AT10710U1 - Wasserspeicher - Google Patents

Description

teiÄSiliß AT10710U1 2009-08-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Wasserspeicher. Der Begriff Wasserspeicher inkludiert Warmwasserspeicher, in denen Frischwasser (Trinkwasser) bereitgestellt wird, aber auch so genannte Pufferspeicher, die an ein Heizungssystem und/oder Wärmetauscher zur Erwärmung von Frischwasser angeschlossen sind.

[0002] Der Begriff Wasserspeicher inkludiert auch so genannte Kombispeicher, die gleichzeitig Warmwasser für Bad und Dusche liefern und einen Heizkreislauf unterstützen. Es ist selbstverständlich, dass beide Wasserkreisläufe hundertprozentig voneinander getrennt werden müssen. In der Praxis geschieht dies dadurch, dass der Behälter durch geschlossene Böden in unterschiedliche Zonen für Frischwasser und Heizungswasser getrennt wird. Zu- und Ableitungen führen zu den einzelnen Zonen beziehungsweise aus den einzelnen Zonen weg.

[0003] Ein solcher Behälter lässt sich prinzipiell auch für Pufferspeicher einsetzen. Dabei kann eine Zone, in der Heißwasser mit beispielsweise Temperaturen von 60 bis 90° C gespeichert wird, an einen Wärmetauscher angeschlossen werden, der der Erwärmung von Frischwasser dient. Eine weitere Zone mit Warmwasser, beispielsweise im Temperaturbereich 40 bis 70° C, dient zum Anschluss an einen Heizkreislauf zur Beschickung von Radiatoren. Alternativ oder kumulativ kann eine weitere Zone mit Wasser im Temperaturbereich von beispielsweise 30 bis 40° C der Beschickung einer Fußbodenheizung dienen.

[0004] Die Rücklaufleitungen der genannten Systemkomponenten können über eine Wärmepumpe geführt werden, um das Wasser auf die jeweils gewünschte Temperatur zu erwärmen und anschließend in den Pufferspeicher (in die entsprechende Zone) zurückzuführen.

[0005] Ein solcher Behälter mit diskreten, voneinander abgegrenzten Zonen hat den Nachteil, dass das Volumen jeder einzelnen Zone definiert und nicht veränderbar ist.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wasserspeicher der genannten Art anzubieten, in dem Wasser unterschiedlicher Temperatur gespeichert werden kann. Dabei soll der Wasserspeicher so gestaltet sein, dass die einzelnen Temperaturzonen flexibel genutzt werden können. Dies ist beispielsweise wichtig für Anwendungen des Wasserspeichers in einem Warmwasser- oder Heizungssystem, welches auf Basis erneuerbarer Energieträger arbeitet.

[0007] Grundgedanke der Erfindung ist es, den Wasserspeicher mit mindestens einem Zwischenboden auszubilden, der einzelne Zonen des Behälterinnenraums aber nicht hermetisch abriegelt, sondern Durchgangsöffnungen aufweist, durch die Wasser von einer Zone in eine benachbarte Zone strömen kann. Dabei macht sich die Erfindung den physikalischen Effekt zunutze, dass warmes Wasser leichter ist als kaltes Wasser und damit im Behälter aufsteigt. Mit anderen Worten: durch die strömungstechnische Verbindung unterschiedlicher Temperaturzonen im Behälter-Innenraum wird einerseits eine geschichtete Speicherung des Wassers im Behälter möglich, wobei kälteres Wasser unten und wärmeres Wasser oben gespeichert wird, aber auch ein Wasserübergang von einer Zone in eine darüber liegende Zone erlaubt.

[0008] In ihrer allgemeinsten Ausführungsform betrifft die Erfindung danach einen Wasserspeicher mit folgenden Merkmalen: [0009] einem Behälter, dessen Boden, Decke und umlaufende Wand einen Behälter-Innenraum begrenzen, mit einer im Funktionszustand des Behälters vertikal verlaufenden Längsachse, [0010] mindestens einem Kaltwasserzulauf am unteren Ende des Behälters, [0011] mindestens einem Warmwasserablauf am oberen Ende des Behälters, und [0012] mindestens einem, den Behälter-Innenraum in übereinander liegende Zonen teilenden Zwischenboden, wobei [0013] der Zwischenboden zumindest partiell zur Bildung mindestens einer spaltförmigen Öffnung mit Abstand zur umlaufenden Wand verläuft. 1/7 teiÄSiliß AT10710U1 2009-08-15 [0014] Die spaltförmige Öffnung schafft die Möglichkeit, dass relativ wärmeres Wasser von einer Behälterzone in die darüber liegende Behälterzone geführt werden kann. Auf diese Weise kann für jede Zone flexibel ein Temperaturniveau eingestellt werden, welches über die Zu- und Abfuhr von Kalt- oder Warmwasser in den Behälter beziehungsweise aus dem Behälter heraus gesteuert/geregelt werden kann. Auf diese Weise lässt sich auch das Temperaturprofil jeder Zone durch Wasserübertritt von einer Zone in eine andere Zone einstellen.

[0015] Der Zwischenboden kann an mindestens einer Stelle mit der umlaufenden Wand verbunden sein. Ebenso ist es möglich, insbesondere zur Befestigung des obersten Zwischenbodens des Behälters, diesen deckenseitig zu befestigen.

[0016] Die spaltartigen Öffnungen verlaufen nach einer Ausführungsform mehr oder weniger parallel zur umlaufenden Wand. Zur Ausbildung einer möglichst laminaren Strömung ist es vorteilhaft, bei mehreren Öffnungen diese rotationssymmetrisch anzuordnen, um eine gleichmäßige langsame Strömung von einer Zone in die benachbarte Zone zu erreichen.

[0017] Die Breite der Öffnung(en), senkrecht zur umlaufenden Wand, sollte nach einer Ausführungsform zwischen 1 und 50 mm betragen, wobei eine Breite bis 20 mm in der Regel ausreichend ist. Die Spaltbreite kann auch geringer sein, beispielsweise mit Maximalwerten < 10, < 6, < 4, < 3 oder < 2 mm.

[0018] Die Zuleitung von relativ wärmerem Wasser in eine darüber liegende Zone wird optimiert, wenn der Zwischenboden umfangsseitig zumindest abschnittweise in Richtung auf die Decke des Behälters geneigt verläuft. Diese Neigung kann geradlinig, aber auch gewölbt sein. Dies schließt Ausführungsformen ein, bei denen der Zwischenboden beispielsweise kegelartig gestaltet ist, wobei die Kegelspitze in Richtung auf den Boden zeigt. Bei gewölbten Böden oder gewölbten Abschnitten der Böden ist die Wölbung, bezogen auf den Behälterboden, konvex, wie in der nachfolgenden Figurenbeschreibung dargestellt.

[0019] Damit wird ein Zwischenboden zur Verfügung gestellt, der insbesondere umfangsseitig und zumindest abschnittweise in Richtung auf die Decke des Behälters gekrümmt oder schräg verläuft.

[0020] Zwischenböden der genannten Art können beispielsweise eine Zone des Behälters, die Wasser zur Frischwassererwärmung speichert, von einer Zone trennen, die Wasser für einen Heizkreislauf speichert. Eine weitere Untergliederung durch einen weiteren Zwischenboden ist möglich zwischen einer Zone, die der Speicherung von Wasser dient, mit der Radiatoren beheizt werden und einer Zone, die einem Heizkreislauf zugeordnet ist, in dem sich Niedrigtempe-ratur-Fleizelemente, beispielsweise eine Fußbodenheizung, befindet.

[0021] In Temperaturen ausgedrückt lassen sich beispielsweise folgende Temperaturzonen durch die genannten Zwischenböden voneinander trennen:

[0022] 60 bis 90 °C

[0023] 40 bis 60 °C

[0024] 30 bis 40 °C

[0025] <30° C.

[0026] In einer Flochtemperaturzone wird dann beispielsweise Wasser bereitgestellt, welches über einen Wärmetauscher zur Erwärmung von Frischwasser dient.

[0027] Es ist selbstverständlich, dass die einzelnen Temperaturzonen mit entsprechenden Zu-und Ableitungen versehen sind, die an nachgeschaltete Systemkomponenten angeschlossen werden.

[0028] Ausgehend von einer Flochtemperaturzone mit beispielsweise 90° C bedeutet dies, dass das Rücklaufwasser unterschiedliche Temperaturen aufweisen kann. Wird es beispielsweise mit 50°C zurückgeführt, bietet es sich an, das Wasser in die unmittelbar darunter liegende Behälterzone einzuleiten, in der Wasser mit beispielsweise 40 bis 65° C gepuffert wird. Ebenso ist es aber auch möglich, das Rücklaufwasser in die wiederum darunter angeordnete Zone einzulei- 2/7 östwresösiasies paten-isat AT10710U1 2009-08-15 ten, in der im Normalfall Wasser mit einer Temperatur von 30 bis 40° C gespeichert wird, um dieses über das Rücklaufwasser zu erwärmen und in der Folge eine Überführung in die darüber befindliche Temperaturzone zu ermöglichen, und zwar über die Öffnungen zwischen Zwischenboden und Wand des Behälters.

[0029] Wird Kaltwasser zurückgefördert, beispielsweise mit einer Temperatur von 10 oder 20° C, kann dieses in die unterste Behälterzone eingeleitet werden. Von dieser Kaltwasserzone kann das Wasser abgezogen und über eine angeschlossene Wärmepumpe erwärmt werden, um es anschließend in die entsprechende Temperaturzone des Pufferspeichers zurückzuführen.

[0030] Die Erfindung wird nachstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert. In stark schematisierter Darstellung zeigen: [0031] Figur 1: einen Vertikalschnitt durch einen Wasserspeicher mit drei Zwischenböden in unterschiedlicher Konfiguration, [0032] Figur 2: eine Aufsicht auf eine vierte Ausführungsform eines Zwischenbodens, [0033] Figur 3: eine Aufsicht auf eine fünfte Ausführungsform eines Zwischenbodens.

[0034] In den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bauteile mit gleichen Bezugsziffern dargestellt.

[0035] Der in Figur 1 dargestellte Wasserspeicher besteht aus einem Behälter, dessen Boden mit 10, dessen Decke mit 12 und dessen zylinderförmige Wand mit 14 bezeichnet ist. Auf der Wand ist eine (nicht dargestellte) Isolierung, beispielsweise aus expandiertem Polypropylen (EPP) aufgebracht.

[0036] Der mit 16 gekennzeichnete Behälter-Innenraum ist durch drei Zwischenböden 22 in vier Temperaturzonen 16.1... 16.4 unterteilt.

[0037] Zwischen der obersten Zone 16.1 und der darunter liegenden Zone 16.2 ist ein kalottenartig gestalteter Boden 22 angeordnet, und zwar so, dass zwischen dem Boden 22 und der Wand 14 ein ringförmiger Spalt (eine spaltförmige Öffnung) verläuft, die, senkrecht zur Wand 14, die Breite „a“ hat. Der Zwischenboden 22 ist über Stege 24 an der Decke 12 befestigt. Die Zone 16.1 dient der Speicherung von Wasser im Temperaturbereich 60 bis 90° C, die Zone 16. 2 der Speicherung von Wasser im Temperaturbereich 40 bis 65° C. Wasser im Temperaturbereich 60 bis 65° C kann durch die spaltförmige Öffnung 26 von der Zone 16. 2 in die Zone 16. 1 strömen. Durch die kugelartig ausgebildete Oberfläche des Zwischenbodens 22 entsteht eine laminare beruhigte Strömung. Auf diese Weise lassen sich definierte Temperaturprofile in den Zonen 16.1,16.2 einstellen.

[0038] In jeder Zone selbst gibt es einen gewissen Temperaturgradienten, bedingt durch das über die Zuführleitungen (Pfeile Z) zugeführte beziehungsweise über die Abführleitungen (Pfeile A) weggeführte Wasser.

[0039] In ähnlicher Weise ist die Zone 16.2 von der darunter liegenden Zone 16.3 getrennt, wobei der Zwischenboden 22 wie folgt gestaltet ist: Der innere Abschnitt verläuft im Wesentlichen senkrecht zur Mittenlängsachse Μ - M des Behälters, seine Randbereiche 22r sind schräg nach oben abgewinkelt und an drei, im Winkel von 120“zueinander stehenden Stellen (22s) an der Innenseite der Wand 14 befestigt, hier verschraubt. Zwischen den Verbindungsstellen 22s verlaufen demnach drei spaltförmige Öffnungen 26, über die Wasser von der Zone 16. 3 in die Zone 16. 2 strömen kann. Die schräg gestellten Ränder 22r ermöglichen auch hier eine weitestgehend laminare Strömung zwischen den Zonen 16. 3,16. 2.

[0040] Der unterste Zwischenboden 22 trennt die Kaltwasserzone 16.4 (Wassertemperatur: < 20° C) von der Zone 16.3, in der Wasser mit einer Temperatur zwischen 20 und 40°C gespeichert wird. Der Zwischenboden 22 ist leicht gewölbt und verläuft umfangsseitig vollständig im Abstand zur Wand 14. Die spaltförmige Öffnung 26 ist hier also durchgehend und ringförmig. Der Zwischenboden 22 ist über zwei diskrete Winkel 24 an der Wand 14 befestigt. Wird über die Zuführleitung Z in der Zone 16.3 Wasser mit 50 °C zugeführt, kann die Wassertemperatur in 3/7

ÖsteiffidsiXihe (isieH-M AT10710U1 2009-08-15 der Zone 16.3 auf > 40°C steigen und über die Öffnungen 26 in die Zone 16. 2 strömen.

[0041] Figur 2 zeigt einen Zwischenboden 22 in ähnlicher Geometrie wie der Zwischenboden 22 zwischen den Zonen 16.4 und 16. 3. Bei der Ausführungsform nach Figur 2 ist der Zwischenboden 22 jedoch über vier Schweißpunkte 22s an der Wand 14 befestigt, so dass insgesamt vier spaltförmige Öffnungen 26 ausgebildet werden, jeweils mit konstanter Breite a von 6 cm zur Wand 14.

[0042] Der Zwischenboden 22 nach Figur 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Figur 2 dadurch, dass insgesamt acht Verbindungspunkte 22s zur Wand 14 vorgesehen sind und die Abschnitte 22z zwischen den Verbindungsstellen 22s umgekehrt zur Behälterwand 14 gewölbt sind.

[0043] Auf diese Weise werden zwischen Wand 14 und Zwischenboden 22 acht in der Aufsicht linsenartige Öffnungen 26 gebildet.

[0044] Die Zwischenböden 22 und der Behälter bestehen aus Stahl.

[0045] Die Erfindung lässt sich in das nachstehend beschriebene Warmwasser- und/oder Heizungssystem integrieren. Um die Erfindung darin anzuwenden müssen nicht alle System-Komponenten und/oder Verfahrensschritte des Systems gleichzeitig erfüllt sein. Je nach Anforderungsprofil kann die Erfindung auch in Kombination mit einzelnen oder mehreren der nachstehend beschriebenen Merkmale realisiert werden. Ebenso ist es möglich, dass die Erfindung einzelne Merkmale innerhalb des Gesamtsystems ersetzt oder einzelne Systemmerkmale gezielt ausgeschlossen werden.

[0046] Das System umfasst so genannte Primärenergie-Wärmetauscher (PWT). Dazu gehören die genannten Sonnenkollektoren, Luftwärmetauscher oder Erdwärmesonden in beliebiger Zahl und Kombination. Mit diesen PWTs wird Primärenergie, wie Sonnenenergie, auf ein Wärmeträger-Medium, nachstehend Sole genannt (beispielsweise Glykol) übertragen.

[0047] Das System umfasst weiters eine Wärmepumpe, die mindestens aus einem Verdampferteil, einem Kompressor, einem Kondensatorteil und einer Entspannungseinrichtung besteht, wobei die Wärmepumpe von einem Kältemittel, wie C02 oder Ammoniak, durchströmt wird.

[0048] Der Verdampferteil der Wärmepumpe kann von einem Wärmetauscher gebildet werden. Dieser wird als Sekundärenergie-Wärmetauscher (SWT) bezeichnet, weil im SWT die Wärmeübertragung von der bereits im PWT erwärmten Sole auf das Kältemittel oder umgekehrt erfolgt.

[0049] Ein SWT kann auch ein Wärmetauscher sein, der einen Wärmeübergang von der Sole auf Wasser ermöglicht.

[0050] Der Kondensatorteil der Wärmepumpe bildet in dieser Terminologie einen Tertiärenergie-Wärmetauscher (TWT), da in einer dritten Stufe Wärme vom Kältemittel auf Wasser übertragen wird.

[0051] Zum System gehört ferner ein so genannter Pufferspeicher, der einer geschichteten Speicherung von Wasser für mindestens einen geschlossenen Wasserkreislauf dient. Da warmes Wasser leichter als kaltes Wasser ist, ergibt sich im Pufferspeicher ein Temperaturgefälle von oben nach unten. Durch Zwischenböden, so genannte Schicht- oder Schichtenbleche, können unterschiedliche Abschnitte (Temperaturzonen) voneinander abgegrenzt werden, wobei strömungstechnische Verbindungen zwischen den Abschnitten erlaubt sind.

[0052] Das System ist an mindestens einen Flochtemperatur-Heizkreislauf (insbesondere für Radiatoren) anschließbar. Dazu lässt sich Wasser mit einer Vorlauftemperatur von beispielsweise 50°-90°C aus dem Pufferspeicher entnehmen. Ebenso kann ein Heizkreislauf für Niedrigtemperaturen angeschlossen werden, beispielsweise für Fußbodenheizungen, die mit Vorlauftemperaturen von beispielsweise 20°-60° C arbeiten.

[0053] Das Warmwasser des Pufferspeichers kann ebenso zum Aufheizen von Frischwasser genutzt werden, beispielsweise über einen zwischengeschalteten Wärmetauscher. Dazu weist der Pufferspeicher entsprechende Zu- und Ableitungen für das Zirkulationswasser auf. 4/7

Claims (12)

1. üitSi'ifCSfitNs pätemsst AT10710U1 2009-08-15 [0054] Das in den Pufferspeicher zugeführte Wasser kann entsprechend seiner Temperatur in die entsprechende Temperaturzone geführt werden. [0055] Mindestens ein Abschnitt (eine Temperaturzone) des Pufferspeichers kann eine Zusatz-Heizung, insbesondere eine elektrische Heizung aufweisen, um bei Bedarf unabhängig von den PWTs Wasser im Pufferspeicher aufheizen zu können. [0056] Als SWT oderTWT eignen sich alle Arten von Wärmetauschern, insbesondere Plattenwärmetauscher. [0057] Die einzelnen Systemkomponenten, insbesondere innerhalb der funktionalen Systemkreise (Solekreis, Kältemittelkreis, Wasserkreis) können über geeignete Mehrwegeventile, die auch Mischventile sein können, einzeln oder in Gruppen, gegebenenfalls auch alle gleichzeitig, verbunden werden. Ansprüche 1. Wasserspeicher mit folgenden Merkmalen: 1.1 einem Behälter, dessen Boden (10), Decke (12) und umlaufende Wand (14) einen Behälter-Innenraum (16) begrenzen, mit einer im Funktionszustand des Behälters vertikal verlaufenden Längsachse (M), 1.2 mindestens einem Kaltwasserzulauf (Z) am unteren Ende des Behälters, 1.3 mindestens einem Warmwasserablauf (A) am oberen Ende des Behälters, und 1.4 mindestens einem, den Behälter-Innenraum (16) in übereinander liegende Zonen (16. 4... 16.1) teilenden Zwischenboden (22), dadurch gekennzeichnet, dass 1.5 der Zwischenboden (22) zumindest partiell zur Bildung mindestens einer spaltförmigen Öffnung (26) mit Abstand zur umlaufenden Wand (14) verläuft.
2. 2. Wasserspeicher nach Anspruch 1, dessen Zwischenboden (22) an mindestens einer Stelle (22s) mit der umlaufenden Wand (14) verbunden ist.
3. 3. Wasserspeicher nach Anspruch 1, dessen Zwischenboden (22) an mindestens einer Stelle mit der Decke (12) verbunden ist.
4. 4. Wasserspeicher nach Anspruch 1, bei dem die spaltartige(n) Öffnung(en) (26) parallel zur umlaufenden Wand (14) verlaufen.
5. 5. Wasserspeicher nach Anspruch 1, bei dem die spaltartige(n) Öffnung(en) (26) eine Breite, senkrecht zur umlaufenden Wand zwischen 1 und 50 mm aufweist/aufweisen.
6. 6. Wasserspeicher nach Anspruch 1, bei dem die spaltartige(n) Öffnung(en) (26) eine Breite, senkrecht zur umlaufenden Wand zwischen 1 und 20 mm aufweist/aufweisen.
7. 7. Wasserspeicher nach Anspruch 1, bei dem der Zwischenboden (22) zumindest umfangsseitig zumindest abschnittweise in Richtung auf die Decke (12) des Behälters geneigt verläuft.
8. 8. Wasserspeicher nach Anspruch 7, bei dem der Zwischenboden (22) zumindest umfangsseitig zumindest abschnittweise in Richtung auf die Decke (12) des Behälters gekrümmt verläuft.
9. 9. Wasserspeicher nach Anspruch 1, bei dem der Zwischenboden (22) in einer Aufsicht ein rotationssymmetrisches Profil aufweist.
10. 10. Wasserspeicher nach Anspruch 1, bei dem der Zwischenboden (22) eine Zone (16.1) des Behälters, die Wasser zur Frischwassererwärmung speichert, von einer Zone (16.2), die Wasser für einen Heizkreislauf speichert, trennt. 5/7

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11. 11. Wasserspeicher nach Anspruch 1, bei dem der Zwischenboden (22) eine Zone (16.1), die der Speicherung von Warmwasser im Temperaturbereich 65 bis 90° C dient, von einer Zone (16. 2), die der Speicherung von Warmwasser in einem Temperaturbereich 35 bis 65° C dient, trennt.
12. 12. Wasserspeicher nach Anspruch 1, bei dem der Kaltwasserzulauf (Z) unterhalb des Zwi-schenbodens (22) und der Warmwasserablauf (A) oberhalb des Zwischenbodens (22) angeordnet ist. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 6/7