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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.
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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.
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CH 629 291 A5 offenbart einen kombinierten Heizkessel für die Bereitstellung von Heizungs- und Brauchwarmwasser mit einem Heizungsraum für fluide und/oder feste Brennstoffe, einem diesen Heizungsraum wenigstens teilweise umgebenden und für die Erwärmung von Heizungswasser bestimmten Kesselmantel sowie einem mit dem Kesselmantel verbundenen Boilerabschnitt mit einem Brauchwasserboiler und einem diesen wenigstens teilweise umgebenen Boilerheizmantel, gekennzeichnet durch einen ersten, wahlweise sperr- und freigebbaren Verbindungsabschnitt zwischen dem Kesselmantel und dem Boilerheizmantel mit einer relativ hoch liegenden Einlaufpassage in den Boilerheizmantel, sowie einen im Abstand vom ersten Verbindungsabschnitt zwischen dem Boilerheizmantel und dem Kesselmantel angeordneten zweiten Verbindungsabschnitt mit einem syphonartigen Strömungsglied mit einer relativ niedrigen Rücklauföffnung am Kesselmantel, das Ganze derart, dass bei freigegebener Einlaufpassage das durch diese in den Boilerheizmantel eingetretene und durch Wärmeabgabe an den Brauchwasserboiler abgekühlte Heizungswasser infolge Schwerkraftzirkulation durch die Rücklauföffnung in den Heizungsmantel zurückfliesst.
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DE 280 44 56 A1 betrifft einen Wärmespeicher mit einem wärmeisolierten Behälter, der eine Wärmespeicherungsflüssigkeit enthält und in dem im unteren Teil mindestens ein primärer Wärmeaustauscher, der seine Wärme von einem flüssigen, von einer Wärmequelle hergeführten Wärmetrager empfängt, und in dem im oberen Teil mindestens ein sekundärer Wärmeaustauscher für die Abgabe der gespeicherten Wärme eingebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Raum zwischen dem primären Wärmeaustauscher und den sekundären Wärmeaustauschern ein statischer Beschleuniger vorgesehen ist, der aus mehreren metallischen Elementen mit einer im wesentlichen kegelstumpfartigen Form besteht, die in geeigneten Abständen übereinander angeordnet sind, um eine Schichtung der Wärmespeicherungsflüssigkeit im Behälter zu gewährleisten.
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DE 42 043 29 C2 beschreibt einen Wasserspeicher für Heizungsanlagen, dieser weist einen einen Pufferraum bildenden aufrechten, länglichen, bevorzugt im wesentlichen kreiszylindrischen Außenbehälter auf, in dessen an der Außenseite bevorzugt mit einem wärmeisolierenden Material abgedeckten Wandung Zu- und Ableitungen für Wasser einmünden sowie bevorzugt Öffnungen zum Einführen von Fühlern, Wärmeaustauschern o. dgl. ausgespart sind. Ferner ist ein Brauchwasserbehälter vorgesehen, der im oberen Teil des Innenraumes des Pufferraumes zu diesem vorzugsweise konzentrisch befestigt ist und Anschlußleitungen zum Zu- und Ableiten von Brauchwasser aufweist, die sich zur Außenseite des Außenbehälters erstrecken. Erfindungsgemäß ist unterhalb des Brauchwasserbehälters und unmittelbar über der oder mindestens einer Ableitung für Wasser ein im wesentlichen ebenes, horizontal angeordnetes Trennblech angebracht, das durch Aufrechterhalten der Temperaturschichtung im Außenbehälter diesen in einen untenliegenden Heizungs-Pufferspeicher sowie in einen obenliegenden, den Brauchwasserbehälter mindestens weitgehend umgebenden Brauchwasser-Pufferspeicher unterteilt.
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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 insoferne 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.
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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, und zwar 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.
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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, leicht nach unten bombiert, eine Kegelstumpfmantelfläche mit mindestens zwei Strömungsöffnungen für das im Behälter befindliche Heizungswasser aufweist, deren Querschnitt gegenüber dem Querschnitt des Innenraumes sehr klein ist, und wobei die Vorlauf und Rücklauf für das Heizungswasser im unteren Teil des Innenraumes liegen.
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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 umgekehrt bei Entnahme großer Mengen Hygienewarmwasser für das Heizungswasser der Warmwasserheizung im unteren Teil des Innenraumes des Behälters.
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Zum Erzielen einer gleichmäßigen Zirkulation des Heizungswasser ohne Wärmestau in einem Teil des Behälters sind 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.
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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.
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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%.
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Vorzugsweise ist die Trennwand von einem Stahlblech gebildet.
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Die erfindungsgemäße 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.
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Die Heizeinrichtung im unteren Teil des Innenraumes des Behälters ist vorteilhaft als von einem Heizmedium durchströmter Wärmetausches (Solarenergieeinbringung) oder als Bremser ausgebildet.
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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.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die mittigen Strömungsöffnungen flächenmäßig gleich der bzw. den am Umfangsrand der Trennwand vorgesehenen Strömungsöffnungen.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei die 1 und 2 jeweils einen Wärmespeicher schematisch in Schnittdarstellung nach je einer Ausführungsform veranschaulichen. Die 3 bis 9 zeigen Seitenansichten eines Details der Erfindung. Die 10 bis 13 jeweils Draufsichten auf dieses Detail. Die 14 bis 16 veranschaulichen die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Wärmespeichers in Diagrammform.
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Der in 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.
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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.
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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 1 und 2 veranschaulicht, ein, zwei oder mehrere Wärmetauscher 10 für die Hygienewarmwasserbereitung vorgesehen sein.
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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.
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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 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.
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Gemäß dem in 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 den Umfangsrand 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.
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Gemäß des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels 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.
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Die Form der Trennwand 15 kann in weiten Bereichen variieren, wie dies die 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.
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Wie in den 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 12 veranschaulicht ist.
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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.
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Die Strömungsöffnungen 16, 17 können auch gitterförmig 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.
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Gemäß der in 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.
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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.
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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 14, 15 und 16 veranschaulicht.
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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 14 dargestellten Linien veranschaulicht den Temperaturverlauf gemessen in unterschiedlichen Höhen des Innenraumes 4 des Behälters 1. Die Zahlenangaben im rechten Feld der 14 betreffen die Höhen in mm gemessen jeweils vom Boden des Behälters 1 eines Behälters mit einer Höhe 3 des Innenraumes von 1400 mm.
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15 veranschaulicht den Volumenstrom des Heizungswassers über die Zeit, d. h. den Volumenstrom, der über den Vorlauf 2 entnommen wurde und über den Rücklauf 5 rückgeführt wurde und den Temperaturabfall gemäß 14 im unteren Teil 14 des Innenraumes 4 des Behälters 1 verursacht hat.
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In 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, und zwar gemessen in unterschiedlichen Höhen, wobei die Zahlenangaben im rechten Feld der 16 wiederum die Höhen in mm gemessen vom Boden des Behälters 1 für die im Diagramm der 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 t1, t2 und t3 beispielsweise der Fall war.
