AT508738B1

AT508738B1 - Mehrzonen-schichtladespeicher

Info

Publication number: AT508738B1
Application number: ATA831/2010A
Authority: AT
Original assignee: Zeeh Joachim
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2010-05-20
Publication date: 2012-12-15
Also published as: CH701147B1; CH701147A2; DE102009026420A1; DE102009026420B4; AT508738A3; AT508738A2

Abstract

Bei einem Mehrzonen-Schichtladespeicher für eine Heizungsanlage mit einer Schichtladung, die wenigstens in eine Pufferspeicherzone (3) und eine darüber liegende Warmwasserladungszone (2) unterteilt ist, die Ladungszonen (2, 3) durch eine waagerecht angeordnete durchlässige Trennscheibe (5) voneinander getrennt sind, und einer Heizfläche (4) im Innern des Speicherbehälters (1), die als Kondensator einer Wärmepumpe ausgebildet und in der Pufferladungszone (3) mit Strömungsleitvorrichtungen (6, 71, 72) versehen ist, ist die Heizfläche (4) an eine Wärmequelle (8) angeschlossen und wenigstens im wesentlichen über die gesamte Höhe der Schichtladung reichend angeordnet und sie weist am Eingang einen höheren Wärmeübergang zum Speichermedium als am Ausgang auf und im unteren Pufferladungszonenbereich (3) ist ein Einspritzring (71) und im oberen Pufferladungszonenbereich (3) ist ein Absaugring (72) angeordnet, die an einen Heizkreis (7, 70) angeschlossen sind.

Description

österreichisches Patentamt AT508 738B1 2012-12-15

Beschreibung

MEHRZONEN-SCHICHTLADESPEICHER

[0001] Die Erfindung betrifft einen Heizwasserpufferspeicher mit Warmwasserbereitung. Das Anwendungsgebiet der Erfindung sind Heizungsanlagen im Wohn- und Gewerbebau.

[0002] Heizwasserpufferspeicher mit integrierter Warmwasserbereitung sind bekannt. Die Heizwasserpufferspeicher sind in aller Regel für den Anschluss an mehrere Heizquellen ausgelegt. Um die hygienischen Anforderungen hinsichtlich der Trinkwasserqualität zu erfüllen, muss eine Aufheizung des Warmwassers auf etwa 60 °C realisiert werden. Die relativ schlechten Wärmeübergänge vom Heizmittel der Heizquelle an das Heizwasser und vom Heizwasser an das Warmwasser in Verbindung mit der räumlichen Entfernung der Komponenten beeinträchtigen allerdings den Wirkungsgrad derartiger Anlagen. Die Einbindung einer Wärmepumpe in ein Heizungssystem mit Pufferspeicher ist aus dem DE-Gebrauchsmuster 20 2006 018 320 bekannt. Die bekannte Lösung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmegewinnung. Sie weist wenigstens einen Boiler auf, der eine temperaturgeschichtete Flüssigkeit enthält. In der Regel ist der Boiler mit Wasser gefüllt, wobei auch jedes andere wärmetragende Medium geeignet ist. Die Flüssigkeit im Boiler ist temperaturgeschichtet, so dass sich im Boiler stets mindestens eine Schicht mit kalter Flüssigkeit und darüber liegend mindestens eine Schicht mit warmer Flüssigkeit befindet. In der Regel ist an der Kaltseite des Boilers noch ein Zufluss für die Flüssigkeit, insbesondere Kaltwasser vorgesehen, während an der Warmseite ein Abfluss für erwärmte Flüssigkeit, insbesondere Warmwasser vorgesehen ist. Die erwärmte Flüssigkeit wird insbesondere zu Heizzwecken genutzt, wobei alternativ oder zusätzlich auch Warmwasser zu Haushaltszwecken entnehmbar ist. Zur Erwärmung der Flüssigkeit im Boiler ist ein Wärmetauscher vorgesehen, dessen Sekundärseite einerseits mit der Kaltseite und andererseits mit der Warmseite des Boilers verbunden ist. Die Sekundärseite des Wärmetauschers bildet mit dem Boiler einen in sich geschlossenen Kreislauf, der ausschließlich durch Konvektion der Flüssigkeit im Boiler angetrieben wird. Die im Kreislauf befindliche Strömungsmenge ist unmittelbar an den Wärmeeintrag gekoppelt, damit die Temperaturschichtung gewährleistet bleibt. Der Einsatz eines Durchlauferhitzers verbessert die Heizmittelauskühlung bis in die Nähe der Kaltwassertemperatur und damit den Entladewirkungsgrad. Eine bekannte Lösung für Durchlauferhitzer zeigt das DE-Gebrauchsmuster 299 09 526 mit einem Warmwasserbereitungssystem im Durch-fluss-Gegenstrom-Prinzip. Die bekannte Lösung besteht aus einem Pufferspeicher, der über eine mit der Wärmezentrale verbundene Vorlaufleitung mit Heizwasser geladen wird, einer gewendelten rohrförmigen Wärmetauscherfläche aus korrosionsbeständigem Material, einer über die Trinkwasser-Austrittstemperatur geregelten Umwälzpumpe, einer Zirkulationsleitung, sowie Rücklaufanschluss und Messfühlern, wobei die gewendelte rohrförmige Wärmetauscherfläche von einem biegsamen, temperatur- und druckbeständigen Strömungsrohr so umgeben ist, dass ein ringförmiger Strömungsspalt entsteht und dass die Zirkulationsleitung in die gewendelte rohrförmige Wärmetauscherfläche einmündet. Eine weitere bekannte Lösung ist ein Warmwasserbereiter nach der DE-OS 32 04 684. Der bekannte Warmwasserbereiter wird an eine Wärmepumpenanlage angeschlossen. Der Speicherbehälter umfasst einen oberen Brauchwasserbereich und einen unteren Pufferbereich, die über eine Trennwand voneinander getrennt sind. Der Pufferbereich ist an eine Heizungsanlage anschließbar. Die Heizfläche ist als Kondensator der Wärmepumpenanlage ausgebildet und umfasst einen den Brauchwasserbereich und einen den Pufferbreich versorgenden Abschnitt. Aus dem DE-Gebrauchsmuster 203 11 580 ist ferner ein Zonenschichtspeicher insbesondere zur solaren Beladung bekannt. Im oberen Bereich eines Kesselinnenraumes befindet sich ein Wärmetauscher für die Einbringung von Wärmeenergie, z.B. solarer Energie. Unterhalb dieses Wärmetauschers ist in einem unteren Bereich des Kesselinnenraumes ein Anschluss zur Verbindung des Kesselinnenraumes mit dem Vorlauf einer Heizungsanlage angeordnet, nahe dem Boden des Kessels ist ein Anschluss zur Verbindung des Kesselinnenraumes mit dem Rücklauf der Heizungsanlage angeordnet. Zwischen dem oberen und dem unteren Bereich des Kesselinnenraumes ist eine durchlässige Trennwand vorgesehen, die mit Strömungsleiteinrichtungen in Form perforierter Rohre verbun- 1 /6 österreichisches Patentamt AT508 738B1 2012-12-15 den ist. Aus der einen Speicherbehälter für Heizungsanlagen betreffenden US 5,054,437 sind darüber hinaus Strömungsleiteinrichtungen in Form eines Einspritz- und eines Absaugringes bekannt, die am unteren bzw. oberen Boden des Speicherbehälters angeordnet sind. Die bekannten Lösungen sind immer dann, wenn die Wärmezufuhr über Fernheizung, Wärmepumpen oder thermische Solarkollektoren erfolgt, durch relativ hohe Herstellungskosten bei immer noch relativ geringem Wirkungsgrad gekennzeichnet. Der geringe Wirkungsgrad ergibt sich als Folge der aus hygienischen Gründen erforderlichen Betriebstemperaturen für die Trinkwassererwärmung von über 60 °C. Die bekannten Systeme mit Wärmepumpen und Fernheizung haben den Nachteil der schlechten Heizmittelauskühlung und zu häufiger Taktung bei der Wärmezufuhr für die Warmwasserbereitung.

[0003] Daraus ergibt sich als Aufgabe der Erfindung, die Herstellungskosten von Pufferspeichern für Wärmepumpen, Fernheizung und andere Wärmequellen mit Warmwasserbereitung zu senken und den Wirkungsgrad zu verbessern.

[0004] Die Aufgabe wird gelöst mit einem Mehrzonen-Schichtladespeicher nach Patentanspruch 1. Der erfindungsgemäße Mehrzonen-Schichtladespeicher für eine Heizungsanlage verfügt über eine an die Gebäudeheizung angeschlossene Pufferspeicherzone. Eine Heizfläche mit nahe dem Eingang höherem Wärmeübergang zum Speichermedium als nahe dem Ausgang ist im Innern des Speicherbehälters wenigstens im Wesentlichen über die gesamte Höhe der Schichtladung reichend angeordnet und an eine Wärmequelle angeschlossen. Die Schichtladung ist wenigstens in eine Pufferspeicherzone und eine darüber liegende Warmwasserladungszone unterteilt. Die Schichtladezonen sind voneinander abgeschieden, indem zwischen den Ladungszonen eine waagerechte Trennscheibe angeordnet ist, die perforiert und/oder am Rand durchlässig ausgebildet ist. Die Heizfläche ist als Kondensator einer Wärmepumpe ausgebildet. Damit erfolgt die Wärmeübertragung vom Kältemittel auf das Speichermedium in der Warmwasserladungszone überwiegend durch Konvektion und in der Pufferladungszone überwiegend durch Kondensation des Kältemittels bzw. im unteren Bereich durch Kondensatauskühlung. Die Konvektion in der Warmwasserladungszone beruht auf dem Abbau der Überhitzung des in Form von Heißgas zugeführten Kältemittels. Dabei kühlt sich das Kältemittel beispielsweise um etwa 20 bis 30 K ab. Anstatt einer Wärmepumpe kann die Heizmittelversorgung der Heizfläche auch von jeder anderen Heizquelle oder einer wie auch immer gearteten Kombination mehrerer Heizquellen ausgehen. Beispielhaft seien Fernwärmeanschluss, Sonnenkollektoren oder ein weiterer Heizkreis genannt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Heizfläche in der Pufferladungszone mit Strömungsleitvorrichtungen versehen ist. Die Strömungsleitvorrichtungen sind als die Heizfläche umgebende unterbrochene Leitbleche und/oder einen im unteren Pufferladungszonenbereich angeordneten Einspritzring und einen im oberen Pufferladungszonenbereich angeordneten Absaugring, die an den Heizkreis angeschlossen sind, ausgebildet. Die Strömungsleitvorrichtungen sorgen für einen hydraulischen Abgleich und verbessern den Wärmeübergang von der Heizfläche zum Speichermedium in der Pufferladungszone durch Erzeugung eines Gegenstroms an der Heizfläche. Der Gegenstrom wird vom Heizkreis, insbesondere von einer üblicherweise vorhandenen Heizkreispumpe angetrieben. Er bewirkt eine weitestgehende Auskühlung des Heizflächenmediums.

[0005] Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mehrzonen-Schichtladespeichers wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in [0006] Fig. 1 ein Blockschema eines erfindungsgemäßen Mehrzonen- Schichtladespeichers und [0007] Fig. 2 den Mehrzonen-Schichtladespeicher nach Fig. 1 mit Trinkwassererhitzer.

[0008] Fig. 1 zeigt einen Mehrzonen-Schichtladespeicher 1 mit einer oberen Warmwasserla-dungszone 2 und einer unteren Pufferspeicherzone 3, die von einer perforierten Trennscheibe 5 voneinander abgetrennt sind. Die Warmwasserladungszone 2 und die Pufferspeicherzone 3 sind über einen Zulauf 31 und einen Ablauf 32 mit einem Heizkreis verbunden, der wenigstens einen Wärmeverbraucher 7 und eine Pumpe 70 umfasst. Über die gesamte Höhe der Speicher- 2/6 österreichisches Patentamt AT508 738B1 2012-12-15 ladung erstreckt sich eine Heizfläche 4 in Form einer Wendel mit nahe dem Eingang höherem Wärmeübergang zum Speichermedium als nahe dem Ausgang, beispielsweise durch verschiedene Steigungswinkel. Die Heizfläche 4 ist als Kondensator einer Wärmepumpe 8 ausgebildet, so dass sie von einem Kältemittel durchflossen wird, das vorzugsweise als überhitztes Heißgas einströmt und flüssig mit nahezu Kaltwassertemperatur die Heizfläche 4 verlässt. Beim Übergang von der Warmwasserladungszone 2 zur Pufferspeicherzone 3 hat das Kältemittel eine um 20 bis 30 K niedrigere Temperatur als beim Eintritt in die Heizfläche 4. In der Warmwasserladungszone 2 erfolgt der Wärmeübergang von der Heizfläche 4 auf das Speichermedium durch Konvektion. In der Pufferspeicherzone 3 hingegen wird mittels eines im unteren Bereich angeordneten und als Eingang an den Heizkreis angeschlossenen Einspritzringes 71 und eines im oberen Bereich angeordneten und als Ausgang an den Heizkreis angeschlossenen Absaugringes 72 ein zum Kältemittelfluss in der Heizfläche 4 entgegengesetzt gerichteter Strom des Speichermediums erzeugt. Der durch gestrichelte Pfeile verdeutlichte Gegenstrom wird durch Leitbleche 6 entlang der Heizfläche 4 geführt. Die Heizfläche 4 kann auf den Anwendungsfall abgestimmt näher oder ferner der Speicherwandung angeordnet sein, so dass die Ausbildung der Leitbleche 6 und ihre Anordnung und die Ausbildung des Einspritzrings 71 und des Absaugrings 72 entsprechend variieren kann. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Heizfläche 4 nahe der Speicherwandung angeordnet, wodurch der Gegenstrom zwischen der Speicherwandung und den Leitblechen 6 entsteht. Ist die Heizfläche 4 zentraler angeordnet, kann der Gegenstrom auch zwischen inneren und äußeren Leitblechen 6 erzeugt werden. Durch Unterteilung der Leitbleche 6 können zusätzliche Heizkreise an den Mehrzonen-Pufferspeicher 1 angeschlossen werden. Die Wärmepumpe 8 unterliegt einer Regelung 81 anhand der Ist-Temperaturen in der Warmwasserladungszone 2, die mittels eines Temperatursensors 812 erfasst wird, und in der Pufferspeicherzone 3, die mittels eines Temperatursensors 813 erfasst wird. Die Regelung kann zur Auslösung einer Vorrangschaltung zugunsten der Warmwasserbereitung in der Form dienen, dass bei Unterschreiten einer Soll-Temperatur an Sensor 812 eine Erhöhung der Kältemitteltemperatur vorrangig für die Warmwasserbereitung zur Verfügung steht. Der Sensor 813 kann ebenso zur Regelung der Temperatur des Heizkreises geschaltet sein.

[0009] Fig. 2 zeigt den Mehrzonen-Schichtladespeicher nach Fig. 1 mit einem Trinkwasserdurchflusserhitzer 9. Der Durchflusserhitzer 9 besteht aus einer gewendeten Trinkwasserleitung 90, die mit einem Kaltwasseranschluss 21 und einem Warmwasseranschluss 22 an das Trinkwassernetz angeschlossen ist, und einem die Trinkwasserleitung 90 konzentrisch umgebenden Rohr 91 mit relativ schlechtem Wärmeübergang. Das Rohr 91 ist im oberen Bereich der Warmwasserladungszone 2 offen, unten aber aus dem Speicherbehälter 1 herausgeführt sowie über eine Ladepumpe 92 und den Anschluss 31 mit dem Einspritzring 71 verbunden. Der Anschluss 31 ist dazu vorteilhaft als T-Stück ausgebildet. Mittels der Ladepumpe 92 wird heißes Speichermedium aus dem oberen Bereich der Warmwasserladungszone 2 in das oben offene Rohr 91 gesaugt und über den Einspritzring 71 in den Gegenstrom entlang der Heizfläche 4 eingetragen. Dadurch strömt das Speichermedium entlang der Trinkwasserleitung 90 und erwärmt dabei über die Trinkwasserleitung 90 das darin befindliche bzw. strömende Trinkwasser. 3/6

Claims

österreichisches Patentamt AT508 738B1 2012-12-15 Patentansprüche 1. Mehrzonen-Schichtladespeicher für eine Heizungsanlage mit einer Schichtladung, die wenigstens in eine Pufferspeicherzone (3) und eine darüber liegende Warmwasserladungszone (2) unterteilt ist, die Ladungszonen (2, 3) durch eine waagerecht angeordnete durchlässige Trennscheibe (5) voneinander getrennt sind, und einer Heizfläche (4) im Innern des Speicherbehälters (1), die als Kondensator einer Wärmepumpe ausgebildet und in der Pufferladungszone (3) mit Strömungsleitvorrichtungen (6, 71, 72) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizfläche (4) an eine Wärmequelle (8) angeschlossen und wenigstens im Wesentlichen über die gesamte Höhe der Schichtladung reichend angeordnet ist und am Eingang einen höheren Wärmeübergang zum Speichermedium als am Ausgang aufweist und im unteren Pufferladungszonenbereich (3) ein Einspritzring (71) und im oberen Pufferladungszonenbereich (3) ein Absaugring (72) angeordnet sind, die an einen Heizkreis (7, 70) angeschlossen sind.
2. Mehrzonen-Schichtladespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizfläche (4) als Wärmetauscher für eine Fernheizung ausgebildet ist.
3. Mehrzonen-Schichtladespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizfläche (4) als Wärmetauscher für Sonnenkollektoren ausgebildet ist. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 4/6