CH694597A5 - Wärmespeicher für eine Warmwasserheizung und zur Aufbereitung von Hygienewarmwasser. - Google Patents

Description

  



   Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher für eine Warmwasserheizung  und für eine Hygiene-Warmwasserbereitung, mit einem Behälter zur  Aufnahme von Heizungswasser, in dessen unterem Bereich eine Heizeinrichtung  und in dessen oberem Bereich ein vom Hygienewasser durchflossener  Wärmetauscher vorgesehen ist, und mit einem höhenmässig im mittleren  Bereich des Behälters angeordneten Vorlauf und im unteren Bereich  des Behälters angeordneten Rücklauf für das Heizungswasser. 



   Wärmespeicher dieser Art gestatten eine saubere Warmwasserbereitung  für Hygienewasser und gleichzeitig eine Raumheizung. Durch die im  unteren Bereich des Innenraumes des Wärmespeichers vorgesehene Heizeinrichtung  wird das im Wärmespeicher vorhandene Heizungswasser aufgeheizt. Es  strömt durch thermischen Auftrieb nach oben, wo es die Hygienewasser-Wärmetauscher  umströmt und in dem Fall, wenn Hygienewarmwasser entnommen wird,  in Abhängigkeit der Entnahme von Hygienewarmwasser mehr oder weniger  abgekühlt wiederum nach unten strömt. 



   Bei diesen bekannten Wärmespeichern kommt es bei grösserer Heizungswasserumwälzung  infolge verstärkter Raumheizung zu einer starken Durchströmung des  Innenraumes des Behälters und damit auch zu relativ grossen Temperaturschwankungen,  vor allem im oberen Bereich des Innenraumes des Wärmespeichers, was  insofern unangenehm ist, als dann auch das Hygienewarmwasser in Abhängigkeit  der Heizleistung ungleichmässig hohe Temperaturen aufweist. Ein weiterer  Nachteil ist noch darin zu sehen, dass bei einer grösseren Hygienewarmwasser-Entnahme  die Temperatur des Heizungswassers stark absinkt. Ein oftmaliges  Aufheizen durch Anfahren der Heizeinrichtung, der z.B. als Brenner  ausgebildet ist, ist dann erforderlich. Bei Verwendung von Solarenergie  für die Heizeinrichtung kann es zu Engpässen für Warmwasser kommen.

                                                              



   Die Erfindung bezweckt die Vermeidung dieser Nachteile und Schwierigkeiten  und stellt sich die Aufgabe, einen Wärmespeicher der eingangs beschriebenen  Art zu schaffen, bei dem sowohl Hygienewarmwasser als auch das Heizungswasser  mit möglichst gleichbleibenden Temperaturen über längere Zeiträume  hindurch entnommen werden können, u.zw. auch bei stark schwankenden  Durchflussmengen an Hygienewarmwasser und Heizungswasser, und bei  dem eine erhöhte Energieausnutzung der dem Wärmespeicher zugeführten  Energie möglich ist - sowohl für das Hygienewarmwasser als auch für  das    Heizungswasser. Insbesondere soll eine gegenseitige Beeinflussung  Heizungswasser-Hygienewarmwasser minimiert werden. 



   Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zwischen  der Heizeinrichtung und dem Hygienewasser-Wärmetauscher eine den  Innenraum des Behälters in einen oberen Teil und einen unteren Teil  teilende Trennwand vorgesehen ist, die mindestens eine Strömungsöffnung  für das im Behälter befindliche Heizungswasser aufweist, deren Querschnitt  gegenüber dem Querschnitt des Innenraumes sehr klein ist, und wobei  der Vorlauf und Rücklauf für das Heizungswasser im unteren Teil des  Innenraumes liegen. 



   Durch die den Innenraum des Wärmespeichers trennende Trennwand gelingt  es, im Innenraum des Behälters zwei Volumensbereiche für das Heizungswasser  zu schaffen, die es ermöglichen, in jeden der Volumsbereiche eigene  Wärmeinhalte zu speichern, ohne in kurzer Zeit vom Wärmeinhalt des  anderen Bereiches beeinflusst zu werden. Es handelt sich somit um  eine Schichtentrennung des Heizungswassers. Selbst bei starken Heizleistungen,  d.h. grossen, dem Heizungswasser entnommenen Wärmemengen, bleibt  im oberen Teil des Innenraumes des Behälters ein beinahe stehendes  Heizungswasser und damit ein gleichmässiger Temperaturbereich für  das Hygienewarmwasser gewährleistet. Dies gilt auch um-gekehrt bei  Entnahme grosser Mengen Hygienewarmwasser für das Heizungswasser  der Warmwasserheizung im unteren Teil des Innenraumes des Behälters.

                                                             



   Zum Erzielen einer gleichmässigen Zirkulation des Heizungswassers  ohne Wärmestau in einem Teil des Behälters sind vorzugsweise mindestens  zwei Strömungsöffnungen für das im Behälter befindliche Heizungswasser  vorgesehen, von denen mindestens eine Strömungsöffnung im Zentrumsbereich  und mindestens eine Strömungsöffnung im Randbereich des Innenraumes  des Behälters angeordnet ist. 



   Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass  durch die Trennwand ein oberer Teil des Innenraumes des Behälters  gebildet ist, dessen Volumen mindestens ein Viertel bis maximal die  Hälfte, vorzugsweise etwa ein Drittel, des Volumens des Innenraumes  des Behälters beträgt. 



   Eine energiemässig besonders effiziente Betriebsweise des Wärmespeichers  lässt sich erzielen, wenn die Summe der freien Querschnitte aller  Strömungsöffnungen 5 bis 30% des Querschnittes des Innenraumes des  Behälters beträgt, vorzugsweise 5 bis 15%. 



   Vorzugsweise ist die Trennwand von einem Stahlblech gebildet. 



     Eine zweckmässige Anordnung der Strömungsöffnungen bei konstruktiver  Einfachheit des Behälters ergibt sich, wenn die Trennwand eine in  ihrem Zentrum liegende Strömungsöffnung aufweist und an der Wand  des Behälters mittels den Umfangsrand der Trennwand überragender  Fortsätze befestigt ist, wobei zwischen der Wand des Behälters und  dem Umfangsrand der Trennwand Strömungsöffnungen gebildet sind, vorzugsweise  in Kreisringabschnittsform. 



   Die Heizeinrichtung im unteren Teil des Innenraumes des Behälters  ist vorteilhaft als von einem Heizmedium durchströmter Wärmetauscher  (Solarenergieeinbringung) oder als Brenner ausgebildet. 



   Bei Verwendung eines Brenners oder Wärmetauschers ist der Rücklauf  für das Heizungswasser zweckmässig in Höhe des Brenners vorgesehen,  wobei vorteilhaft der Rücklauf für das Heizungswasser von einem im  Innenraum von unten nach oben in Höhe der Brennkammer geführten Rohr  gebildet ist. 



   Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform ist (sind) die mittige(n)  Strömungsöffnung(en) flächenmässig gleich der bzw. den am Umfangsrand  der Trennwand vorgesehenen Strömungsöffnung(en). 



   Die Erfindung ist nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele  näher erläutert, wobei die Fig. 1 und 2 jeweils einen Wärmespeicher  schematisch in Schnittdarstellung nach je einer Ausführungsform veranschaulichen.  Die Fig. 3 bis 9 zeigen Seitenansichten eines Details der Erfindung.  Die Fig. 10 bis 13 jeweils Draufsichten auf dieses Detail. Die Fig.  14 bis 16 veranschaulichen die Wirkungsweise des erfindungsgemässen  Wärmespeichers in Diagrammform. 



   Der in Fig. 1 dargestellte Wärmespeicher weist einen aus Stahlblech  gefertigten Behälter 1 auf, der aussenseitig mit einer nicht dargestellten  Wärmeisolierung versehen ist. Der Behälter 1 ist mit Heizungswasser  gefüllt, das über einen Vorlauf 2, der etwa mittig der Höhe 3 des  Innenraumes 4 des Behälters 1 vorgesehen ist, entnommen wird und  über einen Rücklauf 5, der im unteren Bereich des Behälters 1 vorgesehen  ist, rückgeführt wird. Im unteren Bereich des Behälters 1 ist ein  Wärmetauscher 6 für die Einspeisung alternativer Energien, wie z.B.  Solarenergie, vorgesehen, der von einer wendelartig bzw. schraubenförmig  gewundenen Rohrschlange gebildet ist. 



     In einem Bereich oberhalb dieses Wärmetauschers 6, jedoch noch  in der unteren Hälfte des Innenraumes 4 des Behälters 1, ist eine  Brennkammer 7 angeordnet, die mit einem Öl- oder Gasgebläsebrenner  8 versehen ist und deren Abgasanschluss mit 9 bezeichnet ist. 



   Im oberen Bereich des Innenraumes 4 ist ein Wärmetauscher 10 für  die Hygienewarmwasserbereitung angeordnet, der ebenfalls von einer  wendelartig bzw. schraubenförmig gewundenen Rohrschlange gebildet  ist. Gegebenenfalls können auch, wie in den Fig. 1 und 2 veranschaulicht,  ein, zwei oder mehrere Wärmetauscher 10 für die Hygienewarmwasserbereitung  vorgesehen sein. 



   Mit 11 sind Speicherfühler und Kesselfühler, die für die Steuerung  des Wärmespeichers erforderlich sind, bezeichnet. Im obersten Bereich  des Innenraumes 4 des Behälters 1 ist ein Anschluss 12 für eine Entlüftung  vorgesehen. 



   Zur Erzielung einer Schichtentrennung des im Innenraum 4 des Behälters  1 vorhandenen Heizungswassers ist eine den Innenraum 4 des Behälters  1 in einen oberen und einen unteren Teil 13 bzw. 14 trennende Trennwand  15 vorgesehen. Diese Trennwand 15 befindet sich höhenmässig zwischen  der Brennkammer 7 und dem untersten Wärmetauscher 10 für die Hygienewarmwasserbereitung.  Diese Trennwand 15, die gemäss Fig. 1 leicht nach unten bombiert  ist, im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine  Kegelstumpfmantelfläche, weist Strömungsöffnungen 16, 17 auf, um  einen, wenn auch nur geringen, Durchfluss des Heizungswassers von  unten nach oben und von oben nach unten zu ermöglichen. 



   Gemäss dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in der  Trennwand 15 zentral mittig eine Kreisöffnung 16 vorgesehen und sind  am Umfangsrand 18 der Trennwand 15 Strömungsöffnungen 17 in Kreisringabschnittsform  vorhanden. Die Trennwand 15 ist mittels des Umfangsrands 18 der trennenden  Trennwand überragender Laschen 20 an der Innenseite der Wand 19 des  Behälters 1 befestigt. Die Strömungsöffnungen 16, 17 sind derart  bemessen, dass die Summe der freien Querschnitte dieser Strömungsöffnungen  16, 17 5 bis 30% des Querschnitts des Innenraumes 4 des Behälters  1 beträgt, vorzugsweise 5 bis 15%. Die Trennwand 15 ist zweckmässig  ebenfalls aus Stahlblech gebildet. 



   Gemäss dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Trennwand  15 etwa mittig der Höhe 3 des Innenraumes 4 des Behälters 1 angeordnet.  Wesentlich ist, dass der Vorlauf 2 und Rücklauf 5 für das Heizungswasser  unterhalb der Trennwand 15 liegen und die bzw. der    Wärmetauscher  10 für die Hygienewarmwasserbereitung oberhalb der Trennwand 15 angeordnet  sind bzw. ist. 



   Die Form der Trennwand 15 kann in weiten Bereichen variieren, wie  dies die Fig. 3 bis 13 zeigen. So kann die Trennwand 15 auch als  ebene Fläche ausgebildet sein oder nach unten oder oben bombiert  sein. Ist sie als Kegelmantel oder als Kegelstumpfmantel ausgebildet,  so kann sie sich sowohl nach oben als auch nach unten gerichtet erstrecken.  Auch in der Wahl der Strömungsöffnungen 16, 17 hat man grosse Freiheit.  Wesentlich sind die Querschnittsverhältnisse zwischen den Querschnitten  der Strömungsöffnungen 16, 17 und dem Querschnitt des Innenraumes  4 des Behälters 1. 



   Wie in den Fig. 10 bis 13 gezeigt ist, können die Strömungsöffnungen  16, die im Zentrum oder nahe dem Zentrum der Trennwand 15 liegen,  kreisförmig, oval oder auch quadratisch, rechteckförmig oder polygon  gestaltet sein, wobei auch mehrere Strömungsöffnungen 16 die Trennwand  15 durchsetzen können, wie dies in Fig. 12 veranschaulicht ist. 



   Vorteilhaft sind bei jeder dieser Ausführungsformen Strömungsöffnungen  17 vorgesehen, die sich entlang des Umfangsrandes 18 der Trennwand  15 erstrecken, wobei diese Strömungsöffnungen 17 dadurch gebildet  werden, dass der Durchmesser 21 der Trennwand 15 etwas geringer bemessen  ist als der Durchmesser 22 des Innenraumes 4 des Behälters 1, wobei  jedoch die Trennwand 15 über ihren Umfangsrand 18 auskragende Laschen  20 aufweist, die zur Befestigung an der Wand 19 des Behälters 1 dienen.  Über dem Vorlauf 2 ist zwecks Abschirmung nach oben eine breitere  Lasche 20 vorgesehen. 



   Die Strömungsöffnungen 16, 17 können auch gitterformig gestaltet  oder von einer Vielzahl von Bohrungen mit kleinem Durchmesser gebildet  sein. Für die Strömungsverhältnisse im Innenraum des Behälters ist  es von besonderem Vorteil, wenn die die Trennwand durchsetzenden  Strömungsöffnungen bzw. die eine die Trennwand durchsetzende Öffnung  flächenmässig gleich ist mit den Strömungsöffnungen, die die Trennwand  umfangsmässig umgeben. 



   Gemäss der in Fig. 2 dargestellten Variante weist der Wärmespeicher  keine Brennkammer 7 auf, sondern er wird ausschliesslich mit Alternativenergie,  beispielsweise solar aufgeheiztem Wasser, betrieben, oder es wird  Wärme von aussen über einen Vorlauf und einen Rücklauf eingespeist.                                                            



     Im Innenraum 4 des Behälters 1, d.h. in dessen unterem Teil 14,  ist der Rücklauf des Heizungswassers als sich in den Innenraum 4  erstreckendes Rohr 5 ausgebildet, das mit einer Mündung 23 bis in  die Höhe der Brennkammer 7, vorzugsweise etwa mittig der Brennkammer  7 und seitlich benachbart zur Brennkammer 7, versehen ist. Hierdurch  bleibt der Kaltbereich 24 der Brennerkammer, der im unteren Bereich  der Brennerkammer 7 diese umgibt, besser erhalten, und es werden  Nachteile, wie Spannungsspitzen zwischen oben und unten, Ablagerungen,  Schwitzwasser, Kondensatbildung und schlechterer Wärmeübergang, vermieden.  Diese Nachteile treten dann auf, wenn die Brennerkammer 7 infolge  des im unteren Bereich der Brennerkammer gebildeten Kaltbereiches  24 eine thermisch bedingte Zwangsumströmung erleidet. 



   Die Funktion der Trennwand 15 ist folgende: 



   Die Trennwand 15 schafft im Innenraum 4 des Behälters 1 zwei Volumsbereiche  13 und 14 für das Heizungswasser, die infolge des relativ geringen  freien Querschnitts der Strömungsöffnungen 16, 17 Wärmeinhalte über  längere Zeit speichern können, ohne sich gegenseitig stark zu beeinflussen.  Hierdurch gelingt eine Schichtentrennung des Heizungswassers. Die  Wirkungsweise ist anhand der Fig. 14, 15 und 16 veranschaulicht. 



   Fig. 14 zeigt in Diagrammform die Temperaturkonstanthaltung im oberen  Teil des Innenraumes trotz starken Absinkens der Temperatur im unteren  Teil des Innenraumes des Behälters. Auf der Abszisse ist die Zeit  aufgetragen, auf der Ordinate die Temperatur. Jede der in Fig. 14  dargestellten Linien veranschaulicht den Temperaturverlauf gemessen  in unterschiedlichen Höhen des Innenraumes 4 des Behälters 1. Die  Zahlenangaben im rechten Feld der Fig. 14 betreffen die Höhen in  mm gemessen jeweils vom Boden des Behälters 1 eines Behälters mit  einer Höhe 3 des Innenraumes von 1400 mm. 



   Fig. 15 veranschaulicht den Volumensstrom des Heizungswassers über  die Zeit, d.h. den Volumensstrom, der über den Vorlauf 2 entnommen  wurde und über den Rücklauf 5 rückgeführt wurde und den Temperaturabfall  gemäss Fig. 14 im unteren Teil 14 des Innenraumes 4 des Behälters  1 verursacht hat. 



   In Fig. 16 ist in Diagrammform ein typischer Verlauf der Temperaturen  im Innenraum 4 eines erfindungsgemässen Wärmespeichers veranschaulicht,  wobei entlang der Abszisse die Stunden des Betriebs des Wärmespeichers  aufgetragen sind und auf der Ordinate die Temperatur im Innenraum  4 des Wärmespeichers, u.zw. gemessen in unterschiedlichen Höhen,  wobei die Zahlenangaben im rechten Feld der Fig. 16 wiederum die  Höhen in mm    gemessen vom Boden des Behälters 1 für die im Diagramm  der Fig. 16 dargestellten Kurvenverläufe angeben, wobei die Höhe  des Innenraumes 4 des Behälters 1 wiederum 1400 mm beträgt.

   Es ist  zu ersehen, dass trotz starker Heizleistung im oberen Teil 13 des  Innenraumes 4 des Behälters 1 die Temperatur des Heizungswassers  über grössere Zeitbereiche nur sehr wenig abfällt und erst dann stärker  abfällt, wenn Hygienewarmwasser entnommen wird, was in den Zeitbereichen  t 1 , t 2 und t 3 beispielsweise der Fall war.

Claims (11)

1. Wärmespeicher für eine Warmwasserheizung und für eine Hygiene-Warmwasserbereitung, mit einem Behälter (1) zur Aufnahme von Heizungswasser, in dessen unterem Bereich eine Heizeinrichtung (6; 7, 8) und in dessen oberem Bereich ein vom Hygienewasser durchflossener Wärmetauscher (10) vorgesehen ist, und mit einem höhenmässig im mittleren Bereich des Behälters (1) angeordneten Vorlauf (2) und im unteren Bereich des Behälters (1) angeordneten Rücklauf (5) für das Heizungswasser, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Heizeinrichtung (6;

7, 8) und dem Hygienewasser-Wärmetauscher (10) eine den Innenraum (4) des Behälters (1) in einen oberen Teil (13) und einen unteren Teil (14) teilende Trennwand (15) vorgesehen ist, die mindestens eine Strömungsöffnung (16, 17) für das im Behälter (1) befindliche Heizungswasser aufweist, deren Querschnitt gegenüber dem Querschnitt des Innenraumes (4) klein ist, und wobei der Vorlauf (2) und Rücklauf (5) für das Heizungswasser im unteren Teil (14) des Innenraumes (4) liegen.

2. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Strömungsöffnungen (16, 17) für das im Behälter (1) befindliche Heizungswasser vorgesehen sind, von denen mindestens eine Strömungsöffnung (16) im Zentrumsbereich und mindestens eine Strömungsöffnung (17) im Randbereich des Innenraumes (4) des Behälters (1) angeordnet sind.

3.

Wärmespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Trennwand (15) ein oberer Teil (13) des Innenraumes (4) des Behälters (1) gebildet ist, dessen Volumen mindestens ein Viertel bis maximal die Hälfte, vorzugsweise etwa ein Drittel, des Volumens des Innenraumes (4) des Behälters (1) beträgt.

4. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der freien Querschnitte aller Strömungsöffnungen (16, 17) 5 bis 30% des Querschnittes des Innenraumes (4) des Behälters (1) beträgt, vorzugsweise 5 bis 15%.

5. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (15) von einem Stahlblech gebildet ist.

6.

Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (15) eine in ihrem Zentrum liegende Strömungsöffnung (16) aufweist und an der Wand (19) des Behälters (1) mittels des Umfangsrands (18) der Trennwand (15) überragender Fortsätze (20) befestigt ist, wobei zwischen der Wand (19) des Behälters (1) und dem Umfangsrand (18) der Trennwand (15) Strömungsöffnungen (17) gebildet sind, vorzugsweise in Kreisringabschnittsform.

7. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Teil (14) des Innenraumes (4) des Behälters (1) als Heizeinrichtung ein von einem Heizmedium durchströmter Wärmetauscher (6) vorgesehen ist.

8.

Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Teil (14) des Innenraumes (4) des Behälters (1) als Heizeinrichtung eine Brennkammer (7) vorgesehen ist.

9. Wärmespeicher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücklauf (5) für das Heizungswasser in Höhe der Brennkammer (7) und seitlich von dieser vorgesehen ist, vorzugsweise höhenmässig mittig der Brennkammer (7).

10. Wärmespeicher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücklauf (5) für das Heizungswasser von einem im Innenraum (4) von unten nach oben in Höhe der Brennkammer (7) geführten Rohr gebildet ist.

11.

Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mittige/n Strömungsöffnung/en (16) flächenmässig gleich ist/sind der bzw. den am Umfangsrand (18) der Trennwand (15) vorgesehenen Strömungsöffnung/en (17).