Wärmespeicher

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher gemäß Patentanspruch 1 . Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Aus der DE 20 2013 105 924 111 ist ein Speicherbehälter aus thermoplastischem Kunststoff für ein flüssiges Medium bekannt, wobei der Speicherbehälter eine Faserverstärkung aufweist, wobei der Speicherbehälter ein Fußteil, ein Mittelteil, ein Kopfteil und wenigstens einen Anschluss umfasst, wobei der Anschluss im Mittelteil angeordnet ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Wärmespeicher bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird mittels eines Wärmespeichers gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Der Wärmespeicher ist für eine Klimatisierungseinrichtung und/oder für eine Warmwasserversorgung ausgebildet und weist einen Behälter und eine Wärmedämmung auf. Der Behälter begrenzt zumindest abschnittsweise einen Innenraum. In dem Innenraum ist ein Speichermedium anordenbar, wobei an einer ersten äußeren Mantelfläche des Behälters die Wärmedämmung angeordnet ist, um den Behälter gegenüber einer Umgebung thermisch zu isolieren, wobei die Wärmedämmung eine innere Mantelfläche und eine zweite äußere Mantelfläche aufweist, wobei die innere Mantelfläche zu der zweiten äußeren Mantelfläche in einem Querschnitt senkrecht zu einer Schwerkraftrichtung eine unterschiedliche Form aufweist. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Wärmespeicher mit vollständig montierter Wärmedämmung direkt zur Betriebsstätte transportiert werden kann. Ferner kann auf diese Weise die zweite äußere Mantelfläche optimal an die maximale Durchgangsbreite angepasst werden und gleichzeitig ein besonders hohes Speichervolumen des Innenraums zur Speicherung des Speichermediums bereitgestellt werden.

In einer weiteren Ausführungsform liegt die innere Mantelfläche an der ersten äußeren Mantelfläche zumindest abschnittsweise an und sind vorzugsweise stoffschlüssig miteinander verbunden. Dadurch kann der Wärmespeicher besonders einfach hergestellt werden. Insbesondere kann in einem beim Aufschäumen der Wärmedämmung auf den Behälter auf einen Kern verzichtet werden. Ferner kann auf Montagemittel zur Sicherung der Wärmedämmung am Behälter verzichtet werden.

In einer weiteren Ausführungsform ist die erste äußere Mantelfläche und/oder die innere Mantelfläche in dem Querschnitt kreisförmig ausgebildet, wobei die zweite äußere Mantelfläche in dem Querschnitt oval ausgebildet ist.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Wärmedämmung einen ersten Dämmabschnitt mit einer ersten Dicke und einen zweiten Dämmabschnitt mit einer zweiten Dicke auf, wobei die erste Dicke kleiner als die zweite Dicke ist.

Besonders von Vorteil ist, wenn die zweite äußere Mantelfläche in dem ersten Dämmabschnitt plan ausgebildet ist, und/oder die zweite äußere Mantelfläche abschnittsweise in dem zweiten Dämmabschnitt gekrümmt, vorzugsweise kreisförmig ausgebildet ist.

In einer weiteren Ausführungsform weist der erste Dämmabschnitt der Wärmedämmung einen ersten Werkstoff und der zweite Dämmabschnitt der Wärmedämmung einen zweiten Werkstoff auf, wobei der erste Werkstoff unterschiedlich zum zweiten Werkstoff ist. Besonders von Vorteil ist, wenn der erste und/oder zweite Werkstoff wenigstens eines der folgenden Materialien aufweist: Schaummaterial, Faserdämmung, Polyurethan, Polyurethanschaum, Phenolharz, Vakuumdämmung, Aerogel.

In einer weiteren Ausführungsform weist der Behälter einen Anschluss auf, wobei der Anschluss mit einem festen Ende an der ersten äußeren Mantelfläche angeordnet ist, wobei der Anschluss angrenzend an ein freies Ende einen Anschlussabschnitt zur Anbindung des Anschlusses an eine fluidführende Komponente umfasst, wobei innerhalb des ersten und/oder zweiten Dämmabschnitts das freie Ende endet. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Anschluss nicht über die zweite äußere Mantelfläche herausragt und die äußere geometrische Raumkontur des Wärmespeichers ausschließlich durch die zweite äußere Mantelfläche festgelegt wird. Ferner wird eine mechanische Beschädigung des Anschlusses beim Transport des Wärmespeichers vermieden wird. Insbesondere wird ein Hängenbleiben oder ein Anrempeln am Anschluss, beispielsweise beim Trans- port des Wärmespeichers durch eine Türe, vermieden.

In einer weiteren Ausführungsform ist eine maximale Breite des Wärmespeichers kleiner 80 cm und/oder ist eine maximale Tiefe des Wärmespeichers größer 80 cm und kleiner vorzugsweise 3 m.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Wärmespeicher als Pufferspeicher und/oder Warmwasserspeicher ausgebildet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zei- gen:

Figur 1 einen Längsschnitt entlang einer Schnittebene A-A durch einen Wärmespeicher; Figur 2 einen Halbquerschnitt entlang einer in Figur 1 gezeigten Schnittebene

B-B durch den in Figur 1 gezeigten Wärmespeicher;

Figur 3 einen Halbquerschnitt entlang einer in Figur 1 gezeigten Schnittebene B-B durch eine Variante des in den Figuren 1 und 2 gezeigten Wärmespeichers; und Figur 4 einen Halbquerschnitt entlang einer in Figur 1 gezeigten Schnittebene B-B durch eine Weiterbildung des in Figur 3 gezeigten Wärmespeichers.

Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Wärmespeicher 10. Der Wärmespeicher 10 ist als thermischer Speicher für eine Klimatisierungseinrichtung und/oder eine Frischwasserversorgung ausgebildet.

Zum erleichterten Verständnis wird in den Figuren 1 und 2 auf ein Koordinatensystem 5 Bezug genommen. Das Koordinatensystem 5 ist beispielhaft als Rechtssystem ausgebildet. Das Koordinatensystem 5 weist eine X-Achse, eine Y-Achse und eine Z-Achse auf. Dabei ist die Z-Achse in Schwerkraftrichtung verlaufend angeordnet. Die X-Achse und die Y-Achse verlaufen quer zur Z-Achse. Dabei wird bei einer Erstreckung in X-Richtung von einer Erstreckung in eine Breite und bei einer Erstreckung in Y-Richtung von einer Erstreckung in eine Tiefe gesprochen. Bei der Erstreckung in Z-Richtung wird von der Höhe gesprochen

Der Wärmespeicher 10 weist einen Behälter 15 und eine Wärmedämmung 20 auf. Der Behälter 15 kann beispielsweise als Werkstoff Stahl oder Kunststoff aufweisen. Der Behälter 15 weist einen oberen Deckel 35 und einen unteren Deckel 40 sowie einen Mantelabschnitt 45 auf. Die Deckel 35, 40 und der Mantelabschnitt 45 sind mit einander verbunden und begrenzen fluiddicht einen Innenraum 25. Der Mantelabschnitt 45 begrenzt dabei seitlich den Innenraum 25, während hingegen der obere Deckel 35 oberseitig zum Mantelabschnitt 45 den Innenraum 25 begrenzt. Unterseitig des Mantelabschnitts 45 wird der Innenraum 25 durch den unteren Deckel 40 begrenzt. Der Mantelabschnitt 45 weist außenseitig eine erste äußere Mantelfläche 50 auf. In der Ausführungsform ist der Mantelabschnitt 45 zylindrisch bezogen auf eine Mittelachse 52 ausgebildet und weist einen Zylinderdurchmesser Dd auf. Der Mantelabschnitt 45 kann aber auch elliptisch, polygonförmig, oval oder andersartig ausgebildet sein.

In dem Innenraum 25 ist ein vorzugsweise flüssiges Speichermedium 30 angeordnet. Das Speichermedium 30 kann beispielsweise Wasser, Wachs und/oder Parafin aufweisen. Der Behälter 15 ist druckstabil ausgebildet und stützt einen Druck des Speichermediums 30 ab. Die Wärmedämmung 20 dient dazu, den Behälter 15, insbesondere den Innenraum 25, mit dem erwärmten Speichermedium 30 thermisch gegenüber einer Umgebung 95 des Wärmespeichers 10 zu isolieren.

Der Behälter 15 weist beispielhaft einen ersten Anschluss 51 und einen zweiten Anschluss 55 auf. Zusätzlich kann der Behälter 15 auch noch einen dritten Anschluss 60 und einen vierten Anschluss 65 aufweisen. Der zweite Anschluss 55 ist in Schwerkraftrichtung unterhalb des vierten Anschlusses 65 angeordnet. Der erste Anschluss 51 ist unterhalb zu dem oberen Deckel 35 und in Schwerkraftrichtung oberhalb des dritten Anschlusses 55 angeordnet. In der Ausführungsform sind die Anschlüsse 51 , 55, 60, 65 beispielhaft in einer gemeinsamen Ebene angeordnet.

In Figur 1 sind beispielhaft die Anschlüsse 51 , 55, 60, 65 sich in gleicher Raumrichtung erstreckend ausgerichtet. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass sich die Anschlüsse 51 , 55, 60, 65 auch in unterschiedliche Raumrichtungen erstrecken und/oder in Umfangsrichtung bezogen auf die Mittelachse 52 versetzt an- geordnet sind. Auch ist denkbar, dass zumindest einer der Anschlüsse 51 , 55,

60, 65 an dem oberen oder unteren Deckel 35, 40 angeordnet ist.

Der erste Anschluss 51 sowie der zweite Anschluss 55 sind vorzugsweise fluidisch mit dem Innenraum 25 des Behälters 15 verbunden. Alternativ ist auch denkbar, dass der erste und zweite Anschluss 51 , 55 mit einem im Innenraum angeordneten Wärmetauscher (nicht dargestellt) verbunden sind. Der erste Anschluss 51 kann dazu genutzt werden, das Speichermedium 30 aus dem Innenraum 25 auszuleiten, um das Speichermedium an einer Warmwasserversorgungsstation bereitzustellen, während hingegen über den zweiten Anschluss 55 das Speichermedium 30 in den Innenraum 25 des Behälters 15 eingeleitet werden kann. Dazu kann beispielsweise der zweite Anschluss mit einer Frischwasserversorgung verbunden sein. Der Anschluss 51 , 55, 60, 65 ist mit einem festen Ende 80 jeweils an der ersten äußeren Mantelfläche 50 befestigt. Der Anschluss 51 , 55, 60, 65 weist ferner einen Anschlussabschnitt 85 auf, der beispielhaft als Gewinde ausgebildet sein kann. Der Anschlussabschnitt 85 grenzt jeweils an ein freies Ende 86 des Anschlusses 51 , 55, 60, 65 an. Der Anschlussabschnitt 85 dient zur Anbindung des Anschlusses 51 , 55, 60, 65 mit ei- nem fluidführenden Mittel, beispielsweise einem Rohr, einer Verschraubung, einem Schlauch, einem Hahn.

In der Ausführungsform ist beispielhaft im Innenraum 25 des Behälters 15 ein Wärmetauscher 70 vorgesehen. Dabei ist eine Primärseite des Wärmetauschers 70 eingangsseitig mit dem dritten Anschluss 60 und ausgangsseitig mit dem vierten Anschluss 65 verbunden. Dabei ist in der Ausführungsform beispielhaft der dritte Anschluss 60 in Schwerkraftrichtung oberhalb des vierten Anschlusses 65 angeordnet. Der vierte Anschluss 65 ist beispielhaft oberhalb angrenzend an den unteren Deckel 40 angeordnet. Der dritte Anschluss 60 kann dabei beispielhaft mit einer Klimatisierungseinrichtung, insbesondere mit einer Heizeinrichtung oder mit einem thermischen Solarmodul, verbunden sein, wobei über den dritten Anschluss 60 ein Wärmeträgermedium 75 von der Klimatisierungseinrichtung in die Primärseite des Wärmetauschers 70 eingeleitet wird. Das Wärmeträgermedium 75 wird durch die Primärseite geführt und erwärmt sekundärseitig des Wärme- tauschers 75 das Speichermedium 30. Das Wärmeträgermedium 70 wird über den vierten Anschluss 65 aus der Primärseite des Wärmetauschers 70 ausgeleitet. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass auf den Wärmetauscher 70 und den dritten sowie vierten Anschluss 60, 65 verzichtet wird. So kann beispielsweise statt oder zusätzlich zum Wärmetauscher 70 eine Heizpatrone vorgesehen sein.

Die Wärmedämmung 20 umschließt vorzugsweise vollständig außenseitig, insbesondere umfangsseitig, den Behälter 15. Die Wärmedämmung 20 weist außenseitig des Mantelabschnitts 45 eine innere Mantelfläche 90 auf. Die innere Mantelfläche 90 liegt vorzugsweise an der ersten äußeren Mantelfläche 50 des

Behälters 15 an. Besonders vorteilhafterweise ist die innere Mantelfläche 90 mit der ersten äußeren Mantelfläche 50 des Mantelabschnitts 45 stoffschlüssig verbunden. Auf diese Weise kann die Wärmedämmung 20 an dem Behälter 15 auf einfache Weise mechanisch befestigt sein. Die Wärmedämmung 20 weist eine zweite äußere Mantelfläche 100 auf. Die zweite äußere Mantelfläche 100 grenzt an die Umgebung 95 an. Die zweite äußere Mantelfläche 100 begrenzt dabei eine maximale Breite Da des Wärmespeichers 10. Dabei ist zur Sicherstellung der Transportabilität und zur einfachen Installation des Wärmespeichers 10 die maximale Breite Da der Wärmedämmung 20 derart gewählt, dass diese vorzugsweise kleiner als 80 cm ist. Dadurch kann der Wärmespeicher 10 in vollständig montiertem Zustand auch durch Engstellen eines Gebäudes, z.B. eine Türe, transportiert werden, ohne dass dabei der Wärmespeicher 10 demontiert oder das Gebäude verändert werden muss.

Besonders von Vorteil ist hierbei, wenn der Wärmespeicher 10 als Pufferspeicher und/oder als Warmwasserspeicher für ein Frischwassernetz ausgebildet ist.

Figur 2 zeigt einen Halbquerschnitt entlang einer in Figur 1 gezeigten Schnittebene B-B durch den in Figur 1 gezeigten Wärmespeicher 10.

Die Wärmedämmung 20 erstreckt sich umfangsseitig (bezogen auf die Mittelachse) um den Behälter 15 und weist einen ersten Dämmabschnitt 105 und wenigstens einen zweiten Dämmabschnitt 1 10 auf. Der zweite Dämmabschnitt 1 10 grenzt in Umfangsrichtung an den ersten Dämmabschnitt 105 an.

Der erste Dämmabschnitt 105 weist eine erste Dicke di und der zweite Dämmabschnitt 1 10 eine zweite Dicke 2 auf. Die zweite Dicke 2 ist größer als die erste Dicke di. Dies wird beispielhaft dadurch erzielt, dass die erste äußere Mantelfläche 50 und die innere Mantelfläche 90, die in der Ausführungsform geometrisch im Wesentlichen identisch ausgebildet sind, im Querschnitt senkrecht zur Schwerkraftrichtung zu der zweiten äußeren Mantelfläche 100 eine unterschiedliche Form aufweisen. So ist beispielsweise die erste äußere Mantelfläche 50 und die innere Mantelfläche 90 im Querschnitt kreisförmig ausgebildet, wobei die zweite äußere Mantelfläche 100 im Querschnitt oval ausgebildet ist. Selbstverständlich sind auch andere Ausgestaltungen der Formen der ersten äußeren Mantelfläche 100 zu der zweiten äußeren Mantelfläche 1 10 denkbar.

Um die maximale Breite Da gering zu halten, weist die zweite äußere Mantelflä- che 100 im ersten Dämmabschnitt 105 eine andere geometrische Form auf als im zweiten Dämmabschnitt 1 10. In der Ausführungsform ist die zweite äußere Mantelfläche 100 im ersten Dämmabschnitt 105 plan ausgebildet. Im zweiten Dämmabschnitt 1 10 ist die zweite äußere Mantelfläche 100 kreisförmig um einen Mittelpunkt M2 geführt, wobei der Mittelpunkt M2 exzentrisch zu der Mittelachse 52 angeordnet ist. Dabei ist von besonderem Vorteil, wenn ein erster Radius r1 der ersten äußeren Mantelfläche 50 kleiner ist als ein zweiter Radius r2 der zweiten äußeren Mantelfläche 100 im zweiten Dämmabschnitt 1 10.

Um die maximale Breite Da des Wärmespeichers 10 sicherzustellen, endet der Anschluss 51 , 55, 60, 65 zwischen der inneren Mantelfläche 90 bzw. der ersten äußeren Mantelfläche 50 und der zweiten äußeren Mantelfläche 100. Hierbei ist besonders von Vorteil, wenn alle der Anschlüsse 51 , 55, 60, 65, insbesondere der Anschluss 51 , 55, 60, 65, der im ersten Dämmabschnitt 105 angeordnet ist, nicht über die zweite äußere Mantelfläche 100 herausragt und das freie Ende 86 zwischen der ersten äußeren Mantelfläche 50 und der zweiten äußeren Mantelfläche 100 angeordnet ist und im ersten und/oder zweiten Dämmabschnitt 105, 1 10 endet.

Somit ragt der Anschluss 51 , 55, 60, 65 nicht über die zweite äußere Mantelflä- che 100 heraus, sodass ein sicherer Transport durch die Türe des Gebäudes gewährleistet wird und die maximale Breite Da des Wärmespeichers 10 durch die zweite äußere Mantelfläche 100 geometrisch einfach festgelegt werden kann.

Um eine besonders gute thermische Isolierung des Behälters 15 und somit des Speichermediums 30 im Innenraum 25 durch die Wärmedämmung 20 zu gewährleisten, weist die Wärmedämmung 20 im ersten Dämmabschnitt 105 einen ersten Werkstoff und der zweite Dämmabschnitt 1 10 der Wärmedämmung 20 einen zweiten Werkstoff auf. Der erste Werkstoff ist dabei vorzugsweise unterschiedlich zum zweiten Werkstoff und weist vorzugsweise einen geringeren Wärmedurchgangskoeffizienten auf als der zweite Werkstoff auf.

Dabei ist von besonderem Vorteil, wenn der erste und/oder der zweite Werkstoff wenigstens eines der folgenden Materialien aufweist: Schaummaterial, Faserdämmung, Polyurethan, Polyurethanschaum, Phenolharz, Vakuumdämmung, Aerogel. Figur 3 zeigt einen Halbquerschnitt entlang einer in Figur 1 gezeigten Schnittebene B-B durch eine Variante des in den Figuren 1 und 2 gezeigten Wärmespeichers 10.

Der Wärmespeicher 10 ist im Wesentlichen identisch zu dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Wärmespeicher 10 ausgebildet. Abweichend dazu ist in dem ersten Dämmabschnitt 105 eine Materialkombination für den ersten Werkstoff vorgesehen. In der Ausführungsform ist in dem ersten Dämmabschnitt 105 eine als Panel 200 ausgebildete Vakuumdämmung vorgesehen, die in einem

Schaummaterial 205, insbesondere in Polyurethanschaum, eingebettet ist. Im zweiten Dämmabschnitt 1 10 wird auf das Panel 200 verzichtet. Dabei weist der zweite Werkstoff ein weiteres Schaummaterial 210 auf. Das weitere Schaummaterial 210 ist bespielhaft identisch zum Schaummaterial 205 des ersten Dämm- abschnitts 105, wobei vorzugsweise das Schaummaterial 205 einstückig und materialeinheitlich mit weiterem Schaummaterial 210 ausgebildet ist.

Alternativ ist auch denkbar, dass das Panel 200 der Vakuumdämmung im ersten und zweiten Dämmabschnitt 105, 1 10 um den Behälter 15 angeordnet ist (strich- liert in Figur 3 dargestellt) und in dem Schaummaterial 205, 210 eingebettet ist.

Figur 4 zeigt einen Halbquerschnitt entlang einer in Figur 1 gezeigten Schnittebene B-B durch eine Weiterbildung des in Figur 3 gezeigten Wärmespeichers 10.

Der Wärmespeicher 10 ist im Wesentlichen identisch zu dem in Figur 3 gezeigten Wärmespeicher 10 ausgebildet. Abweichend dazu sind im zweiten Dämmabschnitt 1 10 mehrere Panele 200 der Vakuumdämmung schichtartig in radialer Richtung überlappend angeordnet. Im ersten Dämmabschnitt 105 ist hierbei nur eine Lage des Panels 200 vorgesehen. Dadurch kann eine besonders gute thermische Isolierung durch die Wärmedämmung 20 erzielt werden.

Die oben beschriebene Ausgestaltung des Wärmespeichers 10 hat den Vorteil, dass der Wärmespeicher 10 eine besonders gute thermische Isolierung für das Speichermedium 30 aufweist und gleichzeitig der Wärmespeicher 10 gut trans- portabel ist. Gleichzeitig kann die Wärmedämmung 20 werkseitig angebracht werden und ist nicht separat in einem separaten Montageschritt am Installationsort des Wärmespeichers 10 montiert werden. Ferner weist der Behälter 15 trotz kompakter Bauweise des Wärmespeichers 15 ein besonders großes Speichervo- lumen zur Speicherung des Speichermediums 30 auf.

Ferner kann die Wärmedämmung 20 besonders einfach hergestellt werden, beispielsweise in einer geschlossenen Form, ohne dass hierzu für die Herstellung der Wärmedämmung 20 ein Kern notwendig ist. Die Funktion des Kerns wird durch den Behälter 15 während der Herstellung der Wärmedämmung 20 ausgebildet.

Ferner kann durch die oben beschriebene Ausgestaltung eine maximale Tiefe Ta des Wärmespeichers 10, die sich senkrecht zur maximalen Breite Da erstreckt, größer gewählt werden als die maximale Breite Da. Vorzugsweise ist dabei die maximale Tiefe Ta des Wärmespeichers 10 größer als 80 cm und vorzugsweise kleiner als 3 m. Dadurch wird zum einen ein sicherer Transport durch die Engstelle im Gebäude ermöglicht und der Wärmespeicher 10 mit montierter/angebrachter Wärmedämmung 20 kann direkt zur Betriebsstätte transportiert werden.

Ferner wird durch eine Kombination der unterschiedlichen Werkstoffe im ersten Dämmabschnitt 105 und im zweiten Dämmabschnitt 1 10 eine besonders gute thermische Isolierung des Behälters 15 gegenüber der Umgebung 95 sicherge- stellt und spezifisch an die geometrische Ausgestaltung der Dämmabschnitte

105, 1 10 angepasst werden. Ferner wird die Wärmedämmung 20 besonders kostengünstig ausgebildet, da beispielsweise hochwertige Materialien, insbesondere beispielsweise die Vakuumdämmung oder das Aerogel, nur räumlich beschränkt auf den ersten Dämmabschnitt 105 eingesetzt werden, während hingegen im zweiten Dämmabschnitt 1 10 als besonders kostengünstiges Material Polyurethanschaum verwendet werden kann. Dadurch kann die Wärmedämmung 20 besonders kostengünstig ausgebildet sein. Zusammengefasst kann durch die oben beschriebene Ausgestaltung des Wärmespeichers 10 ein besonders gut wärmegedämmter Wärmespeicher 10 bereitgestellt werden, der gut an Bauraumrestriktionen angepasst ist.