AT17263U1

AT17263U1 - Speicherbehälter für heizungssysteme

Info

Publication number: AT17263U1
Application number: ATGM50154/2020U
Authority: AT
Original assignee: Sonnenkraft Gmbh
Priority date: 2020-07-31
Filing date: 2020-07-31
Publication date: 2021-10-15
Also published as: DE202021104052U1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Speicherbehälter (1) für Heizungssysteme mit mehreren auf verschiedenen Höhen angeordneten Anschlüssen (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11) zur Zufuhr und zur Entnahme von Speichermedium und mit einem elektrischen Nachheizelement (16), das im Inneren des Speicherbehälters (1) angeordnet ist. Eine besondere Energieeffizienz wird dadurch erreicht, dass das elektrische Nachheizelement (16) im untersten Bereich des Speicherbehälters (1) in einem Einbaukanal (12) angeordnet ist, der an einem Ende eine Zufuhröffnung (14) aufweist und der an seinem anderen Ende mit einem im Wesentlichen senkrecht angeordneten Schichtkanal (13) verbunden ist, der in einem oberen Bereich des Speicherbehälters (1) eine Ausströmöffnung (17) aufweist.

Description

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Speicherbehälter für Heizungssysteme mit mehreren auf verschiedenen Höhen angeordneten Anschlüssen zur Zufuhr und zur Entnahme von Speichermedium und mit einem elektrischen Nachheizelement, das im Inneren des Speicherbehälters angeordnet ist.

[0002] Speicherbehälter werden in Heizungssystemen vorgesehen, um Schwankungen in Angebot und im Verbrauch von Energie auszugleichen, was insbesondere in Zusammenhang mit Solaranlagen wesentlich ist. Der Speicherbehälter der vorliegenden Erfindung ist insbesondere für Heizungssysteme in Verbindung mit einer Photovoltaikanlage geeignet.

[0003] Als Heizungssysteme werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht nur Systeme zur Beheizung von Innenräumen von Gebäuden verstanden, sondern insbesondere auch solche Systeme, die zur Warmwasserbereitung vorgesehen sind.

[0004] Es ist bekannt, solche Speicherbehälter so auszulegen, dass der Hauptteil der benötigten Energie über eine externe Wärmequelle, wie etwa eine Wärmepumpe zugeführt wird, die ihrerseits beispielsweise über eine Photovoltaikanlage versorgt wird. Um den Speicherbehälter bestmöglich zu nutzen, ist die Regelung zumeist so ausgelegt, dass bei mangelndem Energieangebot so lange als möglich die benötigte Wärme dem Speicherbehälter entnommen wird. Dabei kann es jedoch zu Situationen kommen, bei denen beispielsweise eine größere Menge Warmwasser benötigt wird, jedoch die externe Wärmequelle nicht in der Lage ist, die Wärme ausreichend schnell in den Speicherbehälter einzubringen. Dies ist in der Regel bei Wärmepumpen der Fall, deren thermische Leistung geringer ist, als der Leistungsbedarf durch Entnahme von Warmwasser. Dieses Problem wird dadurch verschärft, dass die für die Bereitung von Warmwasser benötigte Temperatur in der Regel deutlich höher ist als die benötigte Vorlauftemperatur des Heizkreislaufs, was insbesondere bei energieoptimierten Gebäuden mit Niedertemperaturheizungen der Fall ist.

[0005] Um dieses Problem zu vermeiden, sind Speicherbehälter typischerweise mit einem elektrischen Nachheizelement in der Form einer Heizpatrone versehen, die in der Lage ist, Energie mit einer entsprechenden Leistung in den Speicherbehälter einzubringen.

[0006] Solche Heizpatronen sind einfach, kostengünstig und robust, sind jedoch deutlich weniger effizient als beispielsweise Wärmepumpen, da die Wärme nur aufgrund der Ohm’schen Widerstands erzeugt wird. Dieser Nachteil wird jedoch deshalb in Kauf genommen, da ein solches elektrisches Nachheizelement insgesamt nur einen sehr geringen Teil der gesamten Wärme erzeugt.

[0007] Es kann beim Einsatz von Photovoltaikanlagen auch dazu kommen, dass bei starker Sonneneinstrahlung zeitweise ein Uberangebot von Strom vorliegt. Wenn dieses nicht durch bestehende Verbraucher, wie etwa die Wärmepumpe, verbraucht werden kann und die Einspeisung in ein Stromnetz nicht möglich oder nicht erwünscht ist, dann kann dieses Uberangebot durch den Einsatz des elektrischen Nachheizelements verbraucht werden.

[0008] Es ist Fachpersonen bekannt, dass es ungünstig ist, ein solches elektrisches Nachheizelement im unteren Bereich des Speicherbehälters anzuordnen, da in einem solchen Fall der gesamte Inhalt des Speicherbehälters erwärmt werden muss, um die Temperatur im oberen Bereich anzuheben, wo die Warmwasserbereitung stattfindet. Die gewünschte schnelle Aufheizung könnte damit nur durch extrem große Leistungen erreicht werden, die elektrisch in der Regel nicht bereitgestellt werden können.

[0009] Es ist daher üblich, ein solches elektrisches Nachheizelement im oberen Bereich des Speicherbehälters anzuordnen, da dann nur der für die Warmwasserbereitung benötigte Speicherinhalt erwärmt werden muss.

[0010] Nachteilig an dieser Lösung ist allerdings, dass in einem solchen Fall ein allfälliges Überangebot von Strom durch den Einsatz des elektrischen Nachheizelements nicht oder nur zu ei-

nem geringen Teil verbraucht werden kann, da rasch die zulässige Maximaltemperatur des Speicherinhalts oben erreicht wird, ohne den unteren Teil des Speicherbehälters wesentlich erwärmen zu können.

[0011] Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Lösung anzugeben, bei der es sowohl möglich ist, rasch eine Nacherwärmung bereitzustellen, um die unterbrechungsfreie Warmwasserversorgung zu gewährleisten, als auch ein Uberangebot an Strom durch die Heizpatrone abzubauen.

[0012] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das elektrische Nachheizelement im untersten Bereich des Speicherbehälters in einem Einbaukanal angeordnet ist, der an einem Ende eine Zufuhröffnung aufweist und der an seinem anderen Ende mit einem im Wesentlichen senkrecht angeordneten Schichtkanal verbunden ist, der in einem oberen Bereich des Speicherbehälters eine Ausströmöffnung aufweist.

[0013] Durch die vorliegende Erfindung wird folgende Funktionsweise des Heizungssystems ermöglicht:

[0014] Wenn der gesamte Speicherinhalt auf einem bestimmten Temperaturniveau ist, das zu gering für die Warmwasserbereitung ist, dann wird das elektrische Nachheizelement in Betrieb gesetzt. Zunächst wird das Speichermedium im Einbaukanal erwärmt. Aufgrund des thermisch bedingten Auftriebs steigt das erwärmte Medium im Schichtkanal aufwärts und tritt aus der Ausströmöffnung aus. Auf diese Weise wird der Bereich oberhalb der Ausströmöffnung erwärmt, was relativ rasch erfolgen kann, da dieser Bereich typischerweise nur ein Drittel oder weniger des gesamten Speicherinhalts ausmacht. Auf diese Weise kann rasch die Temperatur so weit angehoben werden, dass die Warmwasserbereitung wie erwünscht möglich ist. Der untere und mittlere Bereich des Speichers bleibt auf einem geringeren Temperaturniveau und kann später erwärmt werden, sobald die Wärmepumpe aufgrund entsprechender Sonneneinstrahlung entsprechend Energie liefert.

[0015] Wenn es jedoch erforderlich oder erwünscht ist, weitere Wärme über die Heizpatrone einzuspeisen, dann kann dies ohne besondere Nachteile erfolgen, da dann weiteres erwärmtes Speichermedium über den Schichtkanal nach oben geführt wird, so dass sich oben ein immer größerer Bereich erwärmten Speichermediums bildet, dessen Untergrenze nach und nach unter die Ausströmöffnung gedrückt wird. Auf diese Weise kann praktisch der gesamte Speicherbehälter bis zur Maximaltemperatur erwärmt werden.

[0016] Wesentlich an der Erfindung ist, dass sowohl eine schnelle lokale Temperaturerhöhung als auch bei Bedarf eine Einbringung größerer Energiemengen durch das elektrische Nachheizelement möglich ist.

[0017] Als besonders günstig hat es sich herausgestellt, wenn der Schichtkanal über seinen gesamten Verlauf abgeschlossen ist. Bekannte Schichtkanäle weisen eine Vielzahl von Öffnungen auf, die über die Höhe verteilt angeordnet sind, um zugeführtes heißes Medium an der optimalen Stelle ausströmen zu lassen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wäre dies allerdings nachteilig, da hierdurch die gewünschte schnelle Aufheizung nicht mehr gegeben wäre. Daher ist es besonders günstig, wenn der Schichtkanal nur eine einzige Öffnung oben aufweist.

[0018] Eine besonders begünstigte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass im mittleren Bereich des Speicherbehälters eine Schichttrennplatte vorgesehen ist und dass die Ausströmöffnung des Schichtkanals oberhalb dieser Schichttrennplatte angeordnet ist. Eine solche Schichttrennplatte ist typischerweise waagrecht angeordnet und weist eine Vielzahl von Ausnehmungen auf, durch die der Bereich oberhalb mit dem Bereich unterhalb der Schichttrennplatte miteinander verbunden sind. Auf diese Weise wird die Temperaturschichtung im Speicherbehälter unterstützt, insbesondere zwischen einem primär für die Warmwasserbereitung vorgesehenen oberen Bereich und einem für die Heizung vorgesehenen unteren Bereich. Durch die Anordnung der Ausströmöffnung des Schichtkanals oberhalb der Schichttrennplatte wird eine direkte Einbringung des erwärmten Mediums in den oberen Bereich ermöglicht.

[0019] Ein schnelles Anspringen der Zirkulationsströmung nach der Aktivierung der Heizpatrone kann dadurch erreicht werden, dass der Einbaukanal ausgehend von der Zufuhröffnung ansteigend ausgebildet ist.

[0020] Vorzugsweise ist das elektrische Nachheizelement als Heizstab ausgebildet. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Lösung.

[0021] Es hat sich als besonders günstig herausgestellt, wenn der Heizstab eine Länge aufweist, die zwischen 50% und 80% der Länge des Einbaukanals beträgt. Dadurch können Verluste durch die Ausströmung von erwärmtem Speichermedium durch die Zufuhröffnung minimiert werden.

[0022] Ein optimaler Betrieb kann insbesondere dadurch gewährleistet werden, dass oberhalb der Ausströmöffnung des Schichtkanals ein Warmwasserbereitungsmodul vorgesehen ist.

[0023] Ein einfacher Aufbau wir dadurch erreicht, dass der Schichtkanal an einer Außenwand des Speicherbehälters anliegt. Auf diese Weise bildet die Außenwand des Speicherbehälters einen Teil der Wand des Schichtkanals. Dadurch wird auch die Wärmeleitung zwischen dem Schichtkanal und dem restlichen Innenraum verringert.

[0024] Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Heizungssystem mit einem Speicherbehälter der oben beschriebenen Art, bei dem das elektrische Nachheizelement durch eine Photovoltaikanlage versorgt ist. Dies ermöglicht eine optimale Ausnutzung des Solarstroms auch bei nicht gegebener Möglichkeit einer Netzeinspeisung.

[0025] Die Erfindung ist insbesondere besonders vorteilhaft, wenn der Speicherbehälter mit einer Wärmepumpe in Verbindung steht.

[0026] In der Folge wird die vorliegende Erfindung anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

[0027] + Fig. 1 eine aufgerissene Schrägansicht eines erfindungsgemäßen Speicherbehälters;

[0028] + Fig. 2 und Fig. 3 Diagramme, die die Schaltung der erfindungswesentlichen Komponenten erklären.

[0029] Fig. 1 zeigt einen Speicherbehälter 1 mit einer im Wesentlichen senkrecht angeordneten zylindrischen Außenwand 2. In der Außenwand 2 sind in an sich bekannter Weise diverse Anschlüsse vorgesehen, nämlich:

3 Vorlauf Wärmepumpe Warmwasser; 4 Rücklauf Wärmepumpe Warmwasser 5 Vorlauf Wärmepumpe Heizung;

6 Rücklauf Wärmepumpe Heizung;

7 Anschluss für Pelletskessel 0. dgl.;

8 Vorlauf Heizung Radiatoren;

9 Vorlauf Heizung Niedertemperatur; 10 Rücklauf Heizung Radiatoren;

11 Rücklauf Heizung Niedertemperatur.

[0030] Im unteren Bereich des Speicherbehälters 1 ist ein Einbaukanal 12 vorgesehen, an den ein senkrecht angeordneter Schichtkanal 13 anschließt. Der Einbaukanal 12 besitzt eine ZufuhrÖffnung 14, die unmittelbar am Boden 15 des Speicherbehälters 1 vorgesehen ist. Der Einbaukanal 12 ist waagrecht oder leicht ansteigend ausgebildet und es ist im Inneren ein elektrisches Nachheizelement 16 in der Form eines Heizstabs angeordnet, der typischerweise eine Maximalleistung von etwa 7,5 kW bei 400 V aufweist und eine Einbaulänge von etwa 750 mm haben kann. Der Schichtkanal 13 liegt an der Außenwand 2 des Speicherbehälters 1 an und besitzt eine

Ausströmöffnung 17, die in einem oberen Bereich des Speicherbehälters 1 auf etwa 80% seiner Höhe angeordnet ist.

[0031] Im Speicherbehälter 1 ist in einem mittleren Bereich eine Schichttrennplatte 18 mit einer Vielzahl von Öffnungen 19 vorgesehen, um eine möglichst stabile Temperaturschichtung zu gewährleisten.

[0032] Ein Warmwassermodul 20 ist in an sich bekannter Weise im oberen Bereich des Speicherbehälters 1 angebracht, das im Wesentlichen einen Wärmetauscher zur Erwärmung von Brauchwasser aufweist. Das Warmwassermodul 20 wird über eine Zufuhrleitung 21 mit heißem Speichermedium vom obersten Punkt des Speicherbehälters 1 versorgt und führt das abgekühlte Speichermedium über eine Rückführleitung 22 an einen unten gelegenen Punkt des Speicherbehälters 1 zurück.

[0033] Eine interne Rückführleitung 23 dient zur Zufuhr von heißem Wärmeträgermedium beispielsweise von einer thermischen Solaranlage, die durch eine Saugleitung 24 mit kühlem Wärmeträgermedium aus dem unteren Bereich des Speicherbehälters 1 versorgt wird. Die Rückführleitung 23 besitzt eine weitere Ausströmöffnung 25 im oberen Bereich in der Nähe der Ausströmöffnung 17 des Schichtkanals 13.

[0034] Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Heizungssystem in der Form eines Schaltungsdiagramms. Eine Wärmepumpe 26 liefert über zwei Kreisläufe einerseits Wärme auf einem höheren Temperaturniveau von typischerweise 60°C oder mehr für die Warmwasserbereitung und andererseits Wärme auf einem niederen Temperaturniveau für die Heizung.

[0035] Die Kreisläufe werden über Umschaltventile 35 und 36 je nach Bedarf angesteuert.

[0036] Der erste Kreislauf erfolgt von der Wärmepumpe 26 zum Vorlauf Wärmepumpe Warmwasser 3 zurück vom Rücklauf Wärmepumpe Warmwasser 4. Der zweite Kreislauf erfolgt von der Wärmepumpe 26 zum Vorlauf Wärmepumpe Heizung 5 und zurück vom Rücklauf Wärmepumpe Heizung 6. Die Umgebung, der die Wärmepumpe 26 Energie entzieht, ist mit 27 bezeichnet, das kann wie üblich Luft oder eine Tiefenbohrung sein.

[0037] Der Speicherbehälter 1 versorgt über die Anschlüsse 9 und 10 ein Niedertemperaturheizungssystem 28, beispielsweise eine Fußbodenheizung.

[0038] Das Warmwassermodul 20 wird über einen Kaltwasseranschluss 29 versorgt und gibt Warmwasser an einen Warmwasseranschluss 30 ab. Eine thermische Solaranlage 32 ist über einen Wärmetauscher 37 über Anschlüsse angeschlossen, die mit der internen Rückführleitung 23 und der Saugleitung 24 in Verbindung stehen.

[0039] Die Querschnittsfläche des Schichtkanals 13 beträgt in einem typischen Querschnitt, wie mit Ebene 31 in Fig. 3 angedeutet etwa 50 mm mal 150 mm, also 75 cm?.

[0040] Versuche haben ergeben, dass eine besonders gute Wirkung erreicht wird, wenn sich die Grashof-Zahl in einem Bereich zwischen 0,01 und 1, vorzugsweise zwischen 0,02 und 0,1 bewegt. Die Grashof-Zahl Gr ist eine dimensionslose Kennzahl der Strömungslehre, die zur Abschätzung von Strömungen bei natürlicher thermischer Konvektion verwendet wird. Sie gibt das Verhältnis des statischen Auftriebs eines Fluids zu der auf das Fluid wirkenden Kraft durch Viskosität an, multipliziert mit dem Verhältnis der Trägheitskraft zur viskosen Kraft.

[0041] Die Grashof-Zahl wird folgendermaßen berechnet:

«vV: _— HE

v2

wobei g die Erdbeschleunigung (9,8 m/s?), y den Ausdehnungskoeffizient von Wasser, Ts - T eine charakteristische Temperaturdifferenz, | eine charakteristische Länge und v die kinematische Viskosität bedeuten.

[0042] Da es beabsichtigt ist, schnell eine Temperatur von 60°C im oberen Bereich zu erreichen, auch wenn unten beispielsweise nur 20°C vorliegen, wird die charakteristische Temperaturdiffe-

renz mit 40 K angenommen und der Ausdehnungskoeffizient von Wasser wird bei einer Temperatur von etwa 60°C mit 0,4 . 10% K" abgeschätzt.

[0043] Die kinematische Viskosität von Wasser beträgt bei 60°C etwa 4,7 . 10 Pas.

[0044] Als charakteristische Länge ist der hydraulische Durchmesser des Schichtkanals zu nehmen. Wenn man nun die Querschnittsabmessungen des Schichtkanals mit 50 mm mal 150 mm festlegt, dann beträgt der hydraulische Durchmesser des Schichtkanals 75 mm, was die charakteristische Länge darstellt.

[0045] Aus der obigen Formel (1) ergibt sich somit bei diesem Ausführungsbeispiel eine GrashofZahl von 0,07.

[0046] Die Querschnittsfläche des Schichtkanals 13 ist damit so dimensioniert, dass eine nennenswerte Durchströmung des Schichtkanals 13 erst bei einer minimalen Temperaturdifferenz zustande kommt, so dass eine besonders schnelle Erwärmung des obersten Bereichs der Speicherbehälters 1 erzielt wird.

[0047] Die Wärmepumpe 26 wird primär über eine Photovoltaikanlage 33 mit Strom versorgt, eine zusätzliche Netzanbindung kann vorgesehen sein. Die Photovoltaikanlage 33 kann auch zur Versorgung des elektrischen Nachheizelements 16 herangezogen werden.

[0048] Die Konvektionsströmung, die durch den Betrieb des elektrischen Nachheizelements 16 hervorgerufen wird, ist in Fig. 2 mit Pfeilen 34 gekennzeichnet.

Claims

Ansprüche

1. Speicherbehälter (1) für Heizungssysteme mit mehreren auf verschiedenen Höhen angeordneten Anschlüssen (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11) zur Zufuhr und zur Entnahme von Speichermedium und mit einem elektrischen Nachheizelement (16), das im Inneren des Speicherbehälters (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Nachheizelement (16) im untersten Bereich des Speicherbehälters (1) in einem Einbaukanal (12) angeordnet ist, der an einem Ende eine Zufuhröffnung (14) aufweist und der an seinem anderen Ende mit einem im Wesentlichen senkrecht angeordneten Schichtkanal (13) verbunden ist, der in einem oberen Bereich des Speicherbehälters (1) eine Ausströmöffnung (17) aufweist.

2. Speicherbehälter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtkanal (13) über seinen gesamten Verlauf abgeschlossen ist.

3. Speicherbehälter (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem mittleren Bereich des Speicherbehälters (1) eine Schichttrennplatte (18) vorgesehen ist und dass die Ausströmöffnung (17) des Schichtkanals (13) oberhalb der Schichttrennplatte (18) angeordnet ist.

4. Speicherbehälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einbaukanal (12) ausgehend von der Zufuhröffnung (14) ansteigend ausgebildet ist.

5. Speicherbehälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Nachheizelement (16) als Heizstab ausgebildet ist, der vorzugsweise eine Länge aufweist, die zwischen 50% und 80% der Länge des Einbaukanals (12) beträgt.

6. Speicherbehälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtkanal (13) so dimensioniert ist, dass im Betrieb die Grashof-Zahl in einem Bereich zwischen 0,01 und 1, vorzugsweise zwischen 0,02 und 0,1 liegt.

7. Speicherbehälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Ausströmöffnung (17) des Schichtkanals (13) ein Warmwasserbereitungsmodul (20) vorgesehen ist.

8. Speicherbehälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtkanal (13) an einer Außenwand (2) des Speicherbehälters (1) anliegt.

9. Heizungssystem mit einem Speicherbehälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Nachheizelement (16) durch eine Photovoltaikanlage (33) versorgt ist.

10. Heizungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherbehälter (1) mit einer Wärmepumpe (26) in Verbindung steht.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen