DE102019116525A1 - Thermal buffer storage, process for its manufacture and process for its operation - Google Patents
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Abstract
Um einen Pufferspeicher (1) insbesondere als Schicht-Pufferspeicher für ein Niedrigenergiehaus oder Nullenergiehaus effizient betreiben zu können, werden Optimierungen durchgeführt, indem- die Schichtplatten durch Platten (5) aus Metallschaum ersetzt werden, die gleichzeitig als Heizelemente (5) dienen und mittels photovoltaisch erzeugtem Strom das Speicher-Fluid (100) im Pufferspeicher (1) aufheizen, gleichzeitig die vertikale Strömung begrenzen,- elektrische Zuheizer (14) außerhalb des Pufferspeichers an Zulauf- oder Ablaufleitung (9a, b) für das Brauchwasser vorgesehen sind, insbesondere in der Form als induktives elektrisches Heizelement (14),- zur Verbesserung der Wärmehaltefähigkeit optional ein Latent-Wärmespeicher-Material (15) im Inneren des Pufferspeichers (1) angeordnet wird.In order to be able to efficiently operate a buffer storage (1), in particular as a layer buffer storage for a low-energy house or zero-energy house, optimizations are carried out by replacing the layered panels with panels (5) made of metal foam, which also serve as heating elements (5) and are photovoltaic generated electricity heat the storage fluid (100) in the buffer storage (1), at the same time limit the vertical flow, - electrical auxiliary heater (14) outside the buffer storage on the inlet or outlet line (9a, b) are provided for the domestic water, especially in the Form as an inductive electrical heating element (14), - to improve the heat retention capacity, a latent heat storage material (15) is optionally arranged in the interior of the buffer store (1).
Description
Anwendungsgebietfield of use
Thermische Pufferspeicher werden zur Versorgung von Wohnräumen mit Heizwärme und Warmwasser eingesetzt, indem deren Speicher-Fluid von unterschiedlichen angeschlossenen Energiequellen aus aufgeheizt werden kann und unterschiedliche Wärmeverbraucher wie Heizung oder Warmwasser-Verbraucher mit unterschiedlichen Temperaturniveaus mit Wärme versorgt.Thermal buffer storage tanks are used to supply living spaces with heating and hot water, as their storage fluid can be heated from different connected energy sources and supplies different heat consumers such as heating or hot water consumers with different temperature levels with heat.
Technischer HintergrundTechnical background
Um Speicher-Fluid mit einem möglichst hohen Temperatur-Niveau innerhalb des Puffer-Speichers zur Verfügung zu haben, wird dieser meist als Schicht-Pufferspeicher ausgebildet, indem unterschiedlichen Temperaturniveaus entsprechend auf unterschiedlichen Höhen Zulauföffnungen und Ablauföffnungen vorgesehen werden mit dem Ziel, eine Temperaturschichtung im Pufferspeicher zu erzeugen, und diese bei Zufuhr und Entnahme von Speicher-Fluid möglichst gut aufrecht zu erhalten.In order to have storage fluid with the highest possible temperature level available within the buffer storage, this is usually designed as a stratified buffer storage by providing inlet openings and drainage openings corresponding to different temperature levels at different heights with the aim of temperature stratification in the buffer storage to generate, and to maintain this as well as possible when supplying and removing storage fluid.
Zu diesem Zweck sind in solchen Schicht-Pufferspeichern unter anderem sogenannte Schicht-Platten horizontal über den freien Querschnitt des Speicherraumes eingebaut, die Durchlässe von definierter, begrenzter Anzahl und Größe aufweisen, um vertikale Strömungen im Speicherraum zu steuern und zu begrenzen und die Temperatur-Schichtung möglichst gut aufrechtzuerhalten.For this purpose, so-called layered plates are installed horizontally across the free cross-section of the storage space in such layered buffer storage tanks, which have passages of a defined, limited number and size in order to control and limit vertical flows in the storage space and the temperature stratification as best as possible.
Solche Pufferspeicher wurden bisher regenerativ u.a. beispielsweise mittels eines von einem thermischen Sonnen-Kollektor aufgeheizten Wärmeträger-Fluids aufgeheizt.Up to now, such buffer storage has been regenerative, among others. heated for example by means of a heat transfer fluid heated by a thermal solar collector.
Neuere Niedrigenergie-Häuser oder Null-Energie-Häuser verzichten aus Kostengründen und wegen des baulichen Aufwandes häufig auf einen thermischen Sonnen-Kollektor, besitzen jedoch eine Fotovoltaik-Anlage, deren Strom von den Bewohnern vorzugsweise direkt verbraucht wird - gegebenenfalls nach Zwischenspeicherung in einer eigenen Puffer-Batterie - aber bei Überschuss-Strom und gefüllter Puffer-Batterie anderweitig verwertet werden muss.Newer low-energy houses or zero-energy houses often do without a thermal solar collector for cost reasons and because of the structural effort, but have a photovoltaic system, the electricity of which is preferably consumed by the residents - if necessary after intermediate storage in a separate buffer -Battery - but if there is excess electricity and the buffer battery is full, it must be used for other purposes.
Neben der wirtschaftlich wenig interessanten Einspeisung ins öffentliche Stromnetz bietet sich dabei das Aufheizen des thermischen Pufferspeichers mittels Überschuss-Strom an.In addition to feeding into the public power grid, which is of little economic interest, it is also possible to heat the thermal buffer storage tank using excess electricity.
Unter anderem für diesen Zweck sind elektrische Heizelemente, so genannte Heizpatronen oder Heizschwerter, bekannt, die von außen in den Speicherraum des thermischen Pufferspeichers hineinragen für dessen Aufheizung.For this purpose, among other things, electrical heating elements, so-called heating cartridges or heating blades, are known, which protrude from the outside into the storage space of the thermal buffer storage unit for its heating.
Allerdings sind diese elektrischen Heizelemente meist als einfache Widerstands-Heizung mit einem etwa fingerdicken, höchstens wenige Male gewendelten, elektrischen Leiter ausgestattet und besitzen nur eine geringe Oberfläche.However, these electrical heating elements are usually equipped as a simple resistance heater with an electrical conductor approximately as thick as a finger, coiled at most a few times, and have only a small surface area.
Deshalb ist zum einen gerade bei niedrigen anliegenden Stromstärken die Heizleistung gering, zum anderen wird der Wärmewert des dadurch aufgeheizten Wassers - welches in aller Regel als Speicher-Fluid verwendet wird - hierdurch nicht positiv beeinflusst, und damit auch nicht die Haltezeit, über die das Speicher-Fluid - trotz vorhandener thermischer Isolierung der Hülle des Pufferspeichers - die gespeicherte Wärme halten kann.For this reason, on the one hand, the heating output is low, especially with low currents, and on the other hand, the heat value of the water heated as a result - which is usually used as storage fluid - is not positively influenced by this, and thus also not the holding time for which the storage is -Fluid - despite the existing thermal insulation of the shell of the buffer storage tank - can hold the stored heat.
Weiterhin kann der Fall auftreten, dass bei relativ geringem Temperaturniveau im Pufferspeicher die Aufheizung benötigten Brauchwassers, z.B. für das Duschen - die in aller Regel im Pufferspeicher mittels eines dortigen Wärmetauschers erfolgt - nicht schnell genug entsprechend dem gewünschten Durchsatz der Dusche erfolgen kann und eine elektrische Zusatzheizung erfordert, die das Brauchwasser, am besten stromabwärts des Pufferspeichers, auf Soll-Temperatur aufheizt.Furthermore, the case can arise that at a relatively low temperature level in the buffer storage, the required domestic water, e.g. for showering - which usually takes place in the buffer tank by means of a heat exchanger there - cannot take place quickly enough according to the desired throughput of the shower and requires additional electrical heating, which heats the domestic water, preferably downstream of the buffer tank, to the set temperature.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Technische AufgabeTechnical task
Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, einen thermischen Pufferspeicher, insbesondere auch für die Betriebsform eines Schicht-Pufferspeichers, zur Verfügung zu stellen, der einfach und kostengünstig aufgebaut ist und leicht zu optimieren ist, sowie im Betrieb eine hohe Effizienz gewährleistet.It is therefore the object of the invention to provide a thermal buffer store, in particular also for the operating mode of a stratified buffer store, which is simple and inexpensive and easy to optimize, as well as ensuring high efficiency in operation.
Lösung der AufgabeSolution of the task
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 12 und 16 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved by the features of
Hinsichtlich des Pufferspeichers wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das im Speicherraum des Pufferspeichers angeordnete elektrische Heizelement ein Verhältnis von Oberfläche zu Volumen von mindestens 100 m2/m3, besser mindestens 400 m2/m3, besser mindestens 800 m2/m3, aufweist.With regard to the buffer storage, this object is achieved in that the electrical heating element arranged in the storage space of the buffer storage has a surface-to-volume ratio of at least 100 m 2 / m 3 , better at least 400 m 2 / m 3 , better at least 800 m 2 / m 3 , having.
Durch die große Kontaktfläche zum umgebenden Speicherfluid im Vergleich zur Masse und damit auch dem Raumbedarf des Heizelementes ist eine schnelle Aufheizung des Speicher-Fluids auch bei niedrigen an die elektrisch leitenden Teile des Heizelements angelegten Stromstärken, wie sie typischerweise von einer Photovoltaikanlage geliefert werden, zur Verfügung gestellt werden, gegeben. Zu diesem Zweck besteht das Heizelement zumindest teilweise aus Metall, vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium, da dies günstige und eine hohe elektrische Leitfähigkeit sowie thermische Leitfähigkeit aufweisende, kostengünstige Materialien sind.Due to the large contact area with the surrounding storage fluid compared to the ground and thus also the space required by the heating element, rapid heating of the storage fluid is possible even at low currents applied to the electrically conductive parts of the heating element, as is typically provided by a photovoltaic system will be made available. For this purpose, the heating element consists at least partially of metal, preferably of copper or aluminum, since these are inexpensive materials that have high electrical conductivity and thermal conductivity.
Das elektrische Heizelement besitzt dabei vorzugsweise eine offenporige Struktur, wobei es insbesondere ein offenporiger Schaum, insbesondere ein Metallschaum, sein kann. Bevorzugt beträgt die Porenanzahl mindestens
Insbesondere dadurch kann auch der Druckverlust, der bei einer Durchströmung eines solchen, insbesondere offenporigen, Heizelementes eintritt, in Grenzen gehalten werden. Vorzugsweise soll der Druckverlust bei Durchströmung des Heizelementes bei einem Druck von 1,0 - 4,5 bar Überdruck, und insbesondere bei Durchströmung mittels des Speicher-Fluids wie etwa Wasser, über eine Strömungsstrecke von 5 cm unter 20 % liegen.In particular, this also makes it possible to keep the pressure loss that occurs when there is a flow through such an, in particular open-pored, heating element. The pressure loss when flowing through the heating element should preferably be below 20% at a pressure of 1.0-4.5 bar overpressure, and especially when flowing through the storage fluid such as water over a flow path of 5 cm.
Die Dimensionierungsparameter des Heizelementes sowie das Speicher-Fluid sollen vorzugsweise so gewählt werden, dass der Wärmeleitwert des Heizelementes, dessen Hohlräume oder Zwischenräume mit dem Speicher-Fluid gefüllt sind, mindestens 1,0 W/mK, besser mindestens 2,0 W/mK, besser mindestens 3,0 W/mK, beträgt. Dadurch wird eine schnelle Aufheizung des Speicher-Fluids sichergestellt, wenn Strom an das elektrische Heizelement angelegt wird.The dimensioning parameters of the heating element and the storage fluid should preferably be chosen so that the thermal conductivity of the heating element, the cavities or spaces of which are filled with the storage fluid, is at least 1.0 W / mK, better still at least 2.0 W / mK, better at least 3.0 W / mK. This ensures rapid heating of the storage fluid when power is applied to the electrical heating element.
Falls die offenporige Struktur ein offenporiger Schaum ist, besteht dieser vorzugsweise aus einem Kunststoff, besondere Polyurethan, der mit einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Metall, insbesondere Kupfer, beschichtet ist oder bei dem der offenporige Schaum aus einem Kunststoff besteht, der selbst elektrisch leitend ist. Bei einer Beschichtung mit elektrisch leitfähigem Material hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass dessen Schichtdicke maximal 2,5 mm, besser maximal 2,0 mm besser maximal 1,0 mm beträgt und/oder minimal 200 µm, besser minimal 400 µm besser minimal 800 µm beträgt., insbesondere bei einem Schaum mit
Insbesondere wird das nicht leitende Material, insbesondere Kunststoff, nach dem Beschichten und vor dem Einsatz des offenporigen Schaumes entfernt, insbesondere durch Ausbrennen.If the open-pore structure is an open-pore foam, this preferably consists of a plastic, especially polyurethane, which is coated with an electrically conductive material, in particular metal, in particular copper, or in which the open-pored foam consists of a plastic that is itself electrically conductive . In the case of a coating with an electrically conductive material, it has proven to be advantageous that its layer thickness is a maximum of 2.5 mm, better a maximum of 2.0 mm, better a maximum of 1.0 mm and / or a minimum of 200 μm, better a minimum of 400 μm, better a minimum of 800 µm, especially in the case of a foam with
In particular, the non-conductive material, in particular plastic, is removed after the coating and before the use of the open-pored foam, in particular by burning out.
Dies stellt offenbar den richtigen Kompromiss zwischen Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität des elektrischen Heizelementes dar.This obviously represents the right compromise between thermal conductivity and thermal capacity of the electrical heating element.
Die offenporige Struktur kann auch aus einem verklebten oder gesinterten Metallpulver mit Hohlräumen zwischen den einzelnen Körnern des Pulvers bestehen.The open-pore structure can also consist of a bonded or sintered metal powder with cavities between the individual grains of the powder.
Die offenporige Struktur kann auch aus einem definiert hergestellten Gitterwerk bestehen, welches insbesondere mittels eines iterativen Verfahrens hergestellt werden kann, bei dem die für den jeweiligen Anwendungsfall optimalen Dimensionierungsparameter der offenporigen Struktur erzielt werden können.The open-pore structure can also consist of a lattice structure produced in a defined manner, which can be produced in particular by means of an iterative process in which the optimal dimensioning parameters of the open-pore structure for the respective application can be achieved.
Um die offenporige Struktur des elektrischen Heizelementes aufzuheizen, sind in die offenporige Struktur vorzugsweise elektrische Heizdrähte eingelegt, die insbesondere eine Dicke von mindestens 0,5 mm Durchmesser aufweisen sollten, und die mit dem elektrisch leitfähigen Material der offenporigen Struktur elektrisch leitend verbunden sind und/oder thermisch leitend verbunden sind.In order to heat the open-pore structure of the electrical heating element, electrical heating wires are preferably inserted into the open-pore structure, which should in particular have a thickness of at least 0.5 mm in diameter, and which are electrically conductively connected to the electrically conductive material of the open-pore structure and / or are thermally connected.
Durch eine elektrisch leitfähige Verbindung kann ein Stromfluss von den elektrischen Heizdrähten in die metallische Beschichtung hinein und dadurch deren Erwärmung durch den elektrischen Widerstand bewirkt werden.By means of an electrically conductive connection, a current can flow from the electrical heating wires into the metallic coating and, as a result, it can be heated by the electrical resistance.
Sollte der Stromfluss jedoch vollständig oder primär durch die elektrischen Heizdrähte hindurch erfolgen und sich diese aufgrund ihres elektrischen Widerstandes erwärmen - was durch Wahl der Länge und des Querschnitts sowie des Materials der Heizdrähte in Relation zum eingeleiteten Strom und dessen Stromstärke erzielt werden kann - so werden die thermisch leitfähigen Anteile der offenporigen Struktur, insbesondere ebenfalls deren elektrisch leitfähige Beschichtungen, vollständig oder primär durch thermischen mittels der erwärmten Heizdrähte erwärmt. Um Kurzschlüsse zu vermeiden ist dann in aller Regel eine elektrische Isolierung zwischen den Heizdrähten und den elektrisch leitfähigen übrigen Teilen des Heizelementes, beispielsweise der elektrisch leitfähigen Beschichtung, vorhanden.However, should the current flow completely or primarily through the electrical heating wires and these heat up due to their electrical resistance - which can be achieved by choosing the length and cross section as well as the material of the heating wires in relation to the introduced current and its current strength - the thermally conductive parts of the open-pored structure, in particular likewise its electrically conductive coatings, completely or primarily heated by thermal means of the heated heating wires. In order to avoid short circuits, there is usually electrical insulation between the heating wires and the other electrically conductive parts of the heating element, for example the electrically conductive coating.
Eine andere Lösung besteht darin, an den elektrisch leitenden Teil der offenporigen Struktur, also insbesondere die elektrisch leitfähige Beschichtung, direkt Strom anzulegen, indem entsprechende Stromanschlüsse aufeinander gegenüberliegenden Seiten der offenporigen Struktur vorhanden sind, wobei möglichst große Kontaktflächen zwischen den Stromanschlüssen und dem elektrisch leitenden Teil der offenporigen Struktur notwendig sind.Another solution is to apply current directly to the electrically conductive part of the open-pored structure, i.e. in particular the electrically conductive coating, by having corresponding power connections on opposite sides of the open-pored structure, with the largest possible contact areas between the power connections and the electrically conductive part the open-pored structure are necessary.
Vor allem beim Anlegen von hohen Spannungen besteht die Gefahr, dass mittels Elektrolyse Wasserstoff entsteht. Um die damit verbundene Explosionsgefahr zu vermeiden, kann zur Neutralisierung des Wasserstoffgases ein Platin-Katalysator an der höchsten Stelle des Speichers eingesetzt werden, mittels dessen durch einen oxidativen chemischen Prozess der Wasserstoff sofort in Wasser umgewandelt wird.Particularly when high voltages are applied, there is a risk that hydrogen will be produced through electrolysis. In order to avoid the associated risk of explosion, a platinum catalyst can be used at the highest point of the storage tank to neutralize the hydrogen gas, by means of an oxidative chemical Process of converting hydrogen into water immediately.
Vorzugsweise ist jedes der elektrischen Heizelemente plattenförmig ausgebildet und erstreckt sich in etwa horizontaler Richtung im Speicherraum, und dabei über mindestens 80 %, besser mindestens 85 %, besser mindestens 90 %, besser mindestens 95 %, besser mindestens 98 % des freien inneren horizontalen Querschnittes des Speicherraumes an der Stelle des plattenförmigen Heizelementes.Preferably, each of the electrical heating elements is plate-shaped and extends in an approximately horizontal direction in the storage space, and over at least 80%, better at least 85%, better at least 90%, better at least 95%, better at least 98% of the free inner horizontal cross-section of the Storage space at the location of the plate-shaped heating element.
Das elektrische Heizelement ist vorzugsweise elektrisch isoliert gegenüber der Hülle des Speicherraumes befestigt, insbesondere wenn diese aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, um hier Stromfluss in die Hülle hinein zuverlässig zu vermeiden.The electrical heating element is preferably attached in an electrically insulated manner with respect to the shell of the storage space, in particular if it consists of an electrically conductive material, in order to reliably prevent current flow into the shell here.
Um die Wärmespeicherfähigkeit bei unverändertem Volumen zu optimieren, wird als Speicher-Fluid vorzugsweise stark oder vollständig demineralisiertes, beispielsweise destilliertes, Wasser, insbesondere Reinstwasser, verwendet, und/oder Wasser, dessen elektrische Leitfähigkeit δ unter 1,0 µS/m, besser unter 0,065 µS/m, insbesondere bei jeweils 25° C, liegt.In order to optimize the heat storage capacity with unchanged volume, the storage fluid used is preferably heavily or completely demineralized, for example distilled, water, especially ultrapure water, and / or water with an electrical conductivity δ below 1.0 μS / m, better below 0.065 µS / m, in particular at 25 ° C in each case.
Vorzugsweise ist im Speicherraum eines solchen Pufferspeichers ein Wärmetauscher vorhanden, insbesondere in Form eines wendelförmigen Rohrleitungs-Abschnittes, einer sogenannten Rohrschlange, die sich mit einer Zulauföffnung in die Hülle des Pufferspeichers hinein und mit einer Ablauföffnung wieder aus dieser heraus verläuft. Brauchwasser wird durch diesen Wärmetauscher geleitet und mittels des Speicher-Fluids aufgeheizt, und die Ablauföffnung steht mit den potentiellen Warmwasser-Verbrauchern, wie etwa einer Dusche, eines Gebäudes in Verbindung.A heat exchanger is preferably present in the storage space of such a buffer tank, in particular in the form of a helical pipe section, a so-called pipe coil, which runs into the shell of the buffer tank with an inlet opening and out of it again with an outlet opening. Service water is passed through this heat exchanger and heated by means of the storage fluid, and the drain opening is in connection with the potential hot water consumers, such as a shower, in a building.
Für den Fall, dass das Temperaturniveau im Pufferspeicher nicht hoch genug ist, um die gewünschte Soll-Temperatur des Brauchwassers zu erreichen oder nicht in einer gewünschten kurzen Zeit zu erreichen, kann ein elektrischer Zuheizer an der Zulaufleitung oder Ablaufleitung, vorzugsweise an der Zulaufleitung, des Wärmetauschers, also vorzugsweise außerhalb des Speicherraumes, angeordnet sein.In the event that the temperature level in the buffer tank is not high enough to achieve the desired target temperature of the domestic water or not to achieve it in a desired short time, an electric auxiliary heater on the inlet line or outlet line, preferably on the inlet line, can be installed Heat exchanger, so preferably outside of the storage space, be arranged.
Beispielsweise kann als Verfahren zum Betrieb eines solchen Pufferspeichers an der Ablaufleitung die Temperatur - meist kontrolliert über einen Sensor - des Brauchwassers unter eine typische Dusch-Temperatur von 45 °C absinken, sei es, weil die Temperatur im Pufferspeicher bereits relativ niedrig ist oder weil aufgrund der hohen Entnahmemenge pro Zeiteinheit an Brauchwasser dieses auf dem Weg durch die Rohrschlange nicht schnell genug aufgeheizt werden kann auf die gewünschte Soll-Temperatur.For example, as a method for operating such a buffer tank on the drain line, the temperature of the domestic water - usually controlled by a sensor - can drop below a typical shower temperature of 45 ° C, either because the temperature in the buffer tank is already relatively low or because Due to the large amount of domestic water withdrawn per unit of time, it cannot be heated up quickly enough to the desired temperature on the way through the coil.
Bei einer solchen zu niedrig gemessenen Ist-Temperatur am Ablauf des Brauchwassers aus dem Pufferspeicher schaltet die Steuerung den elektrischen Zuheizer an der Zulaufleitung ein und steuert ihn so, dass die gewünschte Soll-Temperatur des Brauchwassers am Ablauf erreicht wird. Durch das Zuheizen am Zulauf wird vermieden, dass das Speicherfluid zusätzliche Wärme an die Rohrschlange abgibt und weiter abkühlt, und dadurch im Speicherfluid eine gewünschte Mindest-Temperatur, wie sie beispielsweise für das Betreiben der Fußbodenheizung des Gebäudes benötigt wird, unterschritten wird.If the actual temperature measured at the outlet of the domestic water from the buffer tank is too low, the control switches on the electrical auxiliary heater on the inlet line and controls it so that the desired target temperature of the domestic water is reached at the outlet. The additional heating at the inlet prevents the storage fluid from giving off additional heat to the pipe coil and cooling down further, and thereby falling below a desired minimum temperature in the storage fluid, as is required, for example, for operating the underfloor heating of the building.
Auch diese Temperatur des Speicherfluid wird vorzugsweise gemessen und bei der Steuerung des Zuheizers berücksichtigt, was beispielsweise durch teilweises Schließen eines Ventils, insbesondere eines Proportionalventils, an der Zulaufleitung oder Ablaufleitung möglich wäre.This temperature of the storage fluid is also preferably measured and taken into account in the control of the auxiliary heater, which would be possible, for example, by partially closing a valve, in particular a proportional valve, on the inlet line or outlet line.
Denn wenn die im Speicher-Fluid vorliegende Temperatur über der gewünschten Mindest-Temperatur liegt, kann auf diese Art und Weise die Durchflusszeit durch die Rohrschlange, also den Wärmetauscher, erhöht werden zulasten der Entnahmemenge pro Zeiteinheit an Brauchwasser und dadurch auf das elektrische Zuheizen verzichtet werden.Because if the temperature in the storage fluid is above the desired minimum temperature, the flow time through the coiled pipe, i.e. the heat exchanger, can be increased in this way at the expense of the amount of water withdrawn per unit of time, and electrical additional heating can therefore be dispensed with .
Erfindungsgemäß besteht ein solcher elektrischer Zuheizer dabei aus einem Induktions-Heizelement, welches die aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehende Zulaufleitung oder Ablaufleitung mittels Induktion aufheizen kann. Vorzugsweise ist dabei ein Abschnitt der Zulaufleitung oder der Ablaufleitung von einer elektrischen Spule umgeben - die gegebenenfalls aus Hochtemperaturleitern oder Supraleitern bestehen können -, die vorzugsweise jedoch keinen elektrisch leitenden Kontakt mit der Zulaufleitung oder Ablaufleitung besitzt, sondern vorzugsweise in einem geringen Abstand um diese herum angeordnet wird.According to the invention, such an electrical auxiliary heater consists of an induction heating element which can heat the supply line or drain line, which consists of an electrically conductive material, by means of induction. A section of the inlet line or the outlet line is preferably surrounded by an electrical coil - which may optionally consist of high-temperature conductors or superconductors - which, however, preferably has no electrically conductive contact with the inlet line or outlet line, but is preferably arranged at a small distance around them becomes.
Auf diese Art und Weise erwärmt sich das Material der Zulaufleitung oder Ablaufleitung, gegebenenfalls theoretisch bis zum rotglühenden Zustand, und heizt das hindurchfließende Brauchwasser sehr schnell auf.In this way, the material of the supply line or drain line is heated, possibly theoretically to a red-hot state, and very quickly heats the service water flowing through it.
Um eine kompakte Bauform des induktiven Zuheizers zu erzielen, besitzt die zu beheizende Zulaufleitung oder Ablaufleitung ebenfalls die Form einer Helix, wobei jedoch gerade Abschnitte, insbesondere in jeder Windung der Helix, vorhanden sind, um die herum die elektrische Spule besonders einfach angeordnet werden kann.In order to achieve a compact design of the inductive heater, the inlet line or outlet line to be heated also has the shape of a helix, but with straight sections, especially in each turn of the helix, around which the electrical coil can be arranged particularly easily.
Insbesondere kann das Innere der Zulaufleitung oder Ablaufleitung mit einer offenporigen Struktur aus einem ferromagnetischen Metall gefüllt sein, insbesondere einem Metallschaum, der entweder konventionell durch eingelegte elektrische Heizdrähte aufgeheizt werden kann, oder ebenfalls mittels elektrischer Induktion mittels einer um die Leitung herumgelegten Induktions-Spule.In particular, the inside of the supply line or drain line can be filled with an open-pore structure made of a ferromagnetic metal, in particular a metal foam, which can either be conventionally heated by inserted electrical heating wires, or also by means of electrical induction using an induction coil placed around the line.
Um die Wärmekapazität des Pufferspeichers zu vergrößern und insbesondere seine Wärmehaltefähigkeit zu verbessern, kann im Speicherraum zusätzlich ein Latent-Wärmespeicher-Medium vorhanden sein, welches in der Lage ist, über lange Zeit und nahezu verlustfrei Wärme zu speichern. Insbesondere werden hierfür sogenannte Phasen-Wechsel-Materialien (Phase-Change-Material = PCM) verwendet, die bei Durchlaufen einer definierten Temperaturschwelle ihren Phasenzustand ändern, sich beispielsweise verfestigen, und hierbei große Energiemengen aufnehmen. Für das hier vorherrschende Temperaturniveau zwischen 0 °C und 100 °C eignet sich beispielsweise Paraffin oder Natriumacetet-Trihydrat als ein solches Phasen-Wechsel-Material.In order to increase the heat capacity of the buffer store and in particular to improve its heat retention capacity, a latent heat storage medium can also be present in the storage space, which is able to store heat over a long period of time and with almost no loss. In particular, so-called phase change materials (PCM) are used for this purpose, which change their phase state when passing through a defined temperature threshold, for example solidify, and thereby absorb large amounts of energy. For the temperature level between 0 ° C. and 100 ° C. that prevails here, for example, paraffin or sodium acetate trihydrate is suitable as such a phase change material.
Je nach chemischer Beschaffenheit dieses Phasen-Wechsel-Materials kann es direkt in Kontakt mit dem Speicher-Fluid stehen und ohne eigene Umhüllung im Speicherraum eingebracht sein, oder es ist in einem geschlossenen Behälter aufgenommen, der jedoch in thermischen Kontakt mit dem Speicherfluid stehen muss und dann gegenüber dem Speicherfluid eine möglichst große Oberfläche aufweisen sollte.Depending on the chemical nature of this phase change material, it can be in direct contact with the storage fluid and placed in the storage space without its own casing, or it can be accommodated in a closed container which, however, must be in thermal contact with the storage fluid should then have the largest possible surface area compared to the storage fluid.
Hinsichtlich des Verfahrens zum Herstellen eines solchen Pufferspeichers müssen die Parameter des elektrischen Heizelementes im Inneren des Pufferspeichers, insbesondere dessen Feststoffanteil und/oder Porenanteil und/oder dessen Porengröße und/oder dessen Porenanordnung und/oder der Größe der kleinsten freien Querschnitte deren Porenverbindungen und/oder die Gestalt des Heizelementes und/oder die Größe des Heizelementes und/oder die Positionierung des Heizelementes im Speicherraum so festgelegt werden in Abhängigkeit von Parametern des Pufferspeichers, insbesondere dessen Abmessungen des freien Innenraumes und/oder Volumens und/oder der Anordnung von Zufuhröffnung und Ablauföffnung und/oder der Anordnung von Zulauföffnung und Ablauföffnung und/oder der Größe dieser Öffnungen und/oder den vorgesehenen Betriebsparametern des Pufferspeichers, dass für den jeweils vorgesehenen Anwendungsfall die Wärmekapazität und/oder die Wärmehaltefähigkeit und/oder die Temperaturänderungsgeschwindigkeit des Speicher-Fluids im Pufferspeicher optimiert ist. Eine solche Optimierung wird vorzugsweise mittels einer Computersimulation durchgeführt.With regard to the method for producing such a buffer store, the parameters of the electrical heating element in the interior of the buffer store, in particular its solids content and / or pore content and / or its pore size and / or its pore arrangement and / or the size of the smallest free cross-sections, their pore connections and / or the shape of the heating element and / or the size of the heating element and / or the positioning of the heating element in the storage space can be determined as a function of parameters of the buffer storage, in particular its dimensions of the free interior space and / or volume and / or the arrangement of supply opening and drain opening and / or the arrangement of the inlet opening and the outlet opening and / or the size of these openings and / or the intended operating parameters of the buffer storage that the heat capacity and / or the heat retention capacity and / or the rate of temperature change for the intended application t of the storage fluid in the buffer storage is optimized. Such an optimization is preferably carried out by means of a computer simulation.
Sofern das elektrische Heizelement eine offenporige Struktur in Form eines offenporigen Schaumes oder offenporigen Gitterwerkes ist, wird diese offenporige Struktur, insbesondere deren Tragstruktur, vorzugsweise in einem iterativen Herstellungsverfahren wie 3-D-Druck hergestellt. Gegebenenfalls kann auch direkt das offenkundige Heizelement ohne Tragstruktur auf diese Art und Weise hergestellt werden.If the electrical heating element is an open-pore structure in the form of an open-pore foam or open-pore latticework, this open-pore structure, in particular its supporting structure, is preferably produced in an iterative production process such as 3-D printing. If necessary, the obvious heating element can also be produced directly in this way without a support structure.
Die Beschichtung der Tragstruktur mit einem elektrisch leitenden Material kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen, beispielsweise mittels galvanischer Beschichtung oder durch Abscheidung des Metalls aus der Gasphase (CVD) oder durch eintauchen der Tragstruktur mit dem so genannten Dip-Coating-Verfahren oder mittels eines anderen Verfahrens, welches eine homogene Oberflächenbeschichtung, insbesondere mit gleichbleibender Schichtdicke, bewirkt.
Ein Heiz Element mit einer großen Oberfläche, also Kontaktfläche zu einem umgebenden Medium, in Relation zu seinem Volumen kann jedoch auch auf andere Art und Weise, gegebenenfalls kostengünstiger als die bisher beschriebenen Verfahren, hergestellt werden:
- Bei einem Verfahren wird das Heizelement durch Wickeln einer dreidimensional strukturierten Blechfolie hergestellt, insbesondere durch Wickeln einer gewellten Blechfolie um eine Wickelachse parallel zur Verlaufsrichtung der Erhöhungen oder Vertiefungen der gewellten Blechfolie. Der entstehende Wickel oder auch Wabenkörper genannt ist dann von der einen zur anderen Stirnseite entlang der durch die Wellung gebildeten Kanäle frei durchströmbar, bietet aber wegen des Kanal-Querschnitts bis herunter auf weniger
als 1 mm2 eine hohe Oberfläche in Form der Kanalwände.
A heating element with a large surface, i.e. contact area with a surrounding medium, in relation to its volume can, however, also be produced in other ways, possibly more cost-effectively than the previously described methods:
- In one method, the heating element is produced by winding a three-dimensionally structured sheet metal foil, in particular by winding a corrugated sheet metal foil around a winding axis parallel to the direction of the elevations or depressions of the corrugated sheet metal foil. The resulting winding or also called honeycomb body can then be freely flowed through from one end to the other along the channels formed by the corrugation, but due to the channel cross-section it offers a high surface area in the form of the channel walls down to less than 1 mm 2 .
Bei einem anderen Verfahren wird das Heizelement durch Herstellen eines Gewirrs aus sehr langen, sehr dünnen Metall-Fasern mit vielen gegenseitigen Kontaktpunkten erzeugt, wobei die Metall-Fasern beispielsweise erzeugt werden durch Abhobeln von einem Metalldraht, der einen Querschnitt von mehreren mm2 besitzt, in dessen Längsrichtung.In another method, the heating element is produced by producing a tangle of very long, very thin metal fibers with many mutual contact points, the metal fibers being produced, for example, by planing a metal wire with a cross section of several mm 2 in its longitudinal direction.
Dieses Gewirr wird anschließend insbesondere verfestigt, insbesondere verklebt und/oder verschweißt und/oder in einem durchlässigen Gehäuse zusammengehalten.This tangle is then in particular solidified, in particular glued and / or welded and / or held together in a permeable housing.
FigurenlisteFigure list
Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
-
1 : einen erfindungsgemäßen Pufferspeicher im Vertikalschnitt -
2 : den Pufferspeicher gemäß1a im Horizontalschnitt geschnitten entlang der Linie II - II
-
1 : a buffer memory according to the invention in vertical section -
2 : the buffer according to1a in horizontal section along the line II - II
Der Vertikalschnitt der
- Wie jeder gattungsgemäße, bekannte Pufferspeicher besitzt auch dieser Pufferspeicher
1 zunächst eine - thermisch möglichst gut, beispielsweise mittels Vakuum wie in2 angedeutet, isolierte -Hülle 2 , dieden Speicherraum 1* umschließt, in dem es eine Zufuhr-Öffnung 3 an einer tief liegenden, insbesondere der am tiefsten liegenden, Stelle desSpeicherraumes 1* und eine Abfuhr-Öffnung4 an einer hoch liegenden Stelle durch dieHülle 2 hindurch gibt zum Zuführen und Abführen von Speicher-Fluid 100 inden Speicherraum 1* , denBetrieb des Pufferspeichers 1 vorzugsweise vollständig mit dem Speicher-Fluid 100 gefüllt ist.
- Like every generic, known buffer memory, this one also has a
buffer memory 1 first one - thermally as good as possible, for example using a vacuum as in2 indicated, insulated -shell 2 who have made thestorage space 1* encloses in which there is afeed opening 3 at a low-lying, in particular the lowest-lying, point of thestorage space 1* and a discharge opening4th at a high point through theenvelope 2 through there for supplying and removingstorage fluid 100 in thestorage room 1* , the operation of thebuffer storage 1 preferably completely with thestorage fluid 100 is filled.
Um die Oberfläche gering zu halten und eine vertikale Temperatur-Schichtung im Speicherraum
Wie ebenfalls bekannt, liegt in einer bestimmten Höhenlage - hier etwa auf halber Höhe - eine , insbesondere um die Vertikale
Die erfindungsgemäßen Besonderheiten bestehen zum einen darin, dass die häufig in einem bekannten Pufferspeicher
Diese plattenförmigen elektrischen Heizelemente, hier drei Stück übereinander, bestehen meist aus einer offenporigen Metallstruktur, insbesondere Metallschaum, und erstrecken sich im Wesentlichen über dem gesamten horizontalen Querschnitt des Speicherraumes
Sie können auf unterschiedliche Weise elektrisch aufgeheizt werden:
- Entweder gemäß
einer 1. Variante mittels der hier in den beiden oberen Platten dargestellten, indas elektrische Heizelement 5 eingelegten, elektrischen beheizbaren Heizdrähte6 , die insbesondere nur thermisch, aber nicht elektrisch leitend, mit der offenporigen Metallstruktur verbunden sind.
- Either according to a first variant by means of the one shown here in the two upper plates, in the
electrical heating element 5 inserted, electrically heated heating wires6th which are connected to the open-pored metal structure in particular only thermally, but not electrically.
Oder gemäß einer 2. Variante, wie bei der untersten Platte dargestellt durch Beaufschlagen der den z.B. Metallschaum
In einem Pufferspeicher
Ferner ist anschließend an die Zulauf-Leitung
Die Rohrleitungsstrecke kann zu diesem Zweck wie dargestellt gewendelt ausgeführt sein, vorzugsweise jedoch dabei mit geraden Abschnitten, um das Anbringen der elektrischen Spule zu erleichtern.For this purpose, the pipeline section can be designed to be coiled as shown, but preferably with straight sections in order to facilitate the attachment of the electrical coil.
Ferner ist im Speicherraum
Dieses Material
- Dabei Ist ersichtlich, dass trotz des runden horizontalen Querschnitts der Hülle
2 die Platte 5 in der Aufsicht betrachtet nicht rund, sondern polygon, vorzugsweise quadratisch oder auch 6-eckig oder 8-eckig, ist, um den Verschnitt bei der Herstellung aus einer größeren Roh-Platte zu vermeiden angesichts der hohen Kosten der Herstellung dieses Materials.
- It can be seen that despite the round horizontal cross-section of the
shell 2 theplate 5 When viewed from above, it is not round, but polygonal, preferably square or also hexagonal or octagonal, in order to avoid the waste when producing from a larger raw board in view of the high costs of producing this material.
Um dabei eine Bypass-Strömung des Speicherfluid
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- PufferspeicherBuffer storage
- 1*1*
- SpeicherraumStorage space
- 22
- HülleShell
- 33
- Zufuhr-ÖffnungFeed opening
- 44th
- Abfuhr-ÖffnungDischarge opening
- 55
- elektrisches Heizelementelectric heating element
- 5a5a
- elektrischer Kontaktstreifenelectrical contact strips
- 66th
- elektrischer Heizdrahtelectric heating wire
- 7a, b7a, b
- StromanschlussPower connection
- 88th
- WärmetauscherHeat exchanger
- 8a8a
- Zulauf-ÖffnungInlet opening
- 8b8b
- Ablauf-ÖffnungDrain opening
- 9a9a
- Zulauf-LeitungInlet pipe
- 9b9b
- Ablauf-LeitungDrain line
- 1010
- Vertikalevertical
- 1111
- 1. horizontale Querrichtung1. horizontal transverse direction
- 1212
- 2. horizontale Querrichtung2. horizontal transverse direction
- 1313
- elektrischer Zuheizerelectric auxiliary heater
- 1414th
- elektrische Spuleelectric coil
- 1515th
- Latent-Wärmespeicher-Material, ParaffinLatent heat storage material, paraffin
- 1616
- Behältercontainer
- 1717th
- StachelplatteSpiked plate
- 17a, b17a, b
- Nadelneedle
- 1818th
- LeitblechBaffle
- 1919th
- 2020th
- 100100
- Speicher-FluidStorage fluid
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