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Dokumentenidentifikation DE102006023049A1 29.11.2007
Titel Verfahren zum Trocknen des Speichermaterials und paarweise Anordnung von Wärmetauschern zur Verbesserung des Wirkungsgrades von solaren saisonalen Erdreichwärmespeicher-Systemen
Anmelder Kroll, Jörg Arfst, Dipl.-Ing., 22395 Hamburg, DE
Erfinder Kroll, Jörg Arfst, Dipl.-Ing., 22395 Hamburg, DE
DE-Anmeldedatum 17.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006023049
Offenlegungstag 29.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.11.2007
IPC-Hauptklasse F24J 2/46(2006.01)A, F, I, 20060517, B, H, DE

Beschreibung[de]

Soll von Solarkollektoren gewonnene Wärme zur Heizung oder Heizungsunterstützung (für kleine Verbraucher wie Einzel-, Reihen- oder Doppelhäuser) genutzt werden, muss diese in der Regel zwischengespeichert werden. Der Grund dafür ist die zeitliche Differenz zwischen Bedarf und Verfügbarkeit. Um dieses Problem zu lösen, werden Speicher mit einem Volumen bis 2,5 m3 eingesetzt. Das Speichermedium ist Wasser, da normalerweise ebenfalls die Bereitstellung von Warmwasser durch solche so genannte Kombinanlagen erfolgt. Diese Anlagen ermöglichen die Speicherung der solar gewonnenen Wärme über mehrere Tagen und arbeiten effektiv in den Übergangszeiten [1]. Die in den Sommermonaten gewinnbare Wärme kann so nur zu einem geringen Teil genutzt werden weil das Speichervolumen zu gering ist. Soll der mögliche solare Ertrag des Sommers vollständig genutzt werden, muss das Speichervolumen deutlich vergrößert werden. Eine Möglichkeit dafür stellen Erdreichwärmespeicher da. Diese haben ein deutlich größeres Volumen und als Speichermedium dient normales Erdreich. Der Nachteil von Erdreich ist die geringere volumetrische Wärmekapazität (70 bis 90 % der von Wasser [2, 3, 4, 5]), dafür gibt es aber keine wirkliche Grenze bei der Höhe der Speichertemperatur. Bei Wasserspeichern liegt diese bei 90 bis 95°C und damit unter den Möglichkeiten, die Röhrenkollektoren haben [6]. Für diese stellen Temperaturen bis 150°C keine Hürde da, allerdings bei niedrigeren Wirkungsgraden.

Solche Erdreichwärmespeicher stellen keine Standardlösung da und werden nur von einigen wenigen Herstellern angeboten [7]. Der Grund dafür ist, dass angenommen wird, dass Anlagen dieser Größenordnung einen außerordentlich schlechten Wirkungsgrad haben [8].

In ist ein denkbares Anlagenschema für einen Erdreichwärmespeicher mit Kollektoranlage und Verbraucher dargestellt. Der Speicher ist quaderförmig und wird komplett von einer erforderlichen Isolierung umschlossen. Die vom Kollektor gewonnene Wärme kann direkt vom Verbraucher genutzt werden oder sie wird in bestimmten Bereichen des Speichers gespeichert. Wenn im Speicher Wärme mit einer über der geforderten Verbrauchstemperatur liegenden Temperatur vorhanden ist, kann der Verbraucher dem Speicher Wärme entziehen. Da für Häuser aus dem Bestand die Kollektorfläche (statistisch sind Flächen bis 30 m2 möglich) nicht ausreichen, um den gesamten Heizwärmeverbrauch zu decken werden immer zusätzliche Heizungen notwendig sein. Nur für neuzeitliche Häuser mit geringem Heizwärmebedarf ist eine komplette Deckung vorstellbar. Dass bei der bautechnischen Realisierung solcher Anlagen eine Umfassungswand zum Schutz (gegen Wurzelwerk oder Feuchtigkeit) erforderlich ist, ist wahrscheinlich. Wie dies aussehen könnte, wird in dargestellt. Weiterhin werden in die möglichen Positionen von Wärmetauschern zur Entnahme und Zufuhr dargestellt. Für diese Aufgabe wäre ummanteltes Kupferrohr sinnvoll, was für normale Fußbodenheizungen zum Einsatz kommt. Dieses ist robust, kostengünstig und lässt sich einfach verarbeiten. Da Kollektoranlagen in der Regel mit einem teuren frostsicheren Wasser-Glykol-Gemisch betrieben werden müssen, ist es sinnvoll, zwei getrennte Kreisläufe für die Zu- und Abfuhr der Wärme vorzusehen. Außerdem ermöglichen getrennte Kreise ganz andere Möglichkeiten bei dem Betrieb solcher Anlagen. So ist es auch erforderlich, die Bereiche für die Zu- und Abfuhr weiter zu segmentieren, um auf die natürlichen Schwankungen bei Bedarf und Angebot effektiv reagieren zu können. D.h., unter Berücksichtigung der herrschenden Temperaturen und der momentanen Anforderungen werden nur ganz bestimmte Segmente des Speichen be- bzw. entladen. Wie weit und in welcher Form die beiden Bereiche unterteilt werden, hängt natürlich von den jeweiligen Bedingungen (Größe des Speichers, Kollektorfläche, etc.) ab.

Bei dem Betrieb einer solchen Anlage ist es das natürliche Ziel, so viel wie möglich der dem Speicher zugeführten Wärme auch zu nutzen. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, die nicht vermeidbaren Wärmeverluste zu minimieren. Da die Wärmeverluste im Wesentlichen von der Größe der Oberfläche und der Temperaturdifferenz zwischen der Innen- und Außenseite der Isolierung abhängen, ist es zwingend, die Temperatur an der Innenseite der Isolierung so niedrig wie möglich zu halten. Die äußere Temperatur wird durch den natürlichen Verlauf der Bodentemperatur bestimmt [9,10]. Um die Temperatur an der Innenseite niedrig zu halten, werden die Wärmetauscher zur Wärmezufuhr im inneren Bereich des Speichen platziert. Die Wärmetauscher zur Entnahme werden hingegen eher in den äußeren Bereichen positioniert, um die Temperatur zu senken. Bei der Platzierung der Wärmetauscher für die Zufuhr ist aber zu berücksichtigen, dass der mögliche Wärmeertrag eines Solarkollektors natürlich im Wesentlichen von der Einstrahlung aber auch sehr stark von der Temperatur des Wärmeträgerfluids abhängt. Je höher diese Temperatur ist, desto niedriger ist der Ertrag (bei gleicher Einstrahlung). Dies bedeutet, man muss einen Kompromiss machen, um einerseits große Wärmeerträge zu erhalten, aber andererseits niedrige Temperaturen im Wandbereich zu behalten. Eine Positionierung mit maximalem Abstand zu den Wänden würde nur zu hohen Temperaturen im Inneren führen, die wiederum weitere Erträge schmälern werden.

Die Temperaturverläufe innerhalb des Speichen werden durch die Wärmekapazität und Leitfähigkeit des verwendeten Erdreiches und natürlich durch die zugeführte bzw. entnommene Wärme bestimmt. Die Wärmekapazität von Erdreich ist geringer im Vergleich zu Wasser. Die Leitfähigkeit ist stark vom Feuchtigkeitsgehalt des Materials abhängig. So kann diese zwischen 'Lehm feucht' (2,9[W/mK]/[°C]) und 'Lehm trocken' (0,2[W/mK]/[°C]) um den Faktor 14,5 variieren. Die von Wasser liegt bei 0,6 [W/mK]/[°C] und ist damit um den Faktor drei größer als die des trockenen Lehms. Eine möglichst niedrige Leitfähigkeit ist wünschenswert, um ein gezieltes Beladen von bestimmten Bereichen des Speichers zu ermöglichen und damit eine Erhöhung der Temperaturen an den Innenwänden zu begrenzen. Wenn man davon ausgeht, dass bei dem Bau einer solchen Anlage das natürlich vorhandene Erdreich verwendet wird, muss man davon ausgehen, dass dieses relativ feucht oder gar nass ist. Um diesen Zustand dahingehend zu verändern, dass eine maximale Trockenheit im Speicherbereich herrscht, ist das im Patentanspruch 2 aufgeführte Trocknungsverfahren einzusetzen.

Dieses Trocknungsverfahren ist eine Kombination aus zwei baulichen Maßnahmen () und einer bestimmten Vorgehensweise bei der Erstbeladung des Speichen. Dieses Verfahren macht es erforderlich, dass beim Bau eines Speichers die Außenfläche des Speichermaterials eine wasserdichte Abdeckung erhält. Dies könnten bestimmte Folien oder Teerpappe sein. Des weiteren muss in der Bodenplatte der Umfassungswand ein Entwässerungsschacht vorhanden sein. Dieser muss nur in der Lage sein, das sich im unteren Bereich sammelnde Wasser ableiten zu können. Besteht nicht die Gefahr, dass Grundwasser eindringt, kann der Schacht mit Kieselsteinen aufgefüllt werden, um einen zügigen Abfluss des Wassers zu gewährleisten. Wenn das Eindringen von Feuchtigkeit oder Wasser zu befürchten ist, muss der Entwässerungsschacht nach unten verschlossen werden. Das sich dort sammelnde Wasser muss dann durch eine Pumpe entfernt werden. Wie dies im Einzelnen erfolgt soll nicht Bestandteil dieses Patentantrages sein.

Weiterhin ist notwendig, dass es mehrere übereinander liegende Bereiche für die Zufuhr von Wärme gibt. Bei der ersten Beladung des Speichen muss zuerst ausschließlich die oberste Schicht verwendet werden, weil bekanntermaßen die Erwärmung von Erdreich dazu führt, dass im Bereich der Zufuhr die Feuchtigkeit verdrängt wird, solange dies nicht durch Barrieren verhindert wird. So sorgt eine Erwärmung auf 35 bis 40°C bereits für eine vollständige Austrocknung. Ist der Bereich um die oberste Schicht bis zum Beginn da nächsten darunter liegenden Schicht auf diese Temperatur erwärmt, muss diese als nächste erwärmt werden und so weiter. Mit diesem Vorgehen wird die Feuchtigkeit in den Bereich der Bodenplatte verdrängt. Die Folien verhindern, dass die Feuchtigkeit in die Isolierung ausweichen kann. Um den Abfluss des Wassers zu verbessern, sollte ein leichtes Gefälle in Richtung des Entwässerungsschachtes vorhanden sein. Auf diese Weise wird ein Großteil der vorhandenen Feuchtigkeit aus dem Speicher entfernt. Dass eine gewisse Restfeuchtigkeit übrig bleibt, scheint unvermeidbar. Das Ziel dieser Vorgehensweise wird aber damit erreicht, nämlich eine deutliche Verringerung der Leitfähigkeit und die Schaffung von absoluter Trockenheit im Bereich der Wärmezufuhr. Nach dieser Trocknungsphase kann der Speicher dann normal betrieben werden, d.h. entsprechend der geplanten Be- und Entladestrategien.

Der Zweck eines Erdreichwärmespeichers ist es, einem Verbraucher Heizwärme zur Verfügung zu stellen, wenn dieser einen entsprechenden Bedarf hat. Dieser Bedarf ist einmal durch eine bestimmte Menge und die dazugehörige Verbrauchstemperatur gekennzeichnet. Diese beiden Werte sind natürlich von der Bauweise des zu versorgenden Gebäudes abhängig und unterliegen starken Schwankungen durch die sich verändernden Witterungsbedingungen. Dass ein Speicher so ausgelegt ist, dass er nach der Inbetriebnahmephase (Trocknung) alle auftretenden Anforderungen erfüllen kann, ist unwahrscheinlich. Um nach einer Entladephase (im Verlauf des Winters) zügig wieder Wärme auch mit höherer Temperatur bereitstellen zu können, muss eine bestimmte Anzahl von Wärmetauschern so wie im Patentanspruch 3 beschrieben platziert werden. Bei dieser Art der Platzierung geschieht der Einbau paarweise, und zwar so, dass die Wärmetauscher für die Zufuhr direkt neben den Wärmetauschern für die Entnahme liegen (). Wird der Speicher wieder beladen, so müssen diese paarweise angeordneten (oder nur einige von ihnen) als erstes zur Beladung verwendet werden. Da sich die zugeführte Wärme nur langsam im Speicher ausbreitet (besonders wenn das Material getrocknet wurde), werden zuerst nur die Bereiche um die Wärmetauscherpaare erwärmt. Je nach anfallendem solaren Ertrag ist dann relativ schnell wieder ein Entzug durch den anderen Wärmetauscher des Paares möglich, da dieser ebenfalls in dem erwärmten Bereich liegen.

Wenn die Wärmetauscher wie in eingebaut werden, d.h. mit gleichmäßigen Abstand zwischen den einzelnen Schichten, dauert es deutlich länger bis sich die Wärme mit entsprechender Temperatur bis zu den Wärmetauscher für den Entzug ausgebreitet hat.

Die Nutzung der Wärmetauscherpaare ist nur solange sinnvoll und notwendig, wie das Beladeniveau gering ist. Ist die Beladung vorgeschritten, ist es unter Umständen effektiver, auch die äußeren Schichten zur Wärmeentnahme zu verwenden.

Ist der Sicher aufgefüllt und die Wärmebedarfe setzen wieder ein, ist es erneut sinnvoll, die Wärmetauscherpaare zu benutzen. Der Grund hierfür ist, dass die jetzt herrschenden hohen Temperaturen (Voraussetzung gute sommerliche Wärmeerträge) sich negativ auf den Ertrag der Kollektoren auswirken. Wird jetzt Wärme entzogen, kühlt der Bereich um die Wärmetauscherpaare ab und verbessert damit den Kollektorwirkungsgrad. Wie lange diese Vorgehensweise sinnvoll ist, hängt davon ab, wie hoch die Temperaturen im Außenbereich sind. Sind diese sehr hoch, kann es sinnvoller sein, dort die Wärme zu entziehen.

Literaturhinweise

  • /1/ N. N., Acht Anlagen – acht Konzepte, Solaranlagen für Brauchwasser und Heizung, Zeitschrift Test 3, 1998
  • /2/ W. Streicher, Teilsolare Raumheizung, Auslegung und hydraulische Integration, Habilitationsschrift, Technische Universität Graz, 1996
  • /3/ J. Fredy, R. Jürgen, H. Hermann, Überprüfung eines Erd-Wärmespeichers, Bundesministerium für Forschung und Technologie, Forschungs-Bericht T 81-200, Fachinformationszentrum Energie, Physik, Mathematik GmbH Karlsruhe, 1981
  • /4/ M. Rudi, G. Werner, Numerische Lösung von partiellen Differentialgleichungen mit finiten Differenzen, Moreno Verlag, 1995
  • /5/ K. Gieck, R Gieck, Techniche Formelsammlung, Gieck Verlag, 1995
  • /6/ N. N., Große Leistung, kleine Fläche, Technische Informationsschrift microtherm, 1994
  • /7/ A. Buchta, W. Wuttke, Das Funktionsprinzip des Sand-Solarspeichers, Informationsmaterial der Firma ECO-Trend, 2002
  • /8/ N. Fisch, M Bodmann, L. Kühl, C. Saße, H. Schnürer, Wärmespeicher, Fachinformationzentrum Karlsruhe, TÜV-Verlag GmbH, 2005
  • /9/ M. Klugescheid, Thermohydraulische Berechnung zur energetischen Nutzung des oberflächennahen Untergrundes am Beispiel zweier Standorte in Lomma (Südschweden) und Berlin, Dissertation Justus-Liebig-Universität, Giessener Geologische Schriften, 1997
  • /10/ K. Hartge, R. Horn, Einführung in die Bodenphysik, Ferdinand Enke Verlag Stuttgart, 1991


Anspruch[de]
Systeme mit einem saisonalen Erdreichwärmespeicher zur Unterstützung eines Heizungssystems für kleine Verbraucher wie Einzelhäuser können nur mit einem relativ schlechten Wirkungsgrad betrieben werden. Um den möglichen Nutzwärmeertrag solcher Systeme zu verbessern, ist ein Verfahren zum Trocknen des verwendeten Speichermaterials und eine paarweise Anordnung von Wärmetauschern sinnvoll. Das Verfahren zum Trocknen von Erdreich in Erdreichwärmespichern nach Anspruch 1, um die Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Materials für den weiteren Betrieb deutlich zu verringern, um so eine verlustärmere Speicherung von Wärme zu ermöglichen. Die paarweise Anordnung von Wärmetauschern nach Anspruch 1, um erstens eine zügige Nutzung von solarer Wärme zu ermöglichen, die einem Erdreichwärmespeicher zugeführt wurde und zweitens eine Abkühlung der Bereiche für die Wärmezufuhr zu erzielen, um den speicherbaren Wärmeertrag der Solarkollektoren zu erhöhen.






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