased in order to make good use of the remaining cool in the storage tank 10 despite low temperature spread can.
  • the built in the storage tank 10 heat transfer devices of the heat exchanger assemblies 100, 200, 300 are disposed below a level 32 of the storage medium 30 and within the storage medium 30.
  • the different heat exchanger arrangements 100, 200, 300 act individually on the storage medium 30, but not directly from one
  • Heat exchanger assembly 100, 200, 300 to another, but insofar only indirectly via the storage medium 30th
  • the favorable arrangement of the heat exchanger assemblies 100, 200, 300 largely ensures that the volume of the solidified storage medium 30 growing upon discharge of the storage tank 10 is as far as possible within certain maximum spatial limits, as shown in FIG. 5 by solid and liquid phases 108 and 109 are approximately indicated.
  • the second and third heat exchanger assembly 200 and 300 may be arranged differently in the storage tank 10 as desired.
  • a level 1 10 of the first heat exchanger assembly 100 may also be mounted directly on the bottom of the storage tank 10.
  • the liquid fluids as the heat transfer medium 302 leading (minor) heat exchanger assembly 300 may be used as well as the gas-powered heat exchanger assemblies 200 at certain annual or operating times for cooling purposes. If z. B. cooling with the help of the discharged or partially discharged storage tank 10 is temporarily in the foreground and the cold in the storage tank 10 for as long as possible to be preserved, the housing 12 may also be thermally insulated, for. B. by attaching a Perimeterdämmung.
  • Connecting lines to the heat exchanger assemblies 100, 200, 300 may be performed at any point by the storage tank 10. These are expediently guided in such a way that the lowest possible heat or energy loss results and that no thermal short circuits occur between adjacent system components, which occurs, e.g. can be achieved by appropriate distances or insulation.
  • FIGS. 6a and 6b show by way of example a plan view of a plane 110 of a first heat exchanger arrangement 100 of a storage tank 10 according to FIGS. 4 and 5, with different arrangements of a second heat exchanger arrangement 200 coaxially surrounding it
  • Heat transfer medium 202 is operated.
  • the heat exchangers 200W of the second heat exchanger assembly 200 are arranged like the first heat exchanger assembly 100 in axially spaced planes.
  • Each heat exchanger 200W of the second heat exchanger assembly 200 in Fig. 6a here has just a turn, based on the inner circumference of the housing 12. However, individual or all heat exchanger 200W may also have more than one turn (eg 2 turns or 2.5 turns) or a fraction of one turn (eg 0.5 turns). In general, in the case of non-circular housing shapes, the turns ratios of the second heat exchanger arrangement 200 can be applied analogously to the circumference of the housings, for example if they have a rectangular, square or polygonal floor plan.
  • the heat exchangers 200W are preferably flexible for easy transport and for easy processing (eg flexible
  • Corrugated pipes or corrugated hoses which accordingly can be laid adapted to the particular shape of a housing 12.
  • Heat exchanger assembly 200 between two serving as a flow 204 and return 206 connecting pipes is less than an inner circumference of the
  • the heat exchanger 100W at this level 110 is in a spiral shape on an e.g. arranged spokes wheel-like mounting frame, which is located around the inner region of the housing 12. Connections 107 for flow 104 and return 106 are arranged on the outer edge of the plane 1 10.
  • the second heat exchanger arrangement 200 is arranged with tubular or tubular heat exchangers 200W, of which a heat exchanger 200W can be seen in plan view in plan view, or several individual line sections 221 can be seen. Brackets and other details are omitted in the illustration for clarity.
  • the individual heat exchangers 200W and their line sections 221 respectively encounter the feed 204 and return 206 formed as vertical connection tubes, which are arranged side by side in the storage tank 10 and larger
  • the heat exchangers W200 meet in each level in flow 204 and return 206. Supply and exhaust air are led upwards in further lines or to the outside. The flow path of the
  • Heat transfer medium 202 in a plane corresponds to almost an inner circumference of the housing 12, so that between the flow 204 and return 206, a relatively large temperature spread can occur.
  • the distributor 210 distributes the feed 204 of the heat transfer medium 202 into individual heat exchangers 200W and the collector 21 1 returns the individual flows 34 together into the return 206.
  • Figure 6b shows a variant in the flow 204 and return 206 in the
  • Storage tank 10 diametrically opposite. The flow path of the
  • Heat transfer medium 202 corresponds to almost half an inner circumference of the housing 12, wherein the flow direction is rectified on each half inner circumference, so that between the flow 204 and return 206, a lower total flow resistance occurs than in the embodiment in Figure 6a, which is e.g. reduces the required delivery energy for the heat transfer medium 202.
  • the second heat exchanger assembly 200 may be virtually any alternative
  • connection tubes may be closely adjacent, spaced at a greater or lesser distance on the inner periphery of the housing, diametrically opposed, and the like.
  • the concrete embodiments may e.g. are selected according to a desired flow resistance in the second heat exchanger assembly 200 and the like and optimized for different applications.
  • the heat exchangers 200W are preferably designed with corrugated tubes or corrugated tubes, eg made of PE.
  • the assembly may be along with one or more turns of the heat exchanger 200W near the housing wall, z. B. with only one turn as shown. Your buoyancy in the liquid Storage medium 30 can be intercepted by a fixture.
  • Flow direction 34 of the heat transfer medium 202 is indicated by arrows and preferably extends in the direction of a collection area for condensate 218, which is preferably located in the return pipe 206 serving as a manifold below.
  • a collecting area or pump sump 218 the resulting condensate, usually condensed water, can then be removed by means of a pump.
  • the condensate can, if necessary, d. H. at high condensate level, by means of a level measuring device in conjunction with a switching device for switching on and off of a preferably electrically operated pump (not shown) are automatically pumped to the outside.
  • the pump may e.g.
  • the heat exchangers 200W and other parts of the second heat exchanger assembly 200 are e.g. (directly) at the
  • Housing wall of the storage tank 10 fastened, as shown in Figure 4, for example by means of mounting rails, which have clamps for the pipe diameter of the heat exchanger 200W or may be attached, for example, on the outside of a housing located inside the storage tank 10 frame construction.
  • FIG. 7 shows an advantageous collector 80, which can serve as a supply device or heat source 80, in particular of the third heat exchanger arrangement 300.
  • the collector 80 has a base that absorbs heat from the environment and from solar radiation.
  • the collector 80 may include one or more levels 80a, 80b.
  • two superimposed planes 80a, 80b are shown in which the lines 82a in one of the planes 80a are respectively offset from the lines 80b of the other plane 80b.
  • a distributor region 86 is arranged on each side, wherein the lines 82a, 82b extend between the distributor regions 86.
  • a medium flowing in the lines 82a and 82b, respectively, passes over the respective one Distributor area 86 in the adjacent lines 82a and 82b the same level 80a and 80b.
  • Distributor area 84a, 84b arranged.
  • the central distributor region 84a, 84b for example, two holes 88 are arranged symmetrically to the center, which serve to fasten the collector 80. Due to the almost centric attachment of the collector 80 on a substrate, for example on a roof frame, a change in length of the lines 82a, 82b can be compensated in virtually all directions. The collector 80 requires no further attachment points and is virtually floating.
  • the collector 80 is an open system, i. the preferably formed as plastic pipes or plastic hoses lines 82a, 82b of the collector 80 are exposed directly to the environment. If the collector 80 is coupled to the third heat exchanger arrangement 300, the (liquid)
  • Heat transfer medium 302 through the lines 82 a, 82 b flow and absorb heat from the air or from sunlight.
  • This heat can e.g. be supplied to the storage tank 10 (Fig. 1) by means of a circulation pump.
  • the collector 80 is an absorber that converts sunlight into heat. In addition, heat is absorbed even without solar radiation, since the collector 80 is flowed through the coupling to the storage tank 10 for long periods with a medium (heat transfer medium 302) colder than the ambient air.
  • the construction can be made entirely of plastic and inexpensive, for example, be produced by rotational molding.
  • the collector 80 may be e.g. with a water / glycol mixture as
  • Heat exchanger assembly 300 circulates in the storage tank 10.
  • the circulating pump is preferably operated when in winter, the temperature of the storage tank 10 is lower than the temperature in the collector 80, which is approximately the Outside temperature corresponds. Should be cooled in the summer, the regeneration is prevented towards the end of the heating period, to prevent unwanted defrosting of the storage medium (eg ice).
  • the storage medium eg ice
  • Storage tank 10 or storage tank device 600 in particular in the form of an ice storage, represents the long running time of the regeneration of the storage medium 30 (FIG. 1). Even if the heat pump 60 (FIG. 1).
  • the collector 80 can feed the heat of the environment in the storage tank 10 for 24 hours a day.
  • This long runtime adds up to an extremely high energy density, which is significantly higher than the best currently on the market
  • Vacuum tube collectors are Vacuum tube collectors.
  • FIG. 8 shows, in a sectional view through the collector 80, the cross section of the lines 82a, 82b, which have an oval cross section, wherein a vertical axis H82a of the cross section is greater than a transverse axis Q82a (only a cross section of the upper collector plane 80a is denoted by reference numerals).
  • the elliptical shape of the leads 82a, 82b maximizes their surface area, which is advantageous for the performance of the collector 80, since a high density of collector leads 82a, 82b can be accommodated in the base of the collector 80. According to the number of levels 80a, 80b, the effective collector surface can be increased while the base area remains the same.
  • the lines 82a, 82b of the individual levels 80a, 80b can be mounted directly behind one another or offset from each other depending on the application, which allows the sun to show through to the lower level 80b.
  • a cylindrical ice sheet can form around the conduits 82a, 82b, which to some extent does not form the next ice sheet touched. As with the storage tank device 600, this will avoid a decrease in the withdrawal rate even if ice is formed.
  • the collector 80 can be approached directly by means of a valve (not shown) by the heat pump, which provides sufficient extraction power for the heat pump 60 (Figure 1) up to an outside temperature of about 0 ° C and thus relieves the storage tank 10. The energy of the storage tank 10 can thereby be "lifted” for colder temperatures.
  • Energy storage system 500 are created, with the energy in particular from air heat sources of any origin with only low Ummélzenergie in an otherwise. sol-powered latent storage can be introduced to allow widespread use of low-cost energy with relatively simple means.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Speichertankeinrichtung (600) für ein Energiespeichersystem (500), umfassend wenigstens einen Speichertank (10) mit einem Gehäuse (12), enthaltend ein Speichermedium (30) und wenigstens eine erste Wärmetauscheranordnung (100) in Kontakt mit dem Speichermedium (30), wobei das Speichermedium (30) einen Phasenübergang mit Latentwärme aufweist, wobei die wenigstens erste Wärmetauscheranordnung (100) ein erstes Wärmeträgermedium (102) aufweist und innerhalb des Gehäuses (12) eine zweite Wärmetauscheranordnung (200) mit einem zweiten Wärmeträgermedium (202) und wenigstens eine dritte Wärmetauscheranordnung (300) mit einem dritten Wärmeträgermedium (302) angeordnet ist. Die zweite Wärmetauscheranordnung (200) und die dritte Wärmetauscheranordnung (300) umgeben wenigstens bereichsweise die erste Wärmetauscheranordnung (100). Die Erfindung betrifft ferner ein Energiespeichersystem (500) mit einer Speichertankeinrichtung (600).

Description

Speichertankeinrichtung für ein Energiespeichersvstem sowie
Energiespeichersvstem mit einer Speichertankeinrichtung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Speichertankeinrichtung für ein Energiespeichersystem sowie ein Energiespeichersystem mit einer Speichertankeinrichtung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Aus der EP 1 807 672 B1 ist ein Energiespeichersystem bekannt, der mit hohem Wirkungsgrad zum Wärmen und Kühlen von Gebäuden und Einrichtungen eingesetzt werden kann, wobei besonders beim Einsatz einer
Absorptionswärmepumpe zum Wärmeentzug im Winter und lediglich eines Gebläses zum Kühlen im Sommer ein wirtschaftlicher Betrieb möglich ist. Mit besonderem Vorteil kann das Energiespeichersystem dort eingesetzt werden, wo in kurzen Zeiträumen Spitzenlasten zum Kühlen gefordert sind, wie etwa in Messehallen.
Dies wird unter anderem durch einen speziellen Speichertank mit
Wärmetauscherebenen erreicht, die bei Bedarf zu- oder abschaltbar sind. Durch einen Gradienten der Wärmetauscherschlangen in den Wärmetauscherebenen sowohl in radialer als auch in axialer Richtung sowie einer günstigen Anordnung von Zu- und Rücklauf der Wärmetauscherschlangen innerhalb der einzelnen und zwischen benachbarten Wärmetauscherebenen kann ein über das
Speichervolumen sehr homogenes Laden und Entladen des Speichertanks erfolgen. In einer Ausgestaltung ist der Speichertank ein Eisspeicher, dessen Temperatur mit geringer Varianz um den Gefrierpunkt schwankt. Von der Konzeption her ist das dort beschriebene Energiespeichersystem für die Versorgung größerer Einheiten geeignet, insbesondere für solche, die über längere Zeit einen eher geringen Kältebedarf haben, der jedoch zeitweise sprunghaft ansteigt. Für die Versorgung kleinerer Einheiten, wie etwa der
Versorgung von Einfamilienhäusern, ist das bekannte Energiespeichersystem nicht wirtschaftlich.
Ferner ist aus der DE 10 2008 041 715 A1 ein Energiespeichersystem bekannt, bei dem zwei Speichertanks vorgesehen sind, die mit
Wärmetauscheranordnungen versehen sind. Einer der Speichertanks ist im
Erdreich vergraben und weist eine erste, eine zweite und eine dritte
Wärmetauscheranordnung auf. Zwei Wärmeträgermedienkreisläufe sind gekoppelt und mit einem gemeinsamen Wärmeträgermedium durchströmt, das flüssig oder gasförmig sein kann.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Speichertankeinrichtung für ein
Energiespeichersystem so weiterzuentwickeln, dass dieser für kleinere Einheiten wirtschaftlich ist.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Energiespeichersystem mit einer
Speichertankeinrichtung so weiter zu entwickeln, dass ein Energiespeichersystem mit gutem Wirkungsgrad für die Versorgung kleinerer Einheiten geschaffen wird.
Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen, der Zeichnung und der Beschreibung zu entnehmen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Speichertankeinrichtung für ein Energiespeichersystem vorgeschlagen, umfassend wenigstens einen Speichertank mit einem Gehäuse, enthaltend ein Speichermedium und
wenigstens eine erste Wärmetauscheranordnung in Kontakt mit dem
Speichermedium, wobei das Speichermedium einen Phasenübergang mit
Latentwärme aufweist, wobei die wenigstens erste Wärmetauscheranordnung ein erstes Wärmeträgermedium aufweist und innerhalb des Gehäuses wenigstens eine zweite Wärmetauscheranordnung mit einem zweiten Wärmeträgermedium und wenigstens eine dritte Wärmetauscheranordnung mit einem dritten
Wärmeträgermedium angeordnet ist. Die zweite Wärmetauscheranordnung und die dritte Wärmetauscheranordnung umgeben wenigstens bereichsweise die erste Wärmetauscheranordnung.
Die erste Wärmetauscheranordnung kann insbesondere zentral angeordnet sein und ist dafür vorgesehen, dem Speichertank in einer Entzugsperiode, etwa über eine Wärmepumpe, Wärme zu entziehen, bis dieser thermisch entladen ist. Der thermische Entladevorgang kann so lange betrieben werden, bis das gesamte zur Umwandlung bestimmte Speichermedium seinen Aggregatzustand von z.B. flüssig nach fest geändert hat. Die entzogene Wärme kann z.B. zum Heizen und/oder zur Warmwasserbereitung verwendet werden. Dazu kann mit einer Wärmepumpe das Temperaturniveau des die entzogene Wärme transportierenden ersten
Wärmeträgermediums entsprechend angehoben werden. Das erste
Wärmeträgermedium ist vorzugsweise flüssig, z.B. Sole oder ein Wasser-Glykol- Gemisch. Zweckmäßigerweise ist die erste Wärmetauscheranordnung so in dem Gehäuse angeordnet, dass ein kontrolliertes Erstarren und Auftauen des
Speichermediums erfolgen kann, das eine Spreng- oder Druckwirkung auf das Gehäuse des Speichertanks vermindert. Sinnvollerweise kann das Gehäuse alternativ oder zusätzlich einen Pufferbereich aufweisen, der einen
Volumenzuwachs des Speichermediums aufnehmen kann.
Ein Vorteil der Anordnung der zweiten und/oder dritten Wärmetauscheranordnung an der Innenseite des Gehäuses besteht darin, dass das erstarrende Speichermedium praktisch nicht an die Gehäusewand gelangt. Vorzugsweise umgibt die zweite und/oder dritte Wärmetauschereinrichtung wenigstens bereichsweise die erste Wärmetauscheranordnung, wodurch das Speichermedium nahe der Gehäusewand länger flüssig bleiben kann. Bei einer Anordnung innerhalb der Gehäusewand wird die Wärmetauscheranordnung bei der
Herstellung des Gehäuses einfach mit eingegossen. Das zweite
Wärmeträgermedium kann insbesondere gasförmig sein, während das dritte Wärmeträgermedium insbesondere flüssig sein kann.
Gegebenenfalls kann die zweite Wärmetauscheranordnung aus mehreren separaten Wärmetauscheranordnungen bestehen, die z.B. an unterschiedlichen Positionen im Speichertank angeordnet sein können.
Günstigerweise kann zumindest die zweite Wärmetauscheranordnung separat von der ersten Wärmetauscheranordnung betreibbar sein, insbesondere regelbar oder steuerbar sein. Dadurch kann die Speichertankeinrichtung flexibel verwendet werden, beispielsweise in Verbindung mit einer elektronischen Regel- und/oder Steuereinheit, welche durch Auswertung verschiedener Messwerte und durch Beeinflussen der Volumenströme der Wärmeträgermedien mit Hilfe von
Stelleinrichtungen optimierte Energieerträge sicherstellt.
Die zweite Wärmetauscheranordnung kann wenigstens bereichsweise an einer Innenseite des Gehäuses und/oder in der Gehäusewand des Gehäuses angeordnet sein.
Die dritte Wärmetauscheranordnung kann im bestimmungsgemäßen
Einbauzustand wenigstens bereichsweise in einem unteren Bereich des
Gehäuses angeordnet sein. Denkbar ist jedoch auch eine Anordnung im oberen Bereich des Gehäuses. Ähnlich wie die zweite Wärmetauschereinrichtung kann die dritte Wärmetauscheranordnung zumindest bereichsweise an einer Innenwand des Gehäuses und/oder zumindest bereichsweise innerhalb der Gehäusewand angeordnet sein. Ferner kann die dritte Wärmetauscheranordnung aus mehreren seriell und/oder parallel verschalteten Segmenten bestehen.
Das Speichermedium ändert unter Freisetzung oder Aufnahme latenter Wärme seinen Aggregatzustand, beispielsweise zwischen flüssig und fest. Günstigerweise ist das Speichermedium Wasser. Denkbar sind jedoch auch andere Materialien denkbar, z.B. Paraffin, je nach gewünschtem Temperaturniveau des
Speichermediums. Bei seinen Phasenübergängen variiert die Temperatur des Speichermediums kaum, da beim Wechsel des Aggregatzustands, je nach
Richtung, latente Wärme frei oder absorbiert wird. Die Temperatur schwankt daher in geringen Grenzen um die Erstarrungstemperatur des Speichermediums, z.B. um den Gefrierpunkt von Wasser um ±0°C. Die Erstarrungstemperaturen des Speichermediums einer erfindungsgemäßen Speichertankeinrichtung mit Wasser als Speichermedium liegen meistens in einem praktischen Anwendungsbereich zwischen -5°C und +15°C.
Mit der zweiten Wärmetauscheranordnung und auch mit der dritten
Wärmetauscheranordnung kann das Speichermedium regeneriert werden, wenn dieses thermisch entladen ist, und ansonsten Wärmeenergie dem
Speichermedium zugeführt und im Speichertank gespeichert werden, während die erste Wärmetauscheranordnung ganz oder zumindest überwiegend zum
Wärmeentzug vorgesehen ist. Die zweite und dritte Wärmetauscheranordnung führt mit besonderem Vorteil dem Speichermedium bzw. dem Speichertank Energie zu. Unter„thermisch entladen" ist der vollständige Übergang des
Speichermediums von einem Aggregatzustand, etwa flüssig, in den energetisch niedrigeren, etwa fest, zu verstehen, wobei das Speichermedium die dabei anfallende latente Wärme abgegeben hat. Im Falle von Wasser als
Speichermedium ist dieses thermisch entladen, wenn es vollständig zu Eis gefroren ist. Beim Aggregatwechsel in die andere Richtung wird die latente Wärme wieder aufgenommen und das Speichermedium thermisch wieder geladen.
Dem Speichertank ist Wärme auf relativ niedrigem Temperaturniveau entnehmbar, die beispielsweise durch eine Wärmepumpe für ein höheres Temperaturniveau genutzt werden kann. Optional kann in der warmen Jahreszeit je nach Auslegung und zumindest solange noch erstarrtes Speichermedium verfügbar ist, das regeneriert werden kann, z.B. verflüssigt werden kann, beispielsweise über eine Luftumwälzpumpe oder einen Lüfter Kälte entnehmbar sein, die zu Kühlzwecken verwendet werden kann. Bei einem Heizbedarf in der Entzugsperiode liefert der Speichertank Wärme, während sowohl während der Entzugsperiode wie auch in der warmen Jahreszeit praktisch jede Art von überschüssiger Wärme in den Speichertank eingespeist werden kann, insbesondere über Umgebungsluft aus verschiedensten Quellen. Wird z.B. mittels des zweiten Wärmeträgermediums überschüssige Wärme in der Entzugsperiode in den Speichertank eingespeist, verzögert dies das thermische Entladen des Speichertanks und macht diese eingespeiste Energie nutzbar, wobei vorteilhafterweise solange Energie
eingespeist werden kann, solange die Temperatur des zweiten
Wärmeträgermediums oberhalb der des Speichermediums liegt. Im Prinzip kann das zweite Wärmeträgermedium immer dann Wärme in den Speichertank eintragen, solange dessen Temperatur oberhalb der (mittleren) Temperatur des Speichermediums liegt.
Die Kombination der ersten Wärmetauscheranordnung zum Wärmeentzug mit der zweiten, insbesondere gasversorgten zweiten Wärmetauscheranordnung sowie der dritten Wärmetauscheranordnung ist besonders vorteilhaft, da auch
Wärmeenergie mit niedrigem Temperaturniveau (niederkalorische Wärme) in den Speichertank eingebracht werden kann, die bei bekannten Systemen nicht effizient oder gar nicht nutzbar ist. Während der Entzugsperiode wird das
Speichermedium stark, bis zum Gefrierpunkt des Speichermediums, abgekühlt. Damit kann über das zweite Wärmeträgermedium noch Energie eingespeist werden, die nur knapp oberhalb dieser Temperatur liegt. Insbesondere kann Wärmeenergie eingespeist werden, die z.B. bei 20°C und darunter liegt. Dabei steigt die Effizienz der Speichertankeinrichtung mit Fortschreiten der
Entzugsperiode und entsprechend sinkender Temperatur des Speichermediums. Dies gilt auch bei der Einspeisung von Energie mit dem dritten
Wärmeträgermedium.
Die mittlere Temperatur des Speichermediums liegt in der Entzugsperiode bei oder unterhalb der Temperatur des den Speichertank umgebenden Materials, z.B. Erdreich. Das zum Heizen nutzbare Temperaturniveau des Speichertanks bzw. des Speichermediums sinkt in der Entzugsperiode ab. Sinkt die Temperatur des Speichermediums beispielsweise auf 2°C ab, kann mit dem zweiten und/oder dritten Wärmeträgermedium noch mit Temperaturen etwas oberhalb von 2°C Energie in das Speichermedium eingetragen werden. Damit kann beispielsweise Abluft einer Lüftungsanlage für Gebäude genutzt werden, selbst wenn diese bereits entwärmt ist und mit nur 6-7°C zur Verfügung steht. Luft kann direkt genutzt werden, ohne Zwischenschalten von Luft-Sole-Wärmetauschern und die damit einhergehenden Verluste.
Zu Beginn der Entzugsperiode sind meist zahlreiche Umgebungswärmequellen mit relativ hohen Temperaturen zum Einspeisen in den Speichertank verfügbar, insbesondere wenn noch weitere Wärmetauscheranordnungen zum Einspeisen von Energie in den Speichertank vorgesehen sind, wobei die
Umgebungswärmequellen mit Fortschreiten der Entzugsperiode und sinkenden Außentemperaturen immer weniger werden. Gleichzeitig kann zugeführte
Wärmeenergie im Speichertank bzw. im Energiespeichersystem immer effizienter gespeichert werden, da auch Energie niederkalorischer Wärmequellen,
insbesondere Umgebungsluft und dergleichen, mit absinkender
Speichermediumstemperatur immer effizienter gespeichert werden kann. Das zweite und/oder dritte Wärmeträgermedium hat dabei ausgangsseitig ungefähr die (niedrige) Temperatur des Speichermediums.
Besonders günstig kann das zweite Wärmeträgermedium im Wesentlichen gasförmig sein, insbesondere kann das zweite Wärmeträgermedium Luft sein, insbesondere Umgebungsluft und/oder Abwasserkanalabluft und/oder
Gebäudeabluft, besonders bevorzugt feuchtebeladene Luft.
„Im Wesentlichen gasförmig" soll bedeuten, dass beispielsweise Verunreinigungen fester oder flüssiger Art im zweiten Wärmeträgermedium enthalten sein können, wie etwa Stäube und Flüssigkeitströpfchen. Die zweite Wärmetauscheranordnung ist direkt von dem Wärme liefernden Gas, insbesondere Luft, als
Wärmeträgermedium durchströmt, die insbesondere (bis auf zusätzlich
eingebrachte Umwälzenergie) aus kostenlosen und/oder frei verfügbaren Quellen stammen kann. Bei Umgebungsluft als zweites Wärmeträgermedium ist besonders günstig, feuchtebeladene Luft als zweites Wärmeträgermedium einzusetzen, womit eine vorteilhafte Gewinnung von Kondensationsenergie aus dem in der Luft enthaltenen Wasserdampf möglich ist. Die Kondensationsenergie bedeutet zur Wärme einen zusätzlichen, relativ hohen Wärmeeintrag in das Speichermedium. Als zweites Wärmeträgermedium kann auch Luft aus
Erdwärmeabsorbern, Luft aus Solarluftabsorbern, mit Windenergie erwärmte oder umgewälzte Luft, und/oder Abwärmequellen und/oder etwaiger Mitnutzung von Umgebungsquellen wie Abwasserkanal luft, Luft, die unter Hausdächern oder aus Dachräumen entnommen wird und/oder (gegebenenfalls gereinigte) Luft aus Abluftanlagen und/oder Abgase, wie z.B. Industrieabgase, Prozessabgase, motorische Verbrennungsabgase, Abgase von Kraft- und Arbeitsmaschinen etc., der zweiten Wärmetauscheranordnung zur Nutzung der darin enthaltenen Wärme bzw. Restwärme zugeführt werden. Mit dem gasförmigen zweiten
Wärmeträgermedium kann in die Luft abgegebene Abwärme im Speichertank vorteilhaft genutzt werden. Günstigerweise kann der Speichertank bestimmungsgemäß mit seiner Umgebung wenigstens zeitweise in Wärmetausch stehen, so dass Umgebungswärme genutzt werden kann oder die nähere Speicherumgebung als Erweiterung des Speichers genutzt werden kann. Der Ausdruck„bestimmungsgemäß mit seiner Umgebung in Wärmetausch stehend" soll bedeuten, dass der Speichertank für seine reguläre Funktion zumindest zeitweise in Wärmetausch mit seiner Umgebung steht, d.h. nicht oder zumindest zeitweise nicht gegen den Wärmetausch isoliert ist. Dies trifft auf einen erdunterstützten Speichertank zu, der im Erdreich vergraben ist und gezielt z.B. Wärme aus dem umgebenden Erdreich aufnimmt.
Günstigerweise kann eine Fördereinrichtung, etwa ein Ventilator, eine Pumpe, ein Kompressor oder dergleichen, in einem Vorlauf der zweiten
Wärmetauscheranordnung vorgesehen sein, welche das zweite
Wärmeträgermedium fördert. Auf diese Weise kann auch die Abwärme der Fördereinrichtung vorteilhaft genutzt und über das zweite Wärmeträgermedium in den Speichertank mit eingespeist werden. Da die Luft in die zweite
Wärmetauscheranordnung hineingepresst wird, herrscht dort automatisch ein etwas höherer Druck als Umgebungsdruck. Mit Vorteil kann auch gezielt ein noch höherer Druck eingestellt werden, insbesondere wenn Umgebungsluft genutzt wird. Selbst bei negativer Wärmedifferenz zwischen Umgebungstemperatur und Speichermediumstemperatur kann noch Energie aus der (komprimierten)
Umgebungsluft gewonnen werden, und die Luft tritt aus dem Speichertank mit einer Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur aus.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Speichertank als transportabler Behälter ausgebildet und mit wenigstens einer Wärmetauscheranordnung vorkonfektioniert sein kann. Dabei kann der Speichertank in der Art einer
Regenwasserzisterne ausgebildet sein, die zum Beispiel in einem Betonwerk gegossen wird. Der Speichertank kann einbaufertig einem Anwender geliefert werden und muss dort lediglich mit den entsprechenden Anschlüssen für die verschiedenen Wärmeträgermedien verbunden werden. Zweckmäßigerweise kann der Speichertank bereits mit dem ersten Wärmeträgermedium befüllt sein. Der Speichertank muss nicht vor Ort gefertigt werden, was den Einbau der
erfindungsgemäßen Speichertankeinrichtung für den Kunden erheblich vereinfacht und die Verwendung des Speichertanks flexibel macht.
Die skalierbare Größe und weitgehend variable Formgestaltung des
Speichertanks macht es günstigerweise möglich, den Speichertank z.B. im
Vorgarten eines Einfamilienhauses zu vergraben, ohne dass die darüber liegen Flächen als Nutzfläche verloren gehen oder dass die Optik der Umgebung dadurch beeinträchtigt würde. Auch können z.B. Garagen oberhalb des
Speichertanks errichtet werden, so dass durch den Speichertank keine Parkfläche verloren geht. Der Speichertank kann bei entsprechender Formgebung und Stabilität gleichzeitig auch als Fundament oder Untergrund für eine Garage oder ein anderes Bauwerk genutzt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Energiespeichersystem vorgeschlagen mit einer Speichertankeinrichtung, wobei eine erste
Wärmetauscheranordnung des Speichertanks, umfassend einen ersten
Wärmeträgermedienkreislauf, mit einer Wärmepumpeneinheit koppelbar ist und wenigstens eine zweite Wärmetauscheranordnung des Speichertanks, umfassend einen zweiten Wärmeträgermedienkreislauf, mit einer Wärmequelle koppelbar ist, wobei die zweite Wärmetauscheranordnung ein gasförmiges Wärmeträgermedium aufweist, wobei wenigstens eine dritte Wärmetauscheranordnung mit einem dritten Wärmeträgermedienkreislauf im Gehäuse angeordnet ist. Die
Wärmeträgermedienkreisläufe der Wärmetauscheranordnungen sind
strömungsmäßig voneinander entkoppelt. Die unterschiedlichen
Wärmeträgermedienkreisläufe können völlig unabhängig voneinander betrieben werden und sich vorteilhaft ergänzen. Die Wärmeträgermedienkreisläufe können voneinander entkoppelt sein. Insbesondere können die
Wärmeträgermedienkreisläufe der zweiten und dritten Wärmetauscheranordnung unabhängig voneinander sein und beispielsweise mit unterschiedlichen Arten von Wärmeträgermedien betrieben werden.
Vorteilhaft kann wenigstens eines der Wärmeträgermedien gasförmig und wenigstens eines der Wärmeträgermedien flüssig sein.
Die dritte Wärmetauscheranordnung kann vorteilhaft mit einem zur Umgebung offenen Kollektor gekoppelt oder koppelbar sein, was eine große Oberfläche zur Energieeinkopplung ermöglicht.
Die zweite und die dritte Wärmetauscheranordnung dienen überwiegend oder ausschließlich dazu, Wärme in den Speichertank einzutragen, mit dem das Speichermedium regeneriert und/oder erwärmt werden kann. Dadurch, dass das zweite Wärmeträgermedium gasförmig ist, kann Wärme aus z.B. Luft direkt verwendet werden, ohne verlustbehaftete Zwischenschaltung eines zusätzlichen Luft/Sole-Wärmetauschers zwischen der Luftquelle und dem zweiten
Wärmeträgermedium, beispielsweise in Form eines Solarluftkollektors. Somit ergibt sich vorteilhaft eine entsprechend niedrige Temperaturspreizung zwischen der Wärme liefernden Luft, bzw. Gas, und dem Speichermedium im Speichertank mit der Folge einer höheren Energieausnutzung von frei verfügbaren
Umgebungswärmequellen auch bei geringen Temperaturen, um damit den Speichertank möglichst schnell und effizient thermisch zu laden.
Die dritte Wärmetauscheranordnung ist mit einer oder mehreren Wärmequellen koppelbar. Vorzugsweise ist die dritte Wärmetauscheranordnung mit einem Solarabsorber bzw. Kollektor gekoppelt oder koppelbar, oder mit anderen permanent oder zeitweise verfügbaren Wärmequellen gekoppelt oder koppelbar. Günstigerweise können eine oder mehrere Wärmequellen bedarfsweise an die dritte Wärmetauscheranordnung zuschaltbar oder abschaltbar sein. Es besteht eine weitgehende Freiheit, welche Arten von Wärmequellen genutzt werden können. Diese können temporär nach Verfügbarkeit und auch nach individuellen Vorlieben und Randbedingungen z.B. durch eine den Energieertrag optimierende Regel- und/oder Steuereinheit zu- und abgeschaltet werden.
Durch die zweite und die dritte Wärmetauscheranordnung können in den
Speichertank ganzjährig verschiedenste Arten von verfügbaren Energiearten eingespeist, gespeichert und in der Entzugsperiode genutzt werden. Besonders vorteilhaft ist, wenn beide vorwiegend oder ganz zum Wärmeeintrag
vorgesehenen Wärmetauscheranordnungen voneinander entkoppelt sind. Sie können z.B. unterschiedliche Wärmeträgermedien aufweisen, insbesondere Luft bei der zweiten Wärmetauscheranordnung und eine Flüssigkeit, z.B. ein Glykol- Wasser-Gemisch oder Sole, bei der dritten Wärmetauscheranordnung.
Durch die geringere Temperaturspreizung kann das thermisch entladene
Speichermedium im Speichertank auch bei sehr geringen Außenlufttemperaturen ab ca. 2° bis 4°C aufwärts mit der zweiten Wärmetauscheranordnung wieder aufschmelzen, z. B. im Winter, wenn es vorübergehend eine Warmwetterphase gibt. Somit wird der Vorteil erreicht, dass das Energiespeichersystem besser für den ganzjährigen Betrieb von Wärmepumpenheizungen geeignet ist und insgesamt eine bessere Leistungsfähigkeit gerade auch für die Versorgung von Haushalten, z.B. Einfamilienhäusern, erreicht.
Selbstverständlich ist das Energiespeichersystem mit einer Regel- und/oder Steuereinheit verbunden, welche so betrieben werden kann, dass das
Umweltangebot an natürlichen Quellen von Wärme und/oder von technischen Quellen wie z. B. Abwärme optimal ausgenutzt werden kann, indem die verschiedenen Wärmeangebote aus verschiedenen mit dem Energiespeichersystem verbundenen Wärmequellen gemessen, ausgewertet und dann bedarfsgemäß entsprechend beschaltet werden.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems ist es möglich, verschiedene Wärmeangebote, welche die Umwelt oder andere
Wärmenutzungsgelegenheiten zur Verfügung stellen, in optimaler Weise wahrzunehmen. Dies kann auch in Haushalten vorteilhaft genutzt werden und ist nicht auf Großverbraucher beschränkt.
Der Speichertank wird üblicherweise in das Erdreich eingegraben, um wenigstens zeitweise einen Wärmefluss von der Umgebung in den Speichertank zuzulassen. Eine Grundwasserberührung des Gehäuses des Speichertanks (bei Wasser als Speichermedium) wirkt zwar energetisch günstig, ist jedoch keineswegs für die Funktion des Speichertanks notwendig. In kälteren Regionen ist eine Anordnung unterhalb der Bodenfrostgrenze sinnvoll, um einen unnötigen Wärmeverlust in kalten Jahreszeiten oder auch eine Sprengwirkung auf den Speichertank zu verringern oder zu vermeiden und um z.B. das Einfrieren von Anschlussleitungen zu verhindern.
Es ist vorteilhaft für das Energiegleichgewicht des Speichertanks bzw. des
Energiespeichersystems, wenn ein großer Teil der Energie durch geeignete Wärmequellen möglichst regelmäßig oder häufig eingespeist wird. Günstige Wärmequellen zur Nutzung im Energiespeichersystem sind beispielsweise
Solarkollektoren, Umgebungsluft, Umgebungswärmestrahlung, Abwasserkanalluft, Regenwasser, Brauchwasser, Abwärme, Erdwärme und Windenergie.
Wärmeenergie verschiedener Herkunft kann im Speichertank gespeichert und von einem Nutzer genutzt werden.
Im Speichertank des Energiespeichersystems können unterschiedliche
intervallartig anfallende Energieformen verfügbar gemacht und effektiv z.B. zum Heizen genutzt werden, was insbesondere in Verbindung mit Wärmepumpen für Heizungsanlagen vorteilhaft ist. Die Funktion als Energiespeichersystem
beinhaltet, dass alle eingespeisten günstigen Wärmemengen entweder sofort oder auch erst später, je nach Bedarf, entnommen werden können.
In der Entzugsperiode (z.B. kalte Jahreszeit) kann nicht nur dem Speichertank Wärme entzogen werden. Je nach Betriebsbedingungen kann auch Feuchtigkeit, die im Erdreich enthalten ist, welches den Speichertank umgibt, eingefroren oder das Erdreich zumindest abgekühlt werden. Das in der kalten Jahreszeit im
Speichertank erstarrte Speichermedium, z.B. Eis, kann gegebenenfalls in einer optionalen Betriebsweise in der warmen Jahreszeit wenigstens vorübergehend zur Kühlung genutzt werden, solange das Speichermedium noch nicht vollständig wieder verflüssigt ist. Wenn der Speichertank mit dem umgebenden Erdreich in Wärmeaustausch steht, wirkt eine äußere Oberfläche seines Gehäuses vorteilhaft als Erdsonde bzw. Erdkollektor. Auch kann der Speichertank in seiner Funktion als Wärmekollektor ganz oder teilweise beispielsweise von einem grobkörnigen Kiesbett umgeben im Erdreich eingelagert werden, um in dieses Kiesbett dann z.B. Regenwasser aus Regenrinnen - eventuell durch Schaltmittel gesteuert - einzuleiten, welches eine Menge an Wärmeenergie mit sich führt und diese in die Umgebung des Gehäuses abgibt oder/und auch direkt an die kältere
Gehäusewand des Speichertanks, welche diese Wärme dann in das Innere des Speichertanks weiterleitet, so dass beispielsweise anfallendes Regenwasser auf diese Weise zur Regeneration des Speichermediums genutzt werden kann.
Ferner kann der Speichertank wie eine Regenwasserzisterne zur
Regenwassernutzung eingesetzt werden. So kann ein Teil des Speichermediums Wasser, z.B. ein Drittel oder mehr, beispielsweise zur Gartenbewässerung eingesetzt werden, während der Speichertank dann zur Regenrückhaltung eingesetzt werden kann, was in einigen Ländern bei Einfamilienhäusern gesetzlich vorgeschrieben ist. Das Speichermedium kann dann einfach mit Regenwasser ergänzt werden.
In einer ökologisch günstigen Ausgestaltung kann die dem Speichertank Energie entziehende Wärmepumpeneinheit eine oder mehrere Absorptions- Wärmepumpen und/oder eine oder mehrere Kompressions-Wärmepumpe umfassen. Liegt der Schwerpunkt des Energiespeichersystems auf dem Decken des Heizbedarfs beim angeschlossenen Verbraucher, kann der Einsatz von Wärmepumpen auf energetisch günstige und ökonomisch sinnvolle Weise erfolgen. Prinzipiell können auch Wärmepumpen anderer Bauart, z.B. auf der Basis von Peltierelementen, verwendet werden, wenn diese, mit einem eigenen Wärmetauscher ausgestattet, an einen Gas- oder Solekreislauf des
Energiespeichers anschließbar sind.
In bevorzugter Ausgestaltung umfasst die Wärmepumpeneinrichtung
insbesondere eine Gasabsorptionswärmepumpe. Die Vorteile einer
Absorptionswärmepumpe sind aus der EP 1 807 672 B1 für größere
Speichertanks bereits bekannt, bestehen hier für die kleineren
erfindungsgemäßen Energiespeichersysteme jedoch unverändert fort, zumal die Industrie zunehmend Absorptionswärmepumpen auch für kleinere Leistungen weiterentwickelt und anbietet.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann der an die dritte
Wärmetauscheranordnung gekoppelte oder koppelbare offene Kollektor eine möglichst große Oberfläche aufweisen.„Offen" soll bedeuten, dass der Kollektor unmittelbar der Umgebung ausgesetzt ist. Eine große Oberfläche kann
insbesondere durch ovale Leitungsquerschnitte bewirkt werden. Werden die Leitungen des Kollektors in einer Kollektorebene parallel zu ihrer langen Achse angeordnet, können mehr Leitungen pro Flächeneinheit untergebracht werden als bei runden Querschnitten. Der Kollektor wird lediglich höher als mit Leitungen mit runden Querschnitten vergleichbarer Querschnittsfläche. Der ovale Querschnitt ermöglicht über die große Oberfläche eine Verbesserung der Energieeinspeisung. Der Kollektor kann vorteilhaft schwimmend montierbar sein, beispielsweise auf einem Dach oder dergleichen. So kann der Kollektor nur im mittleren Bereich gelagert sein und zu den Seiten überstehen, so dass eine seitliche thermische Ausdehnung problemlos möglich ist.
In einer günstigen Ausgestaltung des Energiespeichersystems kann die zweite Wärmetauscheranordnung mit einem Abwasserkanal über eine Ringleitung gekoppelt sein, wobei Kanalluft des Abwasserkanals durch die zweite
Wärmetauscheranordnung führbar und in den Abwasserkanal zurückleitbar ist. Die in der hohen Luftfeuchte in der zudem auch relativ warmen Kanalluft enthaltene Energie kann in den Speichertank geleitet und gespeichert werden. Gleichzeitig kann eine Geruchsbelästigung der Umgebung vermieden werden, da die Kanalluft wieder in den Kanal zurückgeleitet wird.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in
Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen in schematischer Darstellung:
Figur 1 einen Prinzipschaltplan einer Ausgestaltung eines
erfindungsgemäßen Energiespeichersystems mit einem
Speichertank und drei Wärmetauscheranordnungen;
Figur 2 eine günstige Anordnung mit einem Abwasserkanal als günstige
Luftquelle für eine zweite Wärmetauscheranordnung; Figur 3 in einer Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel eines im Erdreich vergrabenen, umgebungsgestützten Speichertank;
Figur 4 eine Speichertankeinrichtung in aufgeschnittener Darstellung mit einer günstigen Anordnung mit einer zentralen ersten
Wärmetauscheranordnung und zwei äußeren, die erste
Wärmetauscheranordnung umgebende
Wärmetauscheranordnungen; einen Schnitt durch eine Speichertankeinrichtung entsprechend einer Ausgestaltung nach Figur 4, mit Eispelzen um Wärmetauscherrohre der ersten Wärmetauscheranordnung;
Figur 6a, 6b Querschnitte eines Speichertanks als Draufsicht auf eine Ebene einer als Doppelspirale angeordneten ersten
Wärmetauscheranordnung mit unterschiedlichen Anordnungen einer diese umgebende zweite Wärmetauscheranordnung; und
Figur 7 eine Schrägansicht einer günstigen Ausgestaltung eines
Kollektors, der mit einer Speichertankeinrichtung nach der Erfindung koppelbar ist; und ein Schnitt durch den Kollektor aus Figur 7 mit ovalen
Kollektorrohren.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Im Wesentlichen gleich bleibende Teile sind in den Figuren grundsätzlich mit den gleichen Bezugszeichen beziffert.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines Latentspeichers beschrieben, der beispielsweise Wasser als Speichermedium enthält. Denkbar sind jedoch auch andere Speichermedien oder Mischungen von Speichermedien.
Figur 1 zeigt schematisch einen Prinzipschaltplan einer vorteilhaften
Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Energiespeichersystems 500 mit einer Speichertankeinrichtung 600, welche einen Speichertank 10 umfasst mit einer ersten, zweiten und dritten Wärmetauscheranordnung 100, 200, 300, die im Gehäuse des Speichertanks 10 angeordnet sind. Bei der ersten
Wärmetauscheranordnung 100 kommt ein erstes Wärmeträgermedium 102, bei der zweiten Wärmetauscheranordnung 200 ein zweites Wärmeträgermedium 202 und bei der dritten Wärmetauscheranordnung 300 ein drittes Wärmeträgermedium 302 zum Einsatz. Der Speichertank 10 enthält als Speichermedium 30
beispielsweise Wasser.
Der Speichertank 10 ist ein umgebungsgestützter Speichertank 10, der mit der Umgebung zumindest zeitweise gezielt im Wärmetausch steht, d.h. zumindest zeitweise ist ein Wärmefiuss von der Umgebung in den Speichertank 10 (oder aus diesem in die Umgebung) für die Funktion des Speichertanks 10 erwünscht.
Beispielsweise ist der Speichertank 10 in diesem Ausführungsbeispiel im Erdreich 50 vergraben, wobei der Speichertank 10 nahe der Oberfläche angeordnet ist. Das Bezugszeichen 52 soll eine Systemgrenze im den Speichertank 10 umgebenden Erdreich 50 andeuten und betrifft einen Bereich im Erdreich 50, der noch wesentlich Wärme in den Speichertank 10 eintragen kann, d.h. einen typischen Wirkungsbereich zwischen der Umgebung des Speichertanks 10 und dem Speichertank 10 selbst, der typischerweise abhängig ist von Auslegungs- Parametern wie z.B. der Größe des Speichertanks 10. Das Erdreich 50 kann einerseits als Geothermie-Quelle dienen und andererseits in den üblichen
Entzugsperioden, beispielsweise Heizperioden, Erdwärme an den praktisch unisolierten Speichertank 10 liefern. Darüber hinaus kann das umliegende
Erdreich 50 aufgrund seiner Masse und Wärmespeicherfähigkeit zeitweise sogar als Erweiterung des Speichertanks 10 dienen.
Innerhalb des Speichertanks 10 deutet die unterbrochene Linie einen typischen Wirkungsbereich der ersten Wärmetauscheranordnung 100 an, mit der Energie aus dem Speichertank 10 entzogen wird, z.B. zum Betrieb einer Wärmepumpe 60, welche die entnommene Wärme aus dem Speichertank 10 auf ein höheres Temperaturniveau hebt. Diese erste Wärmetauscheranordnung 100 arbeitet mit Flüssigkeit als Wärmeträgermedium 102, etwa Sole oder einem Glykol-Wasser- Gemisch oder dergleichen, die mit einer Pumpe 120 umgewälzt wird.
Die Wärmepumpe 60 kann auch ein Wärmepumpensystem mit einer Mehrzahl an Wärmepumpen sein. Die Wärmepumpe 60 setzt das relativ niedrige
Temperaturniveau des Speichermediums 30 des Speichertanks 10 auf ein höheres Temperaturniveau um und versorgt, z.B. über eine Pumpe 1 12, einen oder mehrere Wärmeverbraucher 1 14, etwa ein zu beheizendes Gebäude. Die Wärmepumpeneinheit 60 kann eine Absorptions-Wärmepumpe und/oder eine Kompressions-Wärmepumpe und/oder eine andere Art von Wärmepumpe umfassen.
Die zweite Wärmetauscheranordnung 200 dient zur Regeneration des
Speichermediums 30 und führt dem Speichertank 10 Wärme zu. In bestimmten Betriebsphasen ist auch denkbar, dass die zweite Wärmetauscheranordnung 200 zeitweise auch zu Kühlzwecken eingesetzt werden kann, wobei ausreichend abgekühltes Speichermedium 30 als Kältequelle genutzt werden könnte. Günstigerweise kann das Energiespeichersystem 500 in solchen optionalen Phasen so betrieben werden, dass eine Kühlung mit Hilfe des Speichertanks 10 auch dann möglich ist, wenn das Speichermedium 30 bereits vollständig abgeschmolzen ist, z.B. im Hochsommer. In dieser Betriebsart kann auch die sensible Wärme des Speichermediums 30 genutzt werden, was zur
Temperaturänderung des Speichermediums 30 führt. In einem solchen Fall können zur Kühlung die tageszeitlichen Temperaturschwankungen genutzt werden, indem z. B. nachts, wenn niedrigere Außentemperaturen herrschen, das Speichermedium 30 z.B. mittels Umgebungsluft (Wärmetauscheranordnung 200) oder z.B. solegeführten Luftwärmetauschern (z.B. Wärmetauscheranordnung 300) abgekühlt wird, so dass dann tagsüber, wenn die Außentemperaturen wieder deutlich höher sind, der nun kühlere Speicherinhalt zur Kühlung beispielsweise von Wohn- und Büroräumen zur Verfügung steht. Die Versorgungseinrichtung 70 kann entsprechende Schaltmittel beinhalten und leitet das entsprechende
Wärmeträgermedium 202 den angeschlossenen„Kälte"-Verbrauchern zu (zur Vereinfachung nicht dargestellt). Diese Art der Nutzung tageszeitlicher
Temperaturschwankungen mit Hilfe des Speichertanks 10 ist mit bekannten Energiespeichersystemen nicht möglich.
Als Wärmeträgermedium 202 wird ein Gas eingesetzt, vorzugsweise Luft. Die Wärmeenergie der Luft, d.h. des zweiten Wärmeträgermediums 202, wird direkt über die Wärmetauscheranordnung 200 an das Speichermedium 30 abgegeben. Dabei ist von Vorteil, wenn die Luft eine erhöhte Luftfeuchtigkeit aufweist, da der Energieeintrag von feuchter Luft wegen der Kondensationswärme des bei der Abkühlung der Luft in der Wärmetauscheranordnung 200 auskondensierenden Wassers verglichen mit trockener Luft besonders hoch ist. Über die zweite
Wärmetauscheranordnung 200 wird Wärmeenergie in das Speichermedium 30 des Speichertanks 10 eingetragen, d.h. der Speichertank 10 aufgeladen. Um eine möglichst hohe Ausnutzung der zugeführten Wärmeenergie zu erreichen, ist es zweckmäßig, wenn die zweite Wärmetauschereinrichtung 200 eine möglichst große Oberfläche zum Wärmetausch aufweist. So ist es günstig, Wellschläuche für die zweite Wärmetauschereinrichtung 200 zum Transport des
Wärmeträgermediums 202 einzusetzen. Eine Fördereinrichtung 220, etwa ein Ventilator, ein Gebläse, eine Umwälzpumpe oder dergleichen, ist beim
Energieeintragen immer im Vorlauf 204 der Wärmetauscheranordnung 200 angeordnet, so dass die Abwärme der Fördereinrichtung 220 mit genutzt werden kann.
An den Vorlauf 204 ist eine Wärmequelle 70 z.B. in Form einer Wärme liefernden Versorgungseinrichtung 70 für ein gasförmiges Medium, z.B. Umgebungsluft, zum Wärmeeintrag in den Speichertank 10 angeschlossen. Die
Versorgungseinrichtung 70 kann im einfachsten Fall zwei offene Rohrenden aufweisen, welche für Zu- und Abluft offen zur Umgebung sind, oder der Rücklauf 206 weist ein offenes Rohrende auf, während der Vorlauf 204 an ein Gerät angeschlossen ist, dessen Wärme liefernde Abluft über die zweite
Wärmetauscheranordnung 200 in den Speichertank 10 eingeleitet werden soll. Die Versorgungseinrichtung 70 kann auch eine (komplexe) Zu- und Abluftanlage, ggf. mit Steuerung und/oder Regelung, umfassen oder ein Wärmequellensystem mit diversen Anschlüssen für verschiedenste Gas-Wärmequellen und
Abgasführung (z.B. mit Luft als Medium). Ebenso ist eine Anschlussmöglichkeit für ein Kühlsystem denkbar, z. B. für ein Gebäudekühlsystem, das mit kühler Abluft aus der zweiten Wärmetauscheranordnung 200 versorgt werden kann, oder mit der Wärme aus der Abluft dem Speichertank 10 zugeführt werden kann. Hierzu kann die Strömungsrichtung des zweiten Wärmeträgermediums 202 im zweiten Wärmetauscher 200 auch umgekehrt werden.
Grundsätzlich ist es denkbar, für die Versorgungseinrichtung 70 unterschiedliche Gasquellen, insbesondere Luftquellen, vorzusehen, welche das
Wärmeträgermedium 202 der zweiten Wärmetauscheranordnung 200 zur
Verfügung stellen und zwischen diesen unterschiedlichen Gas- bzw. Luftquellen bedarfsweise umzuschalten. So kann z.B. zu einem Zeitpunkt eine Gas- bzw. Luftquelle ausgewählt werden, die gerade einen besonders günstigen
Energieeintrag liefern kann und durch eine andere Gas- bzw. Luftquelle ersetzt werden, wenn deren Energieeintrag abnimmt und unter einen möglichen
Energieeintrag einer oder mehrerer anderer Gas- bzw. Luftquellen fällt.
Mögliche Gas- bzw. Luftquellen können sehr vielfältig sein und einfach an das Energiespeichersystem 500 bzw. die zweite Wärmetauscheranordnung 200 angekoppelt werden. Günstigerweise kann als Gas- bzw. Luftquelle
Umgebungsluft eingesetzt werden, die den zusätzlichen Vorteil der Gewinnung von Verflüssigungswärme des Wassergehalts der Luft bietet.
Ferner ist es auch möglich, dass der Vorlauf 204 und/oder der Rücklauf 206 bereichsweise auf dem Weg zum Speichertank 10 hin bzw. vom Speichertank 10 weg über mehrere Meter im Erdreich 50 verlegt sind, um zusätzlich Erdwärme aufzunehmen. Diese Bereiche von Vorlauf 204 und/oder Rücklauf 206 können auch umschaltbar sein oder durch entsprechende Luftklappen ein- und
abgeschaltet werden bzw. durch andere Leitungen umgangen werden.
Die dritte Wärmetauscheranordnung 300 dient wie die zweite
Wärmetauscheranordnung 200 zur Regeneration des Speichermediums 30 und zur Wärmezufuhr in den Speichertank 10 und weist ein flüssiges
Wärmeträgermedium 302, z.B. ein Glykol-Wasser-Gemisch oder Sole auf, welches mittels einer Fördereinrichtung 320, z.B. einer Pumpe 320 umgewälzt wird. Hier wird in der Regel nur Wärmeenergie (z. B. von Solarkollektoren, Luft- Soleabsorber, Abwasserwärmetauscher, Regenwasser bzw.
Regenwasserwärmetauscher und dergleichen) von einer oder mehreren
Wärmequellen 80 eingetragen. Es ist jedoch möglich, die dritte
Wärmetauscheranordnung 300 auch zu Kühlzwecken einzusetzen, z.B. in der warmen Jahreszeit, solange das Speichermedium 30 noch nicht völlig regeneriert ist. Die dritte Wärmetauscheranordnung 300 ist über einen Vorlauf 304 und einen Rücklauf 306 mit der Wärmequelle 80 verbunden, wobei die Pumpe 320 günstigerweise im Vorlauf 304 angeordnet ist. Gegebenenfalls kann die
Strömungsrichtung in bestimmten Betriebsphasen umgekehrt werden, so dass Vorlauf 304 als Rücklauf und Rücklauf 306 als Vorlauf dient. Mit Vorteil kann die Wärmequelle 80 ein offener Kollektor 80 sein, wie im Detail in den Figuren 7 und 8 beschrieben ist.
Für eine größere Flexibilität bei der Anpassung an verschiedene Wärmequellen 80 kann die dritte Wärmetauscheranordnung 300 auch in mehrere Einheiten aufgeteilt sein, welche jeweils eigene Anschlüsse aufweisen, bzw. können mehrere dritte Wärmetauscheranordnungen 300 z.B. übereinander montiert sein.
Als weitere Möglichkeit, um den entladenen Speichertank 10 mit Energie zu beladen, kann vorgesehen sein, dass das als Speichermedium 30 dienende Wasser direkt in den Speichertank 10 eingeleitet wird, welches eine geeignete Wärmemenge zum Erwärmen des Speichermediums 30 enthält.
Grundsätzlich ist denkbar, im Energiespeichersystem 500 mehrere
Speichertankeinrichtungen 600 bzw. Speichertanks 10 vorzusehen, die seriell und/oder parallel geschaltet sein können. Ebenso kann ein einzelner Speichertank 10 mit zwei oder mehr Wärmepumpen 60 gekoppelt sein, oder auch mehrere Speichertanks 10 mit einer Wärmepumpe 60. Weiterhin kann das
Energiespeichersystem 500 so weitergebildet werden, dass ein Speichertank 10 mit einer Regenwasserzisterne zum Wasseraustausch gekoppelt ist. Das
Energiespeichersystem 500 kann auf einfache Weise an lokale Anforderungen angepasst werden.
Figur 2 zeigt in einem Längsschnitt eine günstige Versorgungseinrichtung 70 in Form einer Luftquelle 70 für eine zweite Wärmetauscheranordnung 200 eines Energiespeichersystems 500, wie es in Figur 1 beschrieben ist. Die Wärme liefernde Luftquelle 70 ist in diesem Fall Kanalluft 74 eines Abwasserkanals 71 , z.B. eines kommunalen Abwasserkanals. Die Kanalluft 74 über dem Abwasser 73 im Abwasserkanal 71 ist sehr feucht und relativ warm. Die Kanalluft 74 aus dem Abwasserkanal 71 wird z.B. an einem Kanalschacht 72 über eine Absaugöffnung 78 mittels einer Förderreinrichtung 220 abgesaugt und über eine Ringleitung 75 mit Vorlauf 204 und Rücklauf 206 der zweiten Wärmetauschereinrichtung 200 als Wärmeträgermedium zugeführt und über eine Rückführöffnung 79 wieder in den Abwasserkanal 71 zurückgeleitet. Es tritt keine Kanalluft 74 aus dem
Abwasserkanal 71 nach außen, und eine Geruchsbelästigung der Umgebung wird vermieden, ebenso ist ein wartungsaufwändiger Geruchsfilter unnötig.
Die in der Kanalluft 74 des Abwasserkanals 71 enthaltene Luftfeuchtigkeit kondensiert in der zweiten Wärmetauschereinrichtung 200 im Speichertank 10 aus und kann dort z.B. abgepumpt und entsorgt werden. Die Kanalluft 74 gelangt getrocknet und abgekühlt wieder in den Abwasserkanal 71 zurück. Die gegenüber dem Speichertank 10 wärmere Kanalluft 74 wird direkt zur Regeneration des Speichermediums 30 verwendet. Für die Rückführung der entnommenen und abgekühlten Kanalluft 74 wird bevorzugt ein Leitungsabschnitt 76 über eine längere Wegstrecke entlang der Oberseite des Abwasserkanals 71 verlegt, welche die Kanalluft 74 ausreichend tief ins Innere des Abwasserkanals 71 zurückleitet. Die Rückleitung 76 wird bevorzugt in Richtung der Abwasserströmung verlegt (durch Pfeile 34 angedeutet). Hiermit kann ein Gefälle infolge des
Dichteunterschieds der warmen und kalten Kanalluft 74 ausgenutzt werden. Dies bewirkt einen zusätzlichen Antrieb der Luftströmung, sowie eine gute
Flächenverteilung nach der Rückführöffnung 79, um möglichst viel Wärme aus dem Abwasserkanal 71 aufzunehmen. Vorteilhaft ist auch, dass die
zurückgeführte kalte Kanalluft 74 auf die Oberfläche des Abwassers 73 absinkt, um dort wieder Feuchtigkeit und Wärme aufzunehmen. Statt der Rückführung kann auch nur die Ansaugung über eine längere Strecke im Abwasserkanal 71 ausgeführt sein und das Wiedereinleiten der Kanalluft 74 in oder in der Nähe des Kanalschachts 72 erfolgen. Es können aber auch sowohl der rückführende Leitungsabschnitt 76 und die Ansaugleitung in verschiedene
Richtungen in den Abwasserkanal 71 verlegt werden, wobei die Kaltluftleitung bevorzugt in Richtung eines etwaig vorhandenen Kanalgefälles verlegt wird.
Der Kanalschacht 72 kann zweckmäßigerweise an seinem Kanaldeckel abgedichtet sein, wenn aufgrund der Verrohrung die Gefahr besteht, dass durch örtlichen Überdruck ein Austreten von Kanalluft 74 in die Umgebungsluft zu erwarten ist, vor allem in Wohngebieten. Durch geeignete Auslegung kann dies jedoch vermieden werden. Die Enden der im Abwasserkanal 71 verlegten Rohre können durch Gitter oder ähnliche Einrichtungen gegen Eindringen von Ratten oder anderen Tieren und gegen Fremdkörper geschützt sein. Das Ende des Leitungsabschnitts 76, der sich im Abwasserkanal 71 befindet, kann durch eine Rückschlagklappe 77 geschützt sein, die Kanalluft 74 in Strömungsrichtung 35 austreten lässt, jedoch gegen Eindringen von Abwasser 73 sperrt, wenn im
Abwasserkanal 71 Hochwasser ist. So können z.B. Schlammablagerungen im Leitungsabschnitt 76 vermieden werden. Die Rückschlagklappe 77 kann über einen Schalter ein entsprechendes Signal an eine Steuereinheit melden, welche dann ggf. die Fördereinrichtung 220 in der Ringleitung 75 bei geschlossener Rückschlagklappe 77 abschaltet.
Die Kanalluft 74 aus dem Abwasserkanal 71 kann in Verbindung mit der zweiten Wärmetauscheranordnung 200 im Speichertank 10 auch auf andere Weise eingesetzt werden. Es kann z.B. ein Ansaugen von Luft aus dem Abwasserkanal 71 , z.B. am Kanaldeckel, mit Durchleiten durch den zweiten Wärmetauscher 200 im Speichertank 10 und Ablassen der Kanalluft 74 ins Freie erfolgen. Alternativ kann die Kanalluft 74, z. B. zuerst durch einen Geruchsfilter geleitet und dann ins Freie abgelassen werden. Es kann alternativ auch ein Ansaugen von Kanalluft 74 erfolgen, jedoch z.B. aus einer Verbindungsleitung zwischen einem Gebäude und einer (öffentlichen) Abwasser-Sammelleitung (Kanalisation) und die Kanalluft 74 wieder in die Verbindungsleitung mit oder ohne Geruchsfilter abgelassen werden.
Um eine unerwünschte Rezirkulation von Kanalluft 74 im gleichen Kanalabschnitt des Abwasserkanals 71 zu vermeiden, können bei entsprechenden
Gegebenheiten auch zwei weiter auseinander liegende Kanalabschnitte für die Absaugöffnung 78 und Rückführöffnung 79 der Kanalluft 74 benutzt werden, indem die Zuführung und Entnahme von Kanalluft 74 an weit voneinander entfernten Stellen desselben Abwasserkanals 71 vorgenommen wird. Falls Rohre, die Kanalluft 74 zum Speichertank 10 führen, im Erdreich 50 verlegt sind, wie z.B. in Figur 3 beispielhaft dargestellt ist, können diese gegebenenfalls zusätzlich Erdwärme aufnehmen oder Wärmeenergie im Erdreich 50 Zwischenspeichern. Bei einer Verlegung an der Luft ist eine Isolierung der Wärme führenden Zuleitungen zum Speichertank 10 sinnvoll.
Figur 3 zeigt in einer Seitenansicht eine beispielhafte Ausgestaltung einer
Speichertankeinrichtung 600 mit einem Speichertank 10 in einer Einbausituation im Erdreich 50. Die Einbautiefe des Speichertanks 10 ist gering, der Speichertank 10 ist in Erdbodennähe angeordnet. Im oberen Bereich 20 seines Gehäuses 12 ist ein zylinderförmiger Stutzen 14 mit geringerem Durchmesser angeformt, der z.B. zu Wartungs- und Inspektionszwecken geöffnet werden kann. Eine
Grundwasserberührung des Speichertanks 10 ist für seine Funktion nicht notwendig, jedoch kann sich ein Untergrund mit leicht fließendem Grundwasser auf die Regeneration des Speichermediums 30 durch die vom Grundwasser auf die Außenseite des Gehäuses 12 zugeführte Wärme positiv auswirken, da der Speicherinhalt meistens kälter als das Grundwasser ist und strömendes
Grundwasser dem Speichertank 10 laufend neue Wärme zuführen kann. Das Gehäuse 12 kann als Hohlkörper beliebigen Querschnitts, etwa in Form eines Hohlzylinders oder eines Quaders, ausgebildet sein. Damit wird eine besonders einfache und zuverlässige Montage der Wärmetauscheranordnungen 100, 200, 300 ermöglicht. Denkbar sind jedoch durchaus auch andere Formen, die der Fachmann nach Bedarf auswählen wird. Ein günstiges Material für das Gehäuse ist z.B. Stein, Beton oder auch Kunststoff. Da der Speichertank 10 keine große Mindesteinbautiefe benötigt, kann das Gehäuse 12 zweckmäßigerweise so ausgestaltet sein, dass es befahrbar oder begehbar ist. Die Größe des Gehäuses 12 kann an den jeweiligen Bedarf angepasst sein. Dazu kann bei größeren Durchmessern des Gehäuses 12 aus statischen Gründen auch eine Stützstrebe angeordnet sein, um z.B. ein Fahrzeuggewicht tragen zu können.
Der Speichertank 10 kann in der Art einer Regenwasserzisterne ausgebildet sein, die z.B. in einem Betonwerk gegossen oder in einer Formpresse aus Kunststoff hergestellt wird. Querschnitt und Form des Speichertanks 10 können beliebig gewählt werden, wie gerade benötigt, etwa als Zylinder, Quader, Kugel oder dergleichen.
Der Speichertank 10 kann einbaufertig samt Wärmetauscheranordnungen 100, 200, 300 zum Einbauort geliefert werden und muss dort lediglich mit den entsprechenden Versorgungsleitungen für die verschiedenen
Wärmeträgermedien, Fördereinrichtungen, Wärmequellen, Verbrauchern etc. verbunden werden. Beispielhaft ist eine Anschlussart dargestellt, bei der der Vorlauf 204 der zweiten Wärmetauschereinrichtung 200 eine Strecke im Erdreich 50 geführt ist, während der Rücklauf 206 nach oben geführt ist. Selbstverständlich können auch andere Anordnungen von Vorlauf 204 und Rücklauf 206 vorgesehen sein, etwa eine zentrale Zuführung von oben durch den Stutzen 14.
Figur 4 zeigt eine Ansicht eines aufgeschnittenen Speichertanks 10 in einer günstigen Ausgestaltung mit drei Wärmetauscheranordnungen 100, 200, 300. Die erste Wärmetauscheranordnung 100 umfasst Wärmetauscherrohre 100W, vorzugsweise in Form von Rohr- oder Schlauchwicklungen. Die
Wärmetauscherrohre 100W können im Wesentlichen einlagig oder auch mehrlagig ausgebildet und in axial voneinander beabstandeten Ebenen 1 10 übereinander gestapelt. Das Material der Wärmetauscherrohre 100W kann beliebig sein, etwa Metall oder Kunststoff; als preiswertes und dauerhaftes Material wird bevorzugt Polyethylen (PE) eingesetzt. Die axial beabstandeten Ebenen 1 10 können vorteilhaft über als Verteiler oder Sammler wirkende Versorgungsrohre 104, 106 strömungstechnisch parallel vom Wärmeträgermedium 102 durchströmbar sein. Dabei können alle Ebenen 1 10 gleichzeitig durchströmt werden. Optional können auch nur einige ausgewählte der Ebenen 1 10 durchströmt werden. Durch das Zuschalten der anderen Ebenen 1 10 kann der Speichertank 10 kurzzeitig eine deutlich erhöhte Wärmemenge zur Verfügung stellen.
Die Wärmetauscherrohre 100W können vorzugsweise U-förmig als Doppelspirale pro Ebene 1 10 auf einem speichenradähnlichen Montagegestell aufgewickelt sein, wobei die Basis der Doppelspirale zentral angeordnet ist und die beiden Enden der Doppelspirale sich am äußeren Umfang der Ebene 1 10 bzw. dem
speichenradähnlichen Montagegestell befinden und z.B. zu einem Ventil oder Leitungsanschluss außerhalb des Speichertanks 10 geführt sind.
Die Gefahr einer Sprengwirkung auf das Gehäuse 12 beim Einfrieren des
Speichermediums 30 kann reduziert werden, wenn die Wärmetauscherrohre 100W in jeder Ebene 1 10 so gewickelt sind, dass in einem inneren, zentralen Bereich ein geringerer Abstand eingestellt ist zwischen den im Wesentlichen konzentrischen Wicklungen als in einem umfangsnahen Bereich der Ebenen 1 10. Benachbarte Spiralarme werden jeweils in entgegengesetzten Fließ- bzw.
Drehrichtungen mit dem ersten Wärmeträgermedium durchströmt, was die
Temperatur im Speichermedium 30 homogenisiert. Vorteilhafterweise können die Ebenen 1 10 analog von unten nach oben in größer werdenden Abständen angeordnet sein. Zusätzlich kann über der obersten Ebene 1 10 ein ausreichender Luftraum oder ein nicht zur Erstarrung vorgesehener Höhenbereich von
Speichermedium 30 vorgesehen sein, damit sich das Speichermedium 30 beim Erstarren problemlos ausdehnen kann. Denkbar ist auch, die Dichte der
Wärmeübertrager 100W zu erhöhen und eine Ebene 1 10 mit mehr als einer Lage des Wärmeübertragers 100W zu belegen, etwa zu beiden Seiten der jeweiligen Ebene 1 10, oder auch zwei oder mehr Lagen pro Seite der Ebene 1 10. Die Wärmeübertrager 100W können als flache Spiralen in jeder dieser Lagen angeordnet sein, oder auch ineinander übergehend gewickelt sein, so dass für eine Doppellage oder Mehrfachlage von Wärmeübertragern 100W nur zwei Anschlüsse benötigt werden.
Das Gehäuse 12 kann mit einer oder mehreren Montagefugen geteilt und zerlegbar sein, um einzelne oder auch gleich mehrere Wärmeübertrager 100W in das Gehäuse 12 als vorgefertigte Einheiten einbauen zu können. Alternativ kann zum Einbau der vorgefertigten Wärmeübertrager 100W auch ein abnehmbarer Deckel 15 mit großer Fläche auf dem Gehäuse 12 vorgesehen sein, der ein Absenken der Wärmeübertrager 100W in das Gehäuse gestattet.
Die zweite Wärmetauscheranordnung 200 umgibt in diesem Ausführungsbeispiel die erste Wärmetauscheranordnung 100 in ihrem axial oberen Bereich koaxial und ist z.B. an oder nahe einer Innenseite 18 des Gehäuses 12 des Speichertanks 10 angeordnet. Die zweite Wärmetauscheranordnung 200 besteht aus axial beabstandeten Rohren oder Schläuchen, insbesondere Wellschläuchen, die als Wärmeübertrager 200W dienen und der Kontur der Innenseite 18 des Gehäuses 12 folgen. Günstig ist, ein Gefälle der Wärmeübertrager 200W zwischen Vorlauf 204 und Rücklauf 206 zweiten Wärmetauscheranordnung 200 vorzusehen, damit im Wärmeträgermedium 202 auskondensierende Flüssigkeit gesammelt und abgeführt werden kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel axial unterhalb der zweiten
Wärmetauscheranordnung 200 ist in einem unteren Bereich 21 des Speichertanks 10 ist die optionale dritte Wärmetauscheranordnung 300 angeordnet, welche ebenfalls die erste Wärmetauscheranordnung 100 konzentrisch mit als
Wärmeübertrager 300W dienenden gewundenen und axial beabstandeten
Schläuchen oder Rohren umgibt. Die mit Gas arbeitende
Wärmetauscheranordnung 200 des Speichertanks 10 weisen typischerweise nicht den gleichen Rohrdurchmesser oder die gleichen Abmessungen der jeweiligen Wärmeübertrager 200W auf wie die mit flüssigem Wärmeträgermedien 102, 302 betriebenen Wärmetauscheranordnungen 100, 300, sondern sind größer als diese. Typischerweise können die Wärmeübertrager 200W z.B. einen deutlich größeren Durchmesser als die Flüssigkeit führenden Wärmeübertrager 100W, 300W aufweisen.
Bei Gehäusen 12 mit kreisrundem Grundriss sind die Wärmeübertrager 300W vorzugsweise in Form einer oder mehrerer Rohrwindungen (mit Gefälle) ausgeführt, die nahe der Innenseite 18 des Gehäuses entlang als Schraubenkurve verlaufen, wie in der Figur 4 angedeutet. Bei Gehäusen mit eckigen Wänden ist die Anordnung der Wärmeübertrager 300W im Abstand zu einer Innenwand vorzugsweise so, dass die einzelnen Abschnitte der Wärmeübertrager 300W ein Gefälle in die gleiche Richtung aufweisen. Ein gleichmäßiges Gefälle stellt sicher, dass eine möglichst einfache Entlüftung des Wärmeübertragers 300W beim Befüllen mit dem dritten Wärmeträgermedium 302 gewährleistet ist.
Die zweite und dritte Wärmetauscheranordnung 200 und 300 ist jeweils
vorzugsweise in den spät oder gar nicht vereisenden bzw. erstarrenden Zonen des Speichermediums 30 im Speichertank 10 untergebracht, jedoch so, dass möglichst wenig zusätzlicher Platz dafür verbraucht wird. Damit ergibt sich ein sehr kompakter Speichertank 10. Grundsätzlich ist es denkbar (zeichnerisch nicht dargestellt), dass ein rundes oder zylindrisches Gehäuse 12 auch in einer Einbaulage mit liegender statt vertikaler Achse als Speichertank 10 verwendet wird, wobei die einzelnen
Wärmetauscheranordnungen 100, 200 und 300 dann entsprechend im Raum gedreht positioniert sind. Dies ist dann sinnvoll, wenn das Gehäuse 12 aus
Kunststoff und aus zwei halbzylinderähnlichen, größeren Grundformen besteht, die im zusammen montierten Zustand eine horizontale Teilungsfuge bilden, weil dann die leere obere Halbschale des Gehäuses 12 von oben auf die untere
Halbschale, die mit Wärmetauscheranordnungen 100, 200 und 300 schon vormontiert sein kann, mit einem Hebemittel herabgelassen und mit ihr zu einer Einheit zusammengefügt werden kann.
Das der zweiten Wärmetauscheranordnung 200 im Speichertank 10 als
Wärmeträgermedium 202 zugeführte Gas, beispielsweise Luft, gibt seine
Wärmeenergie an das Speichermedium 30, z.B. Wasser. Das Eis bildet sich als feste Phase 108 nach und nach als so genannte Eispelze in runder Form um die Wärmeübertrager 100W der ersten Wärmetauscheranordnung 100 in der flüssigen Phase 109 des Speichermediums 30 aus, wie in Figur 5 angedeutet ist.
Um vorübergehend eine höhere Regenerations- oder Entzugsleistung zu erreichen als bei gewöhnlicher Beschaltung, können die
Wärmetauscheranordnungen 100 und 300 zeitweilig durch Schaltmittel auch zu einer Einheit zusammengeschaltet werden, vorausgesetzt, dass sie das gleiche Wärmeträgermedium verwenden. Insbesondere, wenn der Speichertank restlos energetisch entleert ist und das Speichermedium 30 bereits deutlich über die Schmelztemperatur des Speichermediums 30 erwärmt wurde, könnte dadurch z.B. eine entnehmbare Kühlleistung gesteigert werden, um die restliche Kühle im Speichertanks 10 trotz geringer Temperaturspreizung noch gut ausnutzen zu können. Die in den Speichertank 10 eingebauten wärmeübertragenden Bauelemente der Wärmetauscheranordnungen 100, 200, 300 sind unterhalb eines Pegels 32 des Speichermediums 30 bzw. innerhalb des Speichermediums 30 angeordnet. Die unterschiedlichen Wärmetauscheranordnungen 100, 200, 300 wirken jeweils einzeln auf das Speichermedium 30, nicht jedoch unmittelbar von einer
Wärmetauscheranordnung 100, 200, 300 auf eine andere, sondern insofern nur mittelbar über das Speichermedium 30.
Durch die günstige Anordnung der Wärmetauscheranordnungen 100, 200, 300 wird weitgehend sichergestellt, dass das bei Entladung des Speichertanks 10 anwachsende Volumen des erstarrten Speichermediums 30 sich in seiner Gesamtheit möglichst innerhalb bestimmter maximaler räumlicher Grenzen befindet, die in der Figur 5 durch feste und flüssige Phasen 108 und 109 in etwa angedeutet sind. Bevorzugt befinden sich die zweite und die dritte
Wärmetauscheranordnung 200 und 300 in einem Raumbereich, der im
gewöhnlichen Betriebsfall von flüssigem Speichermedium 30 angefüllt ist. Die Gesamtmasse des erstarrten Speichermediums 30 wird somit
im normalen Betriebsfall soweit wie möglich von einem vor Ausdehnungsdruck schützenden Flüssigkeitsbereich 109 umgeben, zumindest im Außenwandbereich des Gehäuses 12 und unterhalb des Pegels 32. Selbstverständlich können die zweite und die dritte Wärmetauscheranordnung 200 und 300 nach Belieben auch anders im Speichertank 10 angeordnet sein.
Ferner kann eine Ebene 1 10 der ersten Wärmetauscheranordnung 100 auch direkt auf dem Boden des Speichertanks 10 montiert sein. Die flüssige Fluide als Wärmeträgermedium 302 führende (Neben-) Wärmetauscheranordnung 300 kann ebenso wie die gasbetriebenen Wärmtauscheranordnungen 200 zu bestimmten Jahres- oder Betriebszeiten zu Kühlzwecken verwendet werden. Falls z. B. das Kühlen mit Hilfe des entladenen oder teilentladenen Speichertanks 10 zeitweise im Vordergrund steht und die Kälte im Speichertank 10 dafür möglichst lange bewahrt werden soll, kann das Gehäuse 12 auch thermisch isoliert sein, z. B. durch das Anbringen einer Perimeterdämmung. Bei einem isolierten Gehäuse 12, in das Erdwärme kaum eindringt, ist es zweckmäßig, dass bei Energieentzug aus dem Speichertank 10 stets genügend Wärme über die Regenerations-Wärmetauscheranordnungen 200, 300 in den Speichertank 10 eingetragen wird, um eine übermäßige Eisbildung bzw. übermäßige Bildung von erstarrtem Speichermedium 30 zu verhindern.
Anschlussleitungen zu den Wärmetauscheranordnungen 100, 200, 300 können an sich an beliebiger Stelle durch den Speichertank 10 geführt sein. Diese werden zweckmäßigerweise so geführt, dass sich ein möglichst geringer Wärme- bzw. Energieverlust ergibt und keine thermischen Kurzschlüsse zwischen benachbarten Systemkomponenten auftreten, was sich z.B. durch entsprechende Abstände oder Isolierungen erreichen lässt.
Die Figuren 6a und 6b zeigen beispielhaft eine Draufsicht auf eine Ebene 1 10 einer ersten Wärmetauscheranordnung 100 eines Speichertanks 10 entsprechend der Figuren 4 und 5, mit unterschiedlichen Anordnungen einer diese koaxial umgebende zweiten Wärmetauscheranordnung 200, die mit dem
Wärmeträgermedium 202 betrieben ist. Die Wärmeübertrager 200W der zweiten Wärmetauscheranordnung 200 sind wie die der ersten Wärmetauscheranordnung 100 in axialen beabstandeten Ebenen angeordnet.
Jeder Wärmeübertrager 200W der zweiten Wärmetauscheranordnung 200 in Fig. 6a hat hier knapp eine Windung, bezogen auf den inneren Umfang des Gehäuses 12. Einzelne oder alle Wärmeübertrager 200W können aber auch mehr als eine Windung aufweisen (z.B. 2 Windungen oder 2,5 Windungen) oder einen Bruchteil von einer Windung (z.B. 0,5 Windungen). Allgemein können bei nicht kreisrunden Gehäuseformen die Windungsverhältnisse der zweiten Wärmetauscheranordnung 200 auf den Umfang der Gehäuse analog angewandt werden, z.B. wenn diese einen Rechteck-, quadratischen oder polygonartigen Grundriss haben. Die Wärmeübertrager 200W sind zum einfachen Transport und zur einfachen Verarbeitung bevorzugt flexibel (z. B. flexible
Wellrohre oder Wellschläuche), welche dementsprechend an die jeweilige Form eines Gehäuses 12 angepasst verlegt werden können. Eine günstige
Windungslänge eines Wärmeübertragers W200 einer zweiten
Wärmetauscheranordnung 200 zwischen zwei als Vorlauf 204 und Rücklauf 206 dienenden Anschlussrohren beträgt weniger als einen Innenumfang des
Gehäuses 12, wenn die Wärmeübertrager 200W nahe der vertikalen
Gehäusewand entlang verlegt werden.
Der Wärmeübertrager 100W auf dieser Ebene 1 10 ist in Spiralform auf einem z.B. speichenradähnlichen Montagegestell angeordnet, die sich um inneren Bereich des Gehäuses 12 befindet. Anschlüsse 107 für Vorlauf 104 und Rücklauf 106 sind am Außenrand der Ebene 1 10 angeordnet.
Nahe der Innenseite 18 des Gehäuses 12 ist zwischen dem Gehäuse 12 und der ersten Wärmetauscheranordnung 100 die zweite Wärmetauscheranordnung 200 mit rohr- oder schlauchförmigen Wärmeübertragern 200W angeordnet, von denen in Draufsicht ein Wärmeübertrager 200W in einer Ebene 1 10 zu sehen ist, bzw. ein oder mehrere einzelne Leitungsabschnitte 221 zu sehen sind. Halterungen und andere Details sind in der Darstellung der Übersichtlichkeit wegen weggelassen.
Die einzelnen Wärmeübertrager 200W bzw. ihre Leitungsabschnitte 221 stoßen jeweils in die als vertikale Anschlussrohre ausgebildeten Vorlauf 204 und Rücklauf 206, die nebeneinander im Speichertank 10 angeordnet sind und größere
Durchmesser als der Wärmeübertrager 200W der zweiten Wärmetauscheranordnung 200 aufweisen. Die Wärmeübertrager W200 stoßen in jeder Ebene in Vorlauf 204 und Rücklauf 206. Zu- und Abluft werden nach oben in weiterführende Leitungen bzw. ins Freie geführt. Der Strömungsweg des
Wärmeträgermediums 202 in einer Ebene entspricht nahezu einem Innenumfang des Gehäuses 12, so dass zwischen Vorlauf 204 und Rücklauf 206 eine relativ große Temperaturspreizung auftreten kann. Der Verteiler 210 verteilt den Vorlauf 204 des Wärmeträgermediums 202 in einzelne Wärmeübertrager 200W und der Sammler 21 1 führt die Einzelströmungen 34 wieder zusammen in den Rücklauf 206.
Figur 6b zeigt eine Variante, bei der Vorlauf 204 und Rücklauf 206 sich im
Speichertank 10 diametral gegenüberliegen. Der Strömungsweg des
Wärmeträgermediums 202 entspricht nahezu einem halben Innenumfang des Gehäuses 12, wobei die Strömungsrichtung auf jedem halben Innenumfang gleichgerichtet ist, so dass zwischen Vorlauf 204 und Rücklauf 206 ein geringerer Gesamtströmungswiderstand auftritt als in der Ausgestaltung in Figur 6a, was z.B. die benötigte Förderenergie für das Wärmeträgermedium 202 reduziert. Die zweite Wärmetauscheranordnung 200 kann nahezu beliebige alternative
Ausgestaltungen haben, wobei eine große Gestaltungsfreiheit herrscht. Die Anschlussrohre können eng benachbart sein, mit mehr oder weniger großem Abstand am Innenumfang des Gehäuses beabstandet sein, sich diametral gegenüberliegen und dergleichen mehr. Die konkreten Ausgestaltungen können z.B. entsprechend eines gewünschten Strömungswiderstands in der zweiten Wärmetauscheranordnung 200 und dergleichen ausgewählt und für verschiedene Einsatzzwecke optimiert werden.
Die Wärmeübertrager 200W sind bevorzugt mit Wellrohren oder Wellschläuchen ausgeführt, z.B. aus PE. Die Anordnung kann mit einer oder mehreren Windungen der Wärmeübertrager 200W nahe der Gehäusewand entlang verlaufen, z. B. mit nur einer Windung wie dargestellt. Ihre Auftriebskraft im flüssigen Speichermedium 30 kann durch eine Befestigung abgefangen werden. Die
Strömungsrichtung 34 des Wärmeträgermediums 202 ist durch Pfeile angezeigt und verläuft bevorzugt in Richtung eines Sammelbereichs für Kondensat 218, der sich bevorzugt im als Sammelrohr dienenden Rücklauf 206 unten befindet. In einem solchen Sammelbereich oder Pumpensumpf 218 kann das anfallende Kondensat, zumeist Kondenswasser, dann mittels einer Pumpe abgezogen werden. Das Kondensat kann bei Bedarf, d. h. bei hohem Kondensatpegel, mit Hilfe einer Pegelmesseinrichtung in Verbindung mit einer Schalteinrichtung zum Ein- und Ausschalten einer vorzugsweise elektrisch betriebenen Pumpe (nicht dargestellt) automatisch nach außen abgepumpt werden. Die Pumpe kann z.B. mit einer nach außen gelegten Druckleitung in den Sammelbereich 218 integriert oder außerhalb des Sammelbereichs 218 mit einer in den Sammelbereich 218 geführten Saugleitung angeordnet sein. Die Wärmeübertrager 200W und andere Teile der zweiten Wärmetauscheranordnung 200 sind z.B. (direkt) an der
Gehäusewand des Speichertanks 10 befestigt, wie in Figur 4 dargestellt, beispielsweise mit Hilfe von Befestigungsschienen, welche Klemmvorrichtungen für den Rohrdurchmesser der Wärmeübertrager 200W aufweisen oder können beispielsweise an der Außenseite einer innen im Speichertank 10 befindlichen Gestellkonstruktion befestigt sein.
Figur 7 zeigt einen vorteilhaften Kollektor 80, der als Versorgungseinrichtung bzw. Wärmequelle 80 insbesondere der dritten Wärmetauscheranordnung 300 dienen kann. Der Kollektor 80 weist eine Grundfläche auf, die Wärme aus der Umgebung und aus Sonneneinstrahlung aufnimmt. Der Kollektor 80 kann eine oder mehrere Ebenen 80a, 80b umfassen. Im Beispiel sind zwei übereinander angeordnete Ebenen 80a, 80b gezeigt, bei denen die Leitungen 82a in einer der Ebenen 80a jeweils versetzt zu den Leitungen 80b der anderen Ebene 80b angeordnet sind. Stirnseitig ist auf jeder Seite ein Verteilerbereich 86 angeordnet, wobei sich die Leitungen 82a, 82b zwischen den Verteilerbereichen 86 erstrecken. Ein Medium, das in den Leitungen 82a bzw. 82b fließt, gelangt über den jeweiligen Verteilerbereich 86 in die benachbarten Leitungen 82a bzw. 82b derselben Ebene 80a bzw. 80b.
Zwischen den äußeren Verteilerbereichen 86a, 86b ist mittig ein weiterer
Verteilerbereich 84a, 84b angeordnet. Im mittigen Verteilerbereich 84a, 84b sind beispielsweise symmetrisch zur Mitte zwei Bohrungen 88 angeordnet, die zur Befestigung des Kollektors 80 dienen. Durch die fast zentrische Befestigung des Kollektors 80 auf einem Untergrund, beispielsweise auf einem Dachrahmen, kann eine Längenänderung der Leitungen 82a, 82b in praktisch alle Richtungen kompensiert werden. Der Kollektor 80 benötigt keine weiteren Befestigungspunkte und ist quasi schwimmend gelagert.
Der Kollektor 80 ist ein offenes System, d.h. die vorzugsweise als Kunststoffrohre oder Kunststoffschläuche ausgebildeten Leitungen 82a, 82b des Kollektors 80 sind unmittelbar der Umgebung ausgesetzt. Ist der Kollektor 80 an die dritte Wärmetauscheranordnung 300 angekoppelt, kann das (flüssige)
Wärmeträgermedium 302 durch die Leitungen 82a, 82b fließen und Wärme aus der Luft oder aus Sonneneinstrahlung aufnehmen. Diese Wärme kann z.B. mittels einer Umwälzpumpe dem Speichertank 10 (Fig. 1 ) zugeführt werden. Bei dem Kollektor 80 handelt sich um einen Absorber, der Sonnenlicht in Wärme umwandelt. Darüber hinaus wird auch ohne Sonneneinstrahlung Wärme der Luft aufgenommen, da der Kollektor 80 durch die Kopplung an den Speichertank 10 über lange Zeiträume mit einem Medium (Wärmeträgermedium 302) kälter als die Umgebungsluft durchströmt wird. Die Konstruktion kann komplett aus Kunststoff hergestellt sein und preiswert beispielsweise im Rotationsgussverfahren gefertigt werden. Der Kollektor 80 kann z.B. mit einem Wasser/Glykol-Gemisch als
Wärmeträgermedium betrieben werden, das zwischen Kollektor 80 und
Wärmetauscheranordnung 300 im Speichertank 10 zirkuliert. Die Umwälzpumpe wird bevorzugt betrieben, wenn im Winter die Temperatur des Speichertanks 10 niedriger ist als die Temperatur im Kollektor 80, welche in etwa der Außentemperatur entspricht. Soll im Sommer gekühlt werden, wird gegen Ende der Heizperiode die Regeneration unterbunden, um ein ungewolltes Abtauen des Speichermediums (z.B. Eis) zu vermeiden.
Einen besonderen Vorteil bei der Kombination des Kollektors 80 mit dem
Speichertank 10 bzw. Speichertankeinrichtung 600, insbesondere in Form eines Eisspeichers, stellt die lange Laufzeit der Regeneration des Speichrmediums 30 (Figur 1 ) dar. Selbst wenn die Wärmepumpe 60 (Figur 1 ) während der
Übergangszeit nur wenige Stunden pro Tag in Betrieb ist und dem Speichertank 10 Wärme entzieht, kann der Kollektor 80 über 24 Stunden am Tag die Wärme der Umgebung in den Speichertank 10 einspeisen. Diese lange Laufzeit (selbst bei "Nacht und Nebel") ergibt in der Summe eine extrem hohe Energiedichte, die deutlich höher liegt als die der besten zurzeit auf dem Markt befindlichen
Vakuumröhrenkollektoren.
Figur 8 zeigt in einer Schnittansicht durch den Kollektor 80 den Querschnitt der Leitungen 82a, 82b, welche einen ovalen Querschnitt aufweisen, wobei eine Hochachse H82a des Querschnitts größer ist als eine Querachse Q82a (nur ein Querschnitt der oberen Kollektorebene 80a ist mit Bezugszeichen bezeichnet). Durch die elliptische Form der Leitungen 82a, 82b wird deren Oberfläche maximiert, was vorteilhaft für die Leistungsfähigkeit des Kollektors 80 ist, da eine hohe Dichte von Kollektorleitungen 82a, 82b in der Grundfläche des Kollektors 80 untergebracht werden kann. Entsprechend der Zahl der Ebenen 80a, 80b kann die wirksame Kollektoroberfläche bei gleichbleibender Grundfläche vergrößert werden. Die Leitungen 82a, 82b der einzelnen Ebenen 80a, 80b können je nach Anwendungsfall direkt hintereinander oder versetzt zueinander angebracht werden, was ein Durchscheinen der Sonne auf die untere Ebene 80b ermöglicht. Durch diese Anordnung kann sich ein zylindrischer Eispanzer um die Leitungen 82a, 82b bilden, der bis zu einem gewissen Ausmaß den nächsten Eispanzer nicht berührt. Wie bei der Speichertankeinrichtung 600 wird dadurch, selbst bei Eisbildung, ein Rückgang der Entzugsleistung vermieden.
Der Kollektor 80 kann mittels eines Ventils (nicht dargestellt) auch durch die Wärmepumpe direkt angefahren werden, was bis zu einer Außentemperatur von ca. 0°C eine ausreichende Entzugsleistung für die Wärmepumpe 60 (Figur 1 ) liefert und den Speichertank 10 somit entlastet. Die Energie des Speichertanks 10 kann dadurch für kältere Temperaturen„aufgehoben" werden.
Vorteilhaft kann gemäß der Erfindung ein Speichertank 10 und ein
Energiespeichersystem 500 geschaffen werden, mit dem Energie insbesondere aus Luftwärmequellen beliebiger Herkunft mit nur geringer Umwälzenergie in einen ansonsten z.B. solebetriebenen Latentspeicher eingebracht werden kann, um eine weitgehende Nutzung von kostengünstiger Energie mit relativ einfachen Mitteln zu ermöglichen.

Claims

Ansprüche
1 . Speichertankeinrichtung (600) für ein Energiespeichersystem (500),
umfassend wenigstens einen Speichertank (10) mit einem Gehäuse (12), enthaltend ein Speichermedium (30) und wenigstens eine erste
Wärmetauscheranordnung (100) in Kontakt mit dem Speichermedium (30), wobei das Speichermedium (30) einen Phasenübergang mit Latentwärme aufweist, wobei die wenigstens erste Wärmetauscheranordnung (100) ein erstes Wärmeträgermedium (102) aufweist und innerhalb des Gehäuses (12) eine zweite Wärmetauscheranordnung (200) mit einem zweiten
Wärmeträgermedium (202) und wenigstens eine dritte
Wärmetauscheranordnung (300) mit einem dritten Wärmeträgermedium (302) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite
Wärmetauscheranordnung (200) und die dritte Wärmetauscheranordnung (300) wenigstens bereichsweise die erste Wärmetauscheranordnung (100) umgeben.
2. Speichertankeinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass.
die zweite Wärmetauscheranordnung (200) wenigstens bereichsweise innerhalb der ersten Wärmetauscheranordnung (100) angeordnet ist.
3. Speichertankeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmetauscheranordnung (100) axial übereinander angeordnete Ebenen (1 10) umfasst, vorzugsweise mit spiralförmig
angeordneten Wärmetauscherrohren (100W).
4. Speichertankeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Wärmeträgermedium (102) Luft ist, insbesondere Umgebungsluft und/oder Abwasserkanalabluft und/oder Gebäudeabluft, besonders bevorzugt feuchtebeladene Luft.
5. Speichertankeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmetauscheranordnung (200) eine Auffangvorrichtung (218) für Kondensat aufweist.
6. Speichertankeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass in einem Vorlauf (204) der zweiten
Wärmetauscheranordnung (200) eine Fördereinrichtung (210) vorgesehen ist.
7. Speichertankeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) zum Einbau ins Erdreich (50) vorgesehen ist, wobei vorzugsweise wenigstens zeitweise ein
Wärmeaustausch zwischen dem Gehäuse (12) und dem Erdreich (50) zugelassen ist.
8. Speichertankeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch eine Ausgestaltung als mit wenigstens einer
Wärmetauscheranordnung (100, 200, 300) vorkonfektionierter transportabler Speichertank (10).
9. Energiespeichersystem (500) mit einer Speichertankeinrichtung (600) umfassend wenigstens einen Speichertank (10), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine erste Wärmetauscheranordnung (100) des Speichertanks (10) mit einem ersten Wärmeträgermedienkreislauf mit einer Wärmepumpeneinheit (60) und wenigstens eine zweite
Wärmetauscheranordnung (200) des Speichertanks (10) mit einem zweiten Wärmeträgermedienkreislauf mit einer Wärmequelle (70) mit einem
gasförmigen Wärmeträgermedium (202) gekoppelt oder koppelbar ist, wobei wenigstens eine dritte Wärmetauscheranordnung (300) mit einem dritten Wärmeträgermedienkreislauf angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeträgermedienkreisläufe der Wärmetauscheranordnungen (100, 200, 300) strömungsmäßig voneinander entkoppelt sind.
10. Energiespeichersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eines der Wärmeträgermedien (202) gasförmig und wenigstens eines der Wärmeträgermedien (102, 302) flüssig ist.
1 1 . Energiespeichersystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Wärmetauscheranordnung (300) mit einem zur Umgebung offenen Kollektor (80) gekoppelt oder koppelbar ist.
12. Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass der Kollektor (80) Leitungen (82a, 82b) mit ovalem Querschnitt aufweist.
13. Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmetauscheranordnung (100) zumindest überwiegend zur Wärmeentnahme aus dem Speichertank (10) vorgesehen und mit einer Wärmepumpeneinrichtung (60) gekoppelt ist, dass die zweite Wärmetauscheranordnung (200) und die dritte Wärmetauscheranordnung (300) zumindest überwiegend zur Wärmezufuhr in den Speichertank (10) vorgesehen sind und die zweite Wärmetauscheranordnung (200) mit einer Versorgungseinrichtung (70) und die dritte Wärmetauscheranordnung (300) mit einer Wärmequelle (80) koppelbar sind.
14. Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, dass das zweite Wärmeträgermedium (102) Luft ist, insbesondere Umgebungsluft und/oder Abwasserkanalabluft und/oder Gebäudeabluft, besonders bevorzugt feuchtebeladene Luft.
15. Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, dass die zweite Wärmetauscheranordnung (200) mit einem Abwasserkanal (72) über eine Ringleitung (74) gekoppelt ist, wobei Abluft des Abwasserkanals (72) durch die zweite Wärmetauscheranordnung (200) führbar und in den Abwasserkanal (72) zurückleitbar ist.
16. Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichersystems (500) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei das Energiespeichersystem (500) eine
Speichertankeinrichtung (600) umfasst mit wenigstens einem Speichertank (10) mit einem Gehäuse (12), enthaltend ein Speichermedium (30) und wenigstens eine erste Wärmetauscheranordnung (100) in Kontakt mit dem Speichermedium (30), wobei das Speichermedium (30) einen
Phasenübergang mit Latentwärme aufweist, wobei die wenigstens erste Wärmetauscheranordnung (100) ein erstes Wärmeträgermedium (102) aufweist und innerhalb des Gehäuses (12) eine zweite
Wärmetauscheranordnung (200) mit einem zweiten Wärmeträgermedium (202) und wenigstens eine dritte Wärmetauscheranordnung (300) mit einem dritten Wärmeträgermedium (302) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Entzugsperiode Wärmeenergie über die erste
Wärmetauscheranordnung (100) aus den Speichertank (10) entnommen und Wärmeenergie über die zweite und/oder dritte Wärmetauscheranordnung (200, 300) zugeführt wird, so dass zeitweise niederkalorische Wärme zugeführt wird, wobei die Effizienz der Speichertankeinrichtung mit
Fortschreiten der Entzugsperiode und sinkender Temperatur des
Speichermediums (30) ansteigt.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmetauscheranordnung (200) mit einem gasförmigen Wärmeträgermedium (202) betrieben wird und die dritte Wärmetauscheranordnung (300) mit einem flüssigen Wärmeträgermedium (302) betrieben wird.
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