Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem mit einem Eisspeicher, wobei der Eisspeicher einen von Sole durchström baren Behälter und eine zumindest abschnittsweise im Behälter verlaufende Wasserleitung aufweist.

Es ist bekannt, Eisspeicher zur Entnahme von Wärme zu nutzen. Dabei wird Wasser oder einer anderen geeigneten Flüssigkeit die beim Vereisen frei werdende Kristallisationsenergie entzogen. Ein solches Energiespeichersystem mit einem Eisspeicher ist beispielsweise aus der DE 201 03 843 Ul bekannt geworden.

Die bekannten Energiespeichersysteme sind jedoch konstruktiv aufwändig und daher in der Herstellung teuer. Darüber hinaus weisen diese Energiespeichersysteme oftmals einen nur geringen Wirkungsgrad auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein einfach aufgebautes Energiespeichersystem zur Verfügung zu stellen, das kostengünstiger zu fertigen ist und das einen höheren Wirkungsgrad aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Energiespeichersystem mit einem Eisspeicher gelöst, wobei der Eisspeicher einen von Sole durchströmbaren Behälter und eine zumindest abschnittsweise im Behälter verlaufende Wasser- bzw. Fluidleitung aufweist und die Wasserbzw. Fluidleitung zumindest abschnittsweise in Form eines mehrfach im Behälter gewickelten Rohres, insbesondere in Form eines Kunststoffrohres, ausgebildet ist. Mit anderen Worten liegt das Rohr mehrfach gewendelt im Behälter vor. Hierdurch wird die mit der Sole in Verbindung stehende Oberfläche der Wasserleitung vergrößert. Es können schnell große Wärmemengen entnommen bzw. eingelagert werden. Der Wirkungsgrad des Energiespeichers wird dadurch erhöht. Das Rohr ist vorzugsweise in Form eines elastisch verformbaren Kunststoffrohres ausgebildet. Der Kunststoff kann dabei die Ausdehnung des Wassers im Rohr beim Gefrieren leicht aufnehmen. Derartige Kunststoff röhre sind am Markt vorkonfektioniert mit einer jeweilig gewünschten Nennweite und Wanddicke kostengünstig als Meterware verfügbar. Darüber hinaus lassen sich derartige Kunststoff röhre leichter verarbeiten als ein Metallrohr. Es müssen keine Schweißarbeiten vorgenommen werden. Das Kunststoffrohr kann erfindungsgemäß insbesondere aus einem Silikonmaterial mit oder ohne Zuschlagstoffe bzw. (Draht-) Einlagen bestehen. Um ein Aufschwimmen der Wicklung beim Vereisen der Wasserleitung zu unterbinden, ist oberhalb der Wicklung der Wasserleitung eine Rückhalteplatte in dem Behälter vorgesehen.

Die Rückhalteplatte ist dabei besonders gut gesichert, wenn sie die Abwasserleitung zumindest abschnittsweise umfangsmäßig umgibt und/oder an der Abwasserleitung befestigt ist. Besonders bevorzugt ist das Rohr in Form eines elastisch verformbaren Schlauchs, insbesondere eines elastischen Kunststoffschlauchs, ausgebildet, um die Berstgefahr beim Vereisen des im Rohr geführten Wassers gänzlich auszuschließen.

Der Eisspeicher kann dabei im Inneren eines Gebäudes, im Freien oder auch im Erdreich verbaut werden.

Die Wasserleitung weist bevorzugt einen einzigen durchströmbaren Querschnitt, d.h. einen einzigen Strömungskanal auf. Dadurch kann ein vollständiges Gefrieren des Wassers in der Wasserleitung („Durchfrieren") verzögert werden. Eine mit der Sole gekoppelte Wärmepumpe kann dadurch einerseits länger betrieben werden. Andererseits kann durch die verringerte Eisbildung innerhalb der Wasserleitung anhaltend ein verbesserter Wärmeaustausch zwischen dem in der Wasserleitung geführten Wasser und der Sole gewährleistet werden. Der Wirkungsgrad des Energiespeichersystems kann dadurch insgesamt weiter erhöht werden.

Dem in der Wasserleitung geführten Wasser können bedarfsweise Additive zugesetzt sein, durch die beispielsweise die Temperatur des Aggregatszustandswechsels beeinflusst wird. Es können Anti-Gefriermittel, wie beispielsweise Glykol, Glycerin oder dergleichen zugesetzt sein, um das vollständige Einfrieren des Wassers in der Wasserleitung zu verzögern.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Rohr in zwei oder mehr (auf-) übereinanderliegenden Wickellagen gewickelt. Dadurch ergibt sich eine besonders kompakte Bauform. Darüber hinaus können die Anschlüsse der Wasserleitung dadurch auf einfache Weise an derselben Behälterseite, beispielsweise am Behälterdeckel, angeordnet werden. Dies ist für die Montage und eine ggf. unterirdische Anordnung des Eisspeichers von Vorteil.

Eine besonders kompakte Bauform des Eisspeichers kann dabei dadurch realisiert werden, dass das Rohr in den Wickellagen jeweils Windung an Windung gewickelt ist. Aufeinanderfolgende Windungen des Rohrs liegen somit zumindest bereichsweise aneinander an.

Das Rohr kann erfindungsgemäß insbesondere als Spiralrohr ausgebildet sein. Durch die Oberflächenwelligkeit des Spiralrohrs können zwischen den einzelnen Windungen bzw. den einzelnen Wickellagen des Rohrs auf einfachste Weise Durchtrittsspalte (Zwischenräume) für die Sole sichergestellt werden. Dadurch wird eine zuverlässige Umströmung des Rohres mit Sole und somit eine hocheffiziente Wärmeübertragung zwischen der Wasserleitung und der Sole gewährleistet.

Unter Kostengesichtspunkten hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das gewickelte Rohr von einer Behälterwand mit nur geringem Abstand beabstandet angeordnet ist. Der Abstand ist dabei vorzugsweise kleiner als ein Außendurchmesser des gewickelten Rohres. Dadurch kann das Behältervolumen und somit ein für den Betrieb des Energiespeichersystems erforderliches (kostenintensives) Solevolumen gering gehalten werden.

Vorzugsweise umfasst das Energiespeichersystem einen Solekreislauf zur Leitung der Sole durch den Behälter, wobei der Solekreislauf eine Wärmepumpe zum Entzug von Wärme aus der Sole und/oder zur Einleitung von Wärme in die Sole aufweist. Die Wärmepumpe kann dem Eisspeicher beispielsweise im Winter Wärme entnehmen und im Sommer Wärme zuführen.

Zur gleichmäßigen Über- bzw. Umströmung des gewickelten Rohres der Wasserleitung kann der Behälter des Eisspeichers ein Strömungsleitmittel aufweisen. Das Strömungsleitmittel kann beispielsweise als Prallplatte bzw. als Siebplatte ausgebildet sein.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Energiespeichersystem eine Solaranlage und/oder einen Luft- Wärmetauscher zur Erwärmung der Sole, wobei die Solaranlage und/oder der Luft-Wärmetauscher fluidisch mit dem Solekreislauf verbunden sind. Die in der Solaranlage und/oder im Luft-Wärmetauscher gewonnene Wärme kann hierdurch über den Solekreislauf der Wärmepumpe und/oder dem Eisspeicher zugeführt werden.

Um ein Platzen der Wasserleitung beim Gefrieren des Wassers zu vermeiden, kann die Wasserleitung über ihren Zu- und/oder Ablauf mit einem Druckausgleichsbehälter fluidisch in Verbindung stehen. Der Druckausgleichsbehälter kann insbesondere in Form einer Zisterne, eines Pools und/oder eines Teichs ausgebildet sein. Die beim Einfrieren entstehende Volumenzunahme des Wassers in der Wasserleitung kann durch den Druckausgleichsbehälter aufgenommen werden.

Das Energiespeichersystem kann eine Pumpe zur Wasserförderung und ein Temperaturmesssystem zur Erfassung der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Wassers in der Wasserleitung und des Wassers im Druckausgleichsbehälter umfassen, wobei die Pumpe von dem Temperaturmesssystem in Abhängigkeit von der gemessenen Temperaturdifferenz steuerbar ist. Das Temperaturmesssystem ist dabei vorzugsweise so ausgestaltet, dass die Pumpe nur dann betrieben wird, wenn eine nutzbare Wärmemenge in den Eisspeicher eingeführt werden kann.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Eisspeicher einen Wärmetauscher, der eine zumindest abschnittsweise im Behälter verlaufende, insbesondere rohrförmig ausgebildete, Abwasserleitung aufweist, die in thermischem Kontakt mit der Wasserleitung und/oder dem Behälter steht. Der Wärmetauscher ermöglicht eine Einleitung der Abwasserwärme, beispielsweise von warmem Duschwasser, in den Eisspeicher. Durch die Abwasserwärme wird die Vereisung des Wassers in der Wasserleitung verzögert. Dabei kann Abwasser jeglicher Art, wie beispielsweise Abwasser sanitärer Anlagen, verwendet werden. Zusätzlich dazu kann die Abwasserwärme nicht nur - wie bei bekannten Wärmetauschern - während des gleichzeitigen Verbrauchs von frischem zu erwärmenden Wasser genutzt werden, sondern die Abwasserwärme kann jederzeit in den Eisspeicher eingeleitet werden. Dies ermöglicht eine effektive Nutzung der Abwasserwärme und eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades des Eisspeichers.

Eine sehr effektive Wärmeübertragung vom Abwasser auf die Wasserleitung kann dadurch erzielt werden, dass die Wicklung der Wasserleitung zumindest teilweise, insbesondere vollständig, um die Abwasserleitung verläuft. Im konstruktiv einfachsten Fall dient die Abwasserleitung der Wasserleitung dabei als Wickel- oder Stützkörper, auf dem die Wasserleitung, d.h. das Rohr oder der Schlauch, aufgewickelt ist.

Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines Eisspeichers als Wärmetauscher, wobei der Eisspeicher einen von Sole durchströmbaren Behälter und eine zumindest abschnittsweise im Behälter verlaufende gewendelt angeordnete Wasserleitung aufweist. Der Behälter und/oder die Wasserleitung stehen in thermischem Kontakt mit einer Abwasserleitung des Wärmetauschers.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt sowie aus den Patentansprüchen.

Die in der Zeichnung dargestellten Merkmale sind nicht notwendigerweise maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.

In der schematischen Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen :

Fig. 1 eine schematische Übersicht eines Energiespeichersystems mit einem Eisspeicher; und

Fig. 2 eine geschnittene Ansicht des Eisspeichers aus Fig. 1.

Fig. 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Energiespeichersystem 10 mit einem Eisspeicher 12. Der Eisspeicher 12 weist einen Behälter 14 auf, in der eine wasserführende Wasserleitung 16 wendeiförmig bzw. gewickelt angeordnet ist. Da der Eisspeicher 12 nur mit Temperaturen von bis zu 25 ⁰ Celsius betrieben wird, weist der Behälter keine Wärmeisolation auf.

Die Wasserleitung 16 wird von Sole (nicht gezeigt) umströmt. Das Energiespeichersystem 10 weist einen Solekreislauf 18 mit einer ersten Pumpe 20 zur Umwälzung der Sole auf. An den Solekreislauf 18 ist eine Wärmepumpe 22 angeschlossen. Die Wärmepumpe 22 kann der Sole Wärme entziehen oder die Sole - beispielsweise im Sommer - erhitzen und dadurch Wärme aus einem Gebäude oder dergleichen abführen. Im Regelfall wird die Wärmepumpe 22 der Sole Wärme entziehen, beispielsweise um ein Gebäude zu beheizen. Die Sole wiederum entzieht die Wärme dem Wasser in der Wasserleitung 16, wodurch das Wasser in der Wasserleitung 16 abgekühlt wird und nach entsprechend großem Wärmeentzug zumindest teilweise gefriert.

Dem Wasser kann ein Anti-Gefriermittel, wie beispielsweise Glykol, Glycerin oder dergleichen zugesetzt sein, um das vollständige Einfrieren der Wasserleitung 16 zu verzögern.

Die Wasserleitung 16 steht mit einem Druckausgleichsbehälter 24 fluidisch in Verbindung, sodass ein durch Ausdehnung des Wasser entstehender Druck bei Absinken der Wassertemperatur (beispielsweie unter 4°C) in der Wasserleitung 16 mittels des Druckausgleichsbehälters 24 kompensiert werden kann.

Ein Einfrieren des Wassers in der Wasserleitung 16 kann weiterhin dadurch verhindert werden, dass wärmeres Wasser aus dem Druckausgleichsbehälter 24 mittels einer zweiten Pumpe 26 durch die Wasserleitung 16 gepumpt wird. Ein Temperaturmesssystem 28 erfasst dabei die Wassertemperatur in der Wasserleitung 16 und die Wassertemperatur im Druckausgleichsbehälter 24. Das Temperaturmesssystem 28 ist vorliegend derart ausgebildet, die zweite Pumpe 26 in Abhängigkeit von einer nutzbaren Temperaturdifferenz ein- bzw. auszuschalten.

Zur Speicherung von Wärme bzw. zur„Aufladung" des Eisspeichers 12 kann dem Eisspeicher 12 über den Solekreislauf 18 Wärme einer Solaranlage 30 und eines Luft-Wärmetauschers 32 zugeführt werden. Die Wärme der Solaranlage 30 und des Luft-Wärmeta uschers 32 kann dabei unabhängig vom Betrieb der Wärmepumpe 22 in den Eisspeicher 12 eingebracht werden.

Weiterhin kann Abwasserwärme, beispielsweise einer sanitären Einrichtung 34, etwa einer Dusche, in den Eisspeicher 12 eingebracht werden. Hierzu umgibt die Wasserleitung 16 eine mit der sanitären Einrichtung 34 gekoppelte Abwasserleitung 36. Die Abwasserleitung 36 steht sowohl mit dem Behälter 14 als auch mit der sich darin befindenden Sole und mit der Wasserleitung 16 in thermischem Kontakt. Hierdurch wird der Eisspeicher 12 als Wärmetauscher eingesetzt.

Fig. 2 zeigt den Eisspeicher 12 aus Fig. 1 im Querschnitt. Dabei ist ersichtlich, dass die Abwasserleitung 36 von mehreren auf- bzw. übereinanderliegend angeordneten Wickellagen W, hier beispielhaft insgesamt vier Wickellagen W, der Wasserleitung 16 umgeben ist. Die Wasserleitung 16 ist in Form eines einzelnen elastisch verformbaren Kunststoffrohres gebildet, das in jeder Wickellage W der Wasserleitung 16 Windung an Windung gewickelt ist. Ein Zulauf 38 der Wasserleitung 16 und ein Ablauf 40 der Wasserleitung 16 sind an demselben Ende des Behälters 14 angeordnet, um eine einfache Montage zu gewährleisten. Der Zulauf 38 der Wasserleitung 16 und auch der Ablauf 40 der Wasserleitung 16 sind zwecks einer Kreislaufführung des in der Wasserleitung 16 geführten Wassers jeweils mit dem Druckausgleichsbehälter 24 (siehe Fig. 1) fluidisch verbunden. Der Druckausgleichbehälter 24 kann beispielsweise eine Zisterne oder dergleichen sein.

Aufgrund der vielfachen Windungen der Wasserleitung 16 im Behälter 14 steht eine große Kontaktfläche der Wasserleitung 16 mit der Sole 42 zur Verfügung. Dem in der Wasserleitung 16 geführten Wasser kann somit effektiv über die Sole 42 Wärme zugeführt oder entzogen werden. Die Sole 42 wird dabei über einen unteren Solezulauf 44 in den Behälter 14 und über einen oberen Soleablauf 46 aus dem Behälter 14 geleitet. Der Solezulauf 44 und der Soleablauf 46 können auch an einander gegenüberliegenden Seiten des Behälters angeordnet sein. Der Behälter kann in seinem Inneren Strömungsleitetelemente aufweisen, mittels derer die Sole in vorgegebener Weise dem gewendelt angeordneten Rohr zuführbar ist (nicht gezeigt).

Die Abwasserleitung 36 weist an ihrer Oberseite eine Rückhalteplatte 48 auf, die ein Aufschwimmen der Wasserleitung 16 beim Gefrieren des Wassers in der Wasserleitung 16 verhindert. Ein sicherer Halt der Rückhalteplatte 48 wird dabei dadurch gewährleistet, dass die Rückhalteplatte 48 die Abwasserleitung 36 vollständig umfangsmäßig umgibt und an der Abwasserleitung 36 in axialer Richtung lagefixiert ist.

Das gewendelt angeordnete Kunststoffrohr der Wasserleitung 16 weist einen Außendurchmesser AI auf. Wie aus Figur 2 hervorgeht, ist die äußerste Wickellage W des Rohres mit nur geringem Abstand A ₂ zu der Seitenwand 50 des Behälters 14 angeordnet, um das erforderliche Solevolumen innerhalb des Behälters zu minimieren. Der Abstand A ₂ ist kleiner als der Außendurchmesser Ai des Rohres 16.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Energiespeichersystem, das vorzugsweise eine Kombination aus Eisspeicher und Wärmetauscher umfasst. Der Wärmetauscher kann eine Abwasserleitung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, Abwasserwärme zu entziehen und an Wasser einer Wasserleitung des Eisspeichers und/oder an eine Sole, die die Wasserleitung umgibt, zu übertragen. Zur Erhöhung der Effektivität des Energiespeichersystems ist die Wasserleitung vorzugsweise zumindest abschnittsweise in Form eines mehrfach gewendelten Kunststoffrohrs oder Kunststoffschlauchs ausgebildet. Die Wasserleitung kann zur Kompensation von Überdruck beim Gefrieren des Wassers mit einem Druckausgleichsbehälter fluidisch verbunden sein. Dem Energiespeichersystem kann über die Abwasserleitung, den Druckausgleichsbehälter und/oder über einen Solekreislauf, der eine Solaranlage und/oder einen Luft-Wärmetauscher umfassen kann, Wärme zugeführt werden. Im Sommer können Energieerträge der Solaranlage in die Sole bzw. dem in der Zisterne angeordneten Wasser zugeführt werden, um das umliegende Erdreich aufzuwärmen. Ein Teil der dort gespeicherten Wärmeenergie Energie steht dann im Winter zur Erneuten Nutzung zur Verfügung . Das erfindungsgemäße Energiespeichersystem ermöglicht eine Wärmespeicherung mit hohem Wirkungsgrad.