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Die Erfindung bezieht sich auf einen Schichtenspeicher mit mindestens einem Temperaturfüh- ler sowie ein Verfahren zum Betreiben dieses Schichtenspeichers.
Schichtenspeicher zeichnen sich dadurch aus, dass in ihnen eine Temperaturschichtung statt- findet. Aus dem unteren Bereich wird kaltes Wasser entzogen, das aufgewärmt wird und in dem oberen Bereich dem Speicher wieder zugeführt wird. Hierdurch wird erreicht, dass der Speicher von oben nach unten mit warmem Wasser befüllt wird. In der Regel befindet sich in dem Schich- tenspeicher ein Tauchrohr, durch welches ein oder mehrere Temperaturfühler eingeführt werden.
Unterschreitet die Temperatur an einem Temperatursensor einen vorgegebenen Schwellwert, so ist dies das Signal dafür, dass der Speicher nachgeladen werden muss. Eine Wärmequelle erhitzt das im Speicher befindliche Wasser so lange, bis die Temperatur an einem Temperaturfühler einen vorgegebenen Temperaturwert übersteigt. Bei Wohnhäusern ist man bemüht, stets ein gewisses Warmwasservolumen zu bevorraten, dass sich auf einem vorgegebenen Temperaturniveau befin- det. Dies ist das sogenannte Komforttemperaturvolumen. Ein Warmwasserspeicher ist in der Regel grösser dimensioniert als dieses Komforttemperaturvolumen. Dies hat den Vorteil, dass beim Be- trieb von Brennstoffzellenheizgeräten das restliche Wasservolumen kontinuierlich mit kleiner Last beheizt werden kann.
Nachteile bisheriger Schichtenspeichersysteme gemäss dem Stand der Technik ist, dass das Komforttemperaturvolumen vorgegeben durch die Bauart ist und somit eine individuelle Anpassung an den konkreten häuslichen Bedarf nicht gegeben ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine individuelle Einstellung des Komfort- temperaturvolumens bedarfsgerecht zu ermöglichen. Erfindungsgemäss wird dies durch einen Schichtenspeicher mit mindestens einem Temperaturfühler gemäss Anspruch 1 dadurch erreicht, dass das Höhenniveau des oder der Temperaturfühler einstellbar ist. Bei vorgegebener Quer- schnittsfläche des Warmwasserspeichers ergibt sich somit das Volumen durch die Multiplikation der Speichergrundfläche mit dem entsprechenden Abstand des Temperaturfühlers zur Speicheroberkante.
Gemäss den Merkmalen des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil, dass definierte Einstellhilfen gegeben sind.
Durch die Merkmale des Anspruches 3 werden Varianten dieser Einstellhilfen beschrieben.
Äquivalent hierzu werden gemäss den Merkmalen des Anspruches 4 andere Möglichkeiten der Einstellung der Einstellhilfen aufgezeigt.
Gemäss den Merkmalen des abhängigen Anspruches 5 ergibt sich der Vorteil, dass eine weite- re Möglichkeit der Wärmeeinbringung in den Warmwasserspeicher besteht. Dies ist vor allem für Wärmequellen mit geringer Wärmeleistung sinnvoll, da diese in den kalten Bereich besonders vorteilhaft Wärme abgeben können.
Gemäss den Merkmalen des Anspruches 6 ergibt sich der Vorteil, dass eine besonders sinnvol- le Wärmequelle hierfür gegeben ist. Gemäss den Merkmalen des Anspruches 7 ergibt sich eine andere vorteilhafte Wärmequelle.
Gemäss den Merkmalen des Anspruches 8 werden Wärmequellen bezeichnet, die zum Laden des Schichtenspeichers auch bei hoher Leistung geeignet sind.
Gemäss den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches 9 wird ein vorteilhaftes Ver- fahren zum Betreiben eines Schichtenspeichers mit mindestens einem Temperaturfühler beschrie- ben. Hierbei wird der Schichtenspeicher, sobald die Temperatur an einem ersten Temperaturfühler einen vorgegebenen Wert unterschreitet, mit hoher Wärmeabgabe erwärmt, bis die Temperatur an dem selben oder einem zweiten Temperaturfühler einen anderen vorgegebenen Wert überschrei- tet. Hierdurch wird ein rasches Erwärmen eines Komforttemperaturvolumens erreicht.
Gemäss den Merkmalen des abhängigen Anspruches 10 wird, nachdem die Temperatur an letztgenannten Temperaturfühler einen vorgegebenen Wert überschritten hat, der Schichtenspei- cher nur noch langsam von einer Brennstoffzelle erwärmt. Dies hat den Vorteil, dass eine Brenn- stoffzelle nicht abgeschaltet werden muss, sondern mit geringerer Leistung betrieben wird, was lange Laufzeiten garantiert und somit den Verschleiss minimiert.
Gemäss den Merkmalen des Anspruches 11 wird die niedrige Wärmeabgabe über einen Wär- meaustauscher im unteren Bereich des Schichtenspeichers eingebracht. Somit muss die Wärme- quelle nur ein relativ niedriges Temperaturniveau erreichen.
Gemäss den Merkmalen des Verfahrensanspruches 12 ist das Komforttemperaturvolumen durch Höhenverstellung des zweiten Temperaturfühlers einstellbar.
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Die Erfindung wird nun anhand der Figur erläutert.
Die Figur zeigt einen erfindungsgemässen Schichtenspeicher 4 mit einem Tauchrohr 15, in dem sich zwei Temperaturfühler 17,18 auf unterschiedlichem Höhenniveau befinden. Der Schichten- speicher 4 verfügt über einen Kaltwasseranschluss 21, über den einerseits kaltes Frischwasser zulaufen kann, andererseits kaltes Wasser aus dem Speicher entnommen werden kann, um erhitzt zu werden um anschliessend über einen Warmwasserzulauf 22 im oberen Bereich wieder dem Speicher zugeführt werden zu können. Über den Warmwasserzulauf 22 kann ebenfalls warmes Wasser für eine Verbrauchsstelle 23 entnommen werden. Zwischen dem Kaltwasserzulauf 21 und dem Warmwasserzulauf 22 befindet sich eine Pumpe 9 und ein Wärmeaustauscher 13. Ferner befindet sich in dem Schichtenspeicher 4 ein Wärmeaustauscher 14, der mit einem Brennstoffzel- lenheizgerät 1 verbunden ist.
Das Brennstoffzellenheizgerät 1 ist ebenfalls mit einer hydraulischen Weiche 3 verbunden. Mit dieser hydraulischen Weiche 3 ist auch ein Zusatzheizgerät 2 verbunden.
Auf der Sekundärseite der hydraulischen Weiche 3 befindet sich ein Kreislauf mit einer Pumpe 6 und eine Heizkörperanordnung 5. Parallel dazu befindet sich ein Kreislauf mit einer Pumpe 8 und dem zuvor beschriebenen Wärmetauscher 13. Ein Umschaltventil 11 im Rücklauf des Brennstoff- zellenheizgerätes ermöglicht ein Umschalten vom Kreislauf, der über die hydraulische Weiche 3 geht, zum Kreislauf, der über den Wärmeaustauscher 14 verläuft. Im Rücklauf des Brennstoffzel- lenheizgerätes befindet sich ein Temperaturfühler 20, im Vorlauf des Heizkreislaufes hinter der hydraulischen Weiche 3 befindet sich ein Temperaturfühler 19, und zwischen Wärmeaustauscher 13 und Warmwasserzulauf 22 des Schichtenspeichers 4 befindet sich ein Temperatursensor 16.
Fällt die Temperatur am Temperatursensor 17 unter einen vorgegebenen Schwellwert, so wird die Brennstoffzelle 1 mit hoher Wärmeabgabe betrieben. Die Wärme wird über die hydraulische Weiche 3 und den Wärmeaustauscher 13 dem oberen Bereich des Schichtenspeichers 4 über den Warmwasserzulauf 22 zugeführt, hierdurch wird zunächst der obere Bereich des Schichtenspei- chers 4 erwärmt. Durch das zulaufende warme Wasser gelangt auch warmes Wasser in tiefere Regionen des Schichtenspeichers 4. Überschreitet die am Temperatursensor 18 gemessene Temperatur einen vorgegebenen Schwellwert, so ist dies ein Signal dafür, dass das Komforttempe- raturvolumen gefüllt ist und somit die Leistung der Brennstoffzelle 1 reduziert werden kann.
Nun wird das Umschaltventil 11derart umgeschaltet, dass die geringere Wärmeabgabe der Brennstoff- zelle 1 nicht mehr über den Wärmeaustauscher 13, sondern über den Wärmeaustauscher 14 in den unteren Bereich des Schichtenspeichers 4 eingebracht wird.
Soll das Komforttemperaturvolumen für einen geringen Warmwasserbedarf eingestellt werden, so muss der zweite Temperatursensor 18, der für das Abschalten zuständig ist, sich in einem relativ oberen Bereich des Schichtenspeichers 4 befinden. Mittels einer fest vorgegebenen oder einstell- baren Schablone kann der Temperatursensor 18 von oben durch das Tauchrohr 15 in.den Spei- cher 4 eingebracht werden. Soll der Schichtenspeicher 4 für eine grössere Wohneinheit Verwen- dung finden, so wird der Abstandshalter entnommen, entweder im verstellbaren Fall neu eingestellt oder im anderen Fall durch einen anderen Abstandshalter ersetzt, was letztendlich bewirkt, dass in eingebautem Zustand der zweite Temperatursensor 18 wesentlich weiter im unteren Bereich des Schichtenspeichers 4 positioniert wird. Hierdurch entsteht ein wesentlich grösseres Komforttempe- raturvolumen.
Das Volumen unterhalb des Komforttemperaturvolumens dient hauptsächlich der Pufferung der Brennstoffzellenleistung. Je grösser das Komforttemperaturvolumen ist, desto weni- ger kann bei vorgegebenem Speichervolumen gepuffert werden.
Die Figur zeigt ebenfalls, dass ein Zusatzheizgerät 2 vorgesehen sein kann, das vorwiegend dann eingesetzt wird, wenn die benötigte Heizleistung nicht von dem Brennstoffzellenheizgerät abgedeckt werden kann.
An Stelle eines Brennstoffzellenheizgerätes 1 kann alternativ ein nicht dargestellter Solarkollek- tor Verwendung finden, der kontinuierlich seine Wärmeleistung an den Speicher abgibt.
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The invention relates to a stratified storage tank with at least one temperature sensor and a method for operating this stratified storage tank.
Stratified storage is characterized by the fact that temperature stratification takes place in them. Cold water is withdrawn from the lower area, which is warmed up and returned to the storage area in the upper area. This ensures that the storage tank is filled with warm water from top to bottom. There is usually an immersion tube in the stratified storage tank through which one or more temperature sensors are inserted.
If the temperature at a temperature sensor falls below a predefined threshold value, this is the signal that the memory must be reloaded. A heat source heats the water in the storage tank until the temperature on a temperature sensor exceeds a predetermined temperature value. In residential buildings, efforts are made to always keep a certain hot water volume that is at a predetermined temperature level. This is the so-called comfort temperature volume. A hot water tank is usually larger than this comfort temperature volume. This has the advantage that when operating fuel cell heaters, the remaining water volume can be continuously heated with a low load.
Disadvantages of previous stratified storage systems according to the state of the art are that the comfort temperature volume is predetermined by the design and thus there is no individual adaptation to the specific domestic requirements.
The invention is therefore based on the object of enabling an individual adjustment of the comfort temperature volume as required. According to the invention, this is achieved by means of a stratified storage with at least one temperature sensor according to claim 1 in that the height level of the temperature sensor or sensors can be adjusted. For a given cross-sectional area of the hot water storage tank, the volume is obtained by multiplying the storage area by the corresponding distance of the temperature sensor from the top of the storage tank.
According to the features of claim 2, there is the advantage that defined setting aids are given.
Variants of these setting aids are described by the features of claim 3.
Equivalent to this, other options for setting the setting aids are shown according to the features of claim 4.
According to the features of dependent claim 5, there is the advantage that there is a further possibility of introducing heat into the hot water tank. This is particularly useful for heat sources with low heat output, since they can give off heat particularly advantageously in the cold area.
According to the features of claim 6, there is the advantage that there is a particularly sensible heat source for this. According to the features of claim 7 there is another advantageous heat source.
According to the features of claim 8, heat sources are designated which are suitable for charging the stratified storage even at high power.
According to the features of independent method claim 9, an advantageous method for operating a stratified storage device with at least one temperature sensor is described. As soon as the temperature at a first temperature sensor falls below a predetermined value, the stratified storage is heated with high heat emission until the temperature at the same or a second temperature sensor exceeds another predetermined value. A rapid heating of a comfort temperature volume is hereby achieved.
According to the features of the dependent claim 10, after the temperature at the latter temperature sensor has exceeded a predetermined value, the stratified memory is only slowly heated by a fuel cell. This has the advantage that a fuel cell does not have to be switched off, but is operated at a lower output, which guarantees long running times and thus minimizes wear.
According to the features of claim 11, the low heat emission is introduced via a heat exchanger in the lower area of the stratified storage tank. This means that the heat source only has to reach a relatively low temperature level.
According to the features of method claim 12, the comfort temperature volume can be adjusted by adjusting the height of the second temperature sensor.
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The invention will now be explained with reference to the figure.
The figure shows a stratified storage device 4 according to the invention with an immersion tube 15, in which two temperature sensors 17, 18 are located at different height levels. The stratified storage tank 4 has a cold water connection 21, through which cold fresh water can flow in, on the one hand, and cold water can be removed from the storage tank, on the other hand, in order to be heated and then be returned to the storage tank via a hot water inlet 22 in the upper region. Warm water for a consumption point 23 can also be removed via the hot water inlet 22. There is a pump 9 and a heat exchanger 13 between the cold water inlet 21 and the hot water inlet 22. Furthermore, a heat exchanger 14, which is connected to a fuel cell heating device 1, is located in the stratified storage tank 4.
The fuel cell heating device 1 is also connected to a hydraulic switch 3. An auxiliary heater 2 is also connected to this hydraulic switch 3.
On the secondary side of the low loss header 3 there is a circuit with a pump 6 and a radiator arrangement 5. At the same time there is a circuit with a pump 8 and the previously described heat exchanger 13. A changeover valve 11 in the return of the fuel cell heating device enables a changeover from Circuit that goes through the hydraulic switch 3 to the circuit that runs through the heat exchanger 14. There is a temperature sensor 20 in the return of the fuel cell heater, a temperature sensor 19 in the flow of the heating circuit behind the hydraulic switch 3, and a temperature sensor 16 is located between the heat exchanger 13 and the hot water inlet 22 of the stratified storage tank 4.
If the temperature at the temperature sensor 17 falls below a predetermined threshold value, the fuel cell 1 is operated with high heat emission. The heat is fed via the hydraulic switch 3 and the heat exchanger 13 to the upper area of the stratified storage tank 4 via the hot water inlet 22, as a result of which the upper area of the stratified storage tank 4 is first heated. The incoming warm water also brings warm water into deeper regions of the stratified storage tank 4. If the temperature measured at the temperature sensor 18 exceeds a predetermined threshold value, this is a signal that the comfort temperature volume is filled and thus the performance of the fuel cell 1 is reduced can.
The changeover valve 11 is now switched over in such a way that the lower heat output of the fuel cell 1 is no longer introduced via the heat exchanger 13, but via the heat exchanger 14 into the lower region of the stratified storage device 4.
If the comfort temperature volume is to be set for a low hot water requirement, the second temperature sensor 18, which is responsible for switching off, must be located in a relatively upper area of the stratified storage tank 4. The temperature sensor 18 can be introduced from above through the immersion tube 15 into the memory 4 by means of a fixedly specified or adjustable template. If the stratified storage device 4 is to be used for a larger residential unit, the spacer is removed, either readjusted in the adjustable case or replaced in the other case by another spacer, which ultimately causes the second temperature sensor 18 to move much further in the installed state lower region of the stratified storage 4 is positioned. This creates a much larger comfort temperature volume.
The volume below the comfort temperature volume mainly serves to buffer the fuel cell output. The greater the comfort temperature volume, the less can be buffered for a given storage volume.
The figure also shows that an additional heating device 2 can be provided, which is mainly used when the heating power required cannot be covered by the fuel cell heating device.
Instead of a fuel cell heating device 1, a solar collector (not shown) can be used as an alternative, which continuously emits its thermal output to the storage device.
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