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Die
Erfindung betrifft einen Wasserspeicher, der beispielsweise in ein
Warmwasser- und Heizungssystem eingebunden ist, welches auf Basis
erneuerbarer Energieträger
arbeitet.
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Aus
wirtschaftlichen und politischen Gründen wird die Bedeutung erneuerbarer
Energien immer größer. Die
Gewinnung von Energie aus Sonne, Luft oder Erdwärme ist in verschiedenen Ausführungsformen
bekannt. Dies gilt auch für
Kombinationen der Systeme untereinander.
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Im
Bereich des Wohnungsbaus, aber auch bei Büros oder Gewerbebauten, geht
es insbesondere darum, Warmwasser für Heizkreise und/oder zur Erwärmung von
Frischwasser aufzubereiten.
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In
diesem Zusammenhang stellt die kontinuierliche Energieversorgung
ein erhebliches Problem dar. Im Sommer steht Sonnenenergie nahezu
grenzenlos zur Verfügung;
im Sommer besteht aber auch der geringste Bedarf an Warmwasser zum
Heizen beziehungsweise zum Erwärmen
von Frischwasser.
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In Übergangszeiten,
wie im Herbst sowie im Winter, erhöht sich dieser Bedarf. Bei
bewölktem Himmel
und relativ niedrigen Außentemperaturen lassen
sich beispielsweise über
Sonnenkollektoren kaum nennenswerte Energiebeiträge leisten.
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In
solchen Situationen besteht die Gefahr, dass nicht genügend Warmwasser über den
Wasserspeicher zur Verfügung
gestellt werden kann oder das im Behälter gespeicherte Wasser nicht
warm genug ist.
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Mit
der Erfindung soll ein Wasserspeicher zur Verfügung gestellt werden, der eine
höhere
Versorgungssicherheit gewährleistet,
auch dann, wenn Primärenergie-Wärmetauscher,
wie Sonnenkollektoren, keinen ausreichenden Wärmeeintrag in dieses System
schaffen.
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In
diesem Zusammenhang ist es bekannt, einen Wasserspeicher mit einer
diskreten Heizeinrichtung auszubilden, beispielsweise einem elektrischen Heizstab,
der nach Art eines Tauchsieders das Wasser erwärmt. Die Effektivität einer
solchen Zusatzheizung ist unbefriedigend, weil große Volumina
erwärmt
werden, obwohl möglicherweise
nur kleinere Warmwassermengen und/oder nun über einen kurzen Zeitraum Warmwasser
benötigt
wird.
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Dieser
Warmwasserbedarf kann sowohl Warmwasser für die Beheizung als auch Warmwasser
sein, mit dem zum Beispiel über
einen Wärmetauscher
Frischwasser erwärmt
wird.
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In
Kenntnis dieser Nachteile elektrischer Zusatzheizungen im Stand
der Technik geht die Erfindung von der Überlegung aus, die Zusatzheizung
in einem Strömungskanal
innerhalb des Wasserspeichers anzuordnen, um so eine definierte
Wassermenge sehr schnell und effektiv erwärmen und die benötigte Energie
schnell und preiswert an der gewünschten
Stelle anbieten zu können.
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Danach
betrifft die Erfindung in ihrer allgemeinsten Ausführungsform
einen Wasserspeicher mit folgenden Merkmalen:
- – einem
zylindrischen Behälter,
dessen Boden, Decke und umlaufende Wand einen Behälter-Innenraum
begrenzen, mit einer im Montagezustand des Behälters vertikal verlaufenden
Längsachse,
- – mindestens
einem Kaltwasserzulauf und
- – mindestens
einem Warmwasserzulauf, mit
- – mindestens
einem elektrischen Heizstab, der
- – im
Behälterinnenraum
angeordnet ist und
- – mit
geringem Abstand in einem kanalartigen Führungselement verläuft, das
- – an
einem Ende mit einem Wasserzulauf und am anderen Ende mit einem
Wasserablauf strömungstechnisch
verbunden ist.
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„Zylindrisch" ist nicht im streng
mathematischen Sinne, sondern bezüglich der grundsätzlichen Geometrie: „aufrecht
stehender Behälter" zu verstehen.
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Unter
diesen allgemeinen Erfindungsgedanken lassen sich verschiedene Ausführungsformen subsumieren.
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So
können
Wasserzu- und -ablauf am Führungselement
autarke, diskrete Zufuhr- und Ablaufleitungen sein. Es ist aber
ebenso möglich,
Wasser aus dem Behälterinnenraum
in das kanalartige Führungselement
einzuspeisen, wobei dies an einer oder mehreren Stellen erfolgen
kann.
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Wichtig
ist, dass innerhalb des Führungselementes
eine gewisse Strömung
ausgebildet wird, um die Heizleistung gut nutzen beziehungsweise
das über
das Heizelement erwärmte
Wasser abtransportieren zu können.
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Das
erwärmte
Wasser kann über
einen diskreten Wasserablauf gezielt nachgeschalteten Systemkomponenten
zugeführt
werden. Das erwärmte Wasser
kann beispielsweise in einen Heizkreislauf eingespeist werden. Es
kann aber auch in andere Bereiche (Abschnitte, Zonen) des Behälters (Wasserspeichers)
geleitet werden.
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Wichtig
ist, dass das zu erwärmende
Wasser unmittelbar am elektrischen Heizstab vorbeiströmt, wodurch
sich ein optimierter Wärmeübergang
ergibt. Auf diese Weise erfolgt die Wassererwärmung schnell und gezielt.
Innerhalb weniger Sekunden kann das benötigte Warmwasser zur Verfügung gestellt
werden. Über
ein Ventil lässt
sich die gewünschte
Strömungsgeschwindigkeit
einstellen.
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Zur
Optimierung des Wärmeübergangs
sollte der Heizstab über
mindestens 80% der Länge
des Führungselementes
verlaufen. Aus denselben Erwägungen
sollte zwischen Heizstab und Führungselement
ein Abstand von maximal 25 cm, insbesondere maximal 10 cm oder ≤ 5 oder ≤ 2 cm bestehen,
obwohl der beschriebene Effekt auch dann (wenngleich verringert)
eintritt, wenn das Führungselement
sich beispielsweise über
den gesamten Behälterquerschnitt
erstreckt, aber mit begrenzter Höhe
in Axialrichtung des Behälters.
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Der
Heizstab kann jede beliebige Form aufweisen. Eine Längsform,
wobei die Heizwendel mäanderförmig verlaufen
kann, ermöglicht
es, das Führungselement
nach Art eines Zylinders auszubilden, wobei „Zylinderform" lediglich die Grundform
beschreibt. So kann der Zylinder rund oder eckig sein (ähnlich wie
eine schmale aber lange Kiste), beispielsweise im Querschnitt trapezförmig.
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Ein
Abschnitt des Führungselementes
kann aber auch durch einen Zwischenboden im Behälter gebildet werden. Zusammen
mit einem U- oder halbkreisförmigen
Bauteil lässt
sich das gewünschte
Führungselement
komplettieren.
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Der
Heizstab kann auf einer dem Boden des Behälters zugewandten Seite des
Zwischenbodens verlaufen. Dies hat den Vorteil, dass sekundär erwärmtes Wasser
(Wasser in der Umgebung des Führungselementes),
welches mittelbar erwärmt
wird, nach oben im Behälter
aufsteigen kann. Dies gilt analog für jede Anordnung, bei der Heiz-
und Führungselement
mit Abstand unterhalb des Wasserspiegels im Behälter angeordnet sind.
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Nach
einer Ausführungsform
verläuft
der Heizstab senkrecht zur Längsachse
des Behälters, im
Normalfall also horizontal. Eine koaxiale Anordnung von Heizstab
und Führungselement
optimiert die Vergleichmäßigung der
Wassererwärmung.
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Im
Führungselement
(wandseitig) können Öffnungen
angeordnet werden. Dies hat folgende Konsequenzen: Das erwärmte Wasser
kann bei Bedarf in den Wasserspeicher selbst eingeleitet werden.
Die Öffnungen
können
deshalb verschließbar sein.
Ist der dem Wasserspeicher zugeordnete Wasserkreislauf geschlossen,
ergeben sich auch keine Korrosionsprobleme.
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Die Öffnungen
im Führungselement
sollten eine Querschnittsfläche
von jeweils maximal 150 mm2 aufweisen und
insgesamt auf einer Fläche
von beispielsweise 2.000 cm2 sollten maximal
50 bis 100 Öffnungen
angeordnet sein.
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Der
Heizstab kann grundsätzlich
an beliebiger Stelle innerhalb des Behälters angeordnet werden. Nach
einer Ausführungsform
ist der Heizstab in einer Zone des Behälters angeordnet, die der Einspeisung
von Wasser mit einer Temperatur ≥ 30°C und/oder < 70°C dient.
Wie bereits beschrieben ermöglicht
dies die Nutzung von mittelbar abgegebener Wärme in darüber liegenden Zonen mit höherer Wassertemperatur.
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Die
Heizleistung des Heizstabes richtet sich nach dem Anwendungsfall.
Für ein
1- bis 3-Familienhaus könnte
die Leistung beispielsweise zwischen 5 und 20 kW liegen.
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Je
nach Leistung und Größe des Heizelementes
kann die Wasser-Zulauftemperatur zwischen 20 und 50°C liegen,
die Temperatur des erwärmten Wassers
zwischen 60 und 90°C.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche sowie den
sonstigen Anmeldungsunterlagen.
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Die
Erfindung lässt
sich in das nachstehend beschriebene Warmwasser- und/oder Heizungssystem integrieren.
Um die Erfindung darin anzuwenden müssen nicht alle System-Komponenten
und/oder Verfahrensschritte des Systems gleichzeitig erfüllt sein.
Je nach Anforderungsprofil kann die Erfindung auch in Kombination
mit einzelnen oder mehreren der nachstehend beschriebenen Merkmale
realisiert werden. Ebenso ist es möglich, dass die Erfindung einzelne
Merkmale innerhalb des Gesamtsystems ersetzt oder einzelne Systemmerkmale
gezielt ausgeschlossen werden.
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Das
System umfasst so genannte Primärenergie-Wärmetauscher
(PWT). Dazu gehören
die genannten Sonnenkollektoren, Luftwärmetauscher oder Erdwärmesonden
in beliebiger Zahl und Kombination. Mit diesen PWTs wird Primärenergie,
wie Sonnenenergie, auf ein Wärmeträger-Medium.
nachstehend Sole genannt (beispielsweise Glykol) übertragen.
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Das
System umfasst weiters eine Wärmepumpe,
die mindestens aus einem Verdampferteil, einem Kompressor, einem
Kondensatorteil und einer Entspannungseinrichtung besteht, wobei
die Wärmepumpe
von einem Kältemittel,
wie CO2 oder Ammoniak, durchströmt wird.
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Der
Verdampferteil der Wärmepumpe
kann von einem Wärmetauscher
gebildet werden. Dieser wird als Sekundärenergie-Wärmetauscher (SWT) bezeichnet,
weil im SWT die Wärmeübertragung
von der bereits im PWT erwärmten
Sole auf das Kältemittel
oder umgekehrt erfolgt.
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Ein
SWT kann auch ein Wärmetauscher sein,
der einen Wärmeübergang
von der Sole auf Wasser ermöglicht.
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Der
Kondensatorteil der Wärmepumpe
bildet in dieser Terminologie einen Tertiärenergie-Wärmetauscher (TWT), da in einer
dritten Stufe Wärme
vom Kältemittel
auf Wasser übertragen
wird.
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Zum
System gehört
ferner ein so genannter Pufferspeicher, der einer geschichteten
Speicherung von Wasser für
mindestens einen geschlossenen Wasserkreislauf dient. Da warmes
Wasser leichter als kaltes Wasser ist, ergibt sich im Pufferspeicher ein
Temperaturgefälle
von oben nach unten.
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Durch
Zwischenböden,
so genannte Schicht- oder Schichtenbleche, können unterschiedliche Abschnitte
(Temperaturzonen) voneinander abgegrenzt werden, wobei strömungstechnische
Verbindungen zwischen den Abschnitten erlaubt sind.
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Das
System ist an mindestens einen Hochtemperatur-Heizkreislauf (insbesondere
für Radiatoren)
anschließbar.
Dazu lässt
sich Wasser mit einer Vorlauftemperatur von beispielsweise 50°–90°C aus dem
Pufferspeicher entnehmen. Ebenso kann ein Heizkreislauf für Niedrigtemperaturen
angeschlossen werden, beispielsweise für Fußbodenheizungen, die mit Vorlauftemperaturen
von beispielsweise 20°–60°C arbeiten.
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Das
Warmwasser des Pufferspeichers kann ebenso zum Aufheizen von Frischwasser
genutzt werden, beispielsweise über
einen zwischengeschalteten Wärmetauscher.
Dazu weist der Pufferspeicher entsprechende Zu- und Ableitungen
für das
Zirkulationswasser auf.
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Das
in den Pufferspeicher zugeführte
Wasser kann entsprechend seiner Temperatur in die entsprechende
Temperaturzone geführt
werden.
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Mindestens
ein Abschnitt (eine Temperaturzone) des Pufferspeichers kann eine
Zusatz-Heizung, insbesondere eine elektrische Heizung aufweisen,
um bei Bedarf unabhängig
von den PWTs Wasser im Pufferspeicher aufheizen zu können.
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Als
SWT oder TWT eignen sich alle Arten von Wärmetauschern, insbesondere
Plattenwärmetauscher.
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Die
einzelnen Systemkomponenten, insbesondere innerhalb der funktionalen
Systemkreise (Solarkreis, Kältemittelkreis,
Wasserkreis) können über geeignete
Mehrwegeventile, die auch Mischventile sein können, einzeln oder in Gruppen,
gegebenenfalls auch alle gleichzeitig, verbunden werden.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigt
die einzige Figur in stark schematisierter Darstellung einen Wasserspeicher
der erfindungsgemäßen Art
in zwei, um 90° zueinander
versetzten Ansichten.
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Eine
Schnittebene durch den Behälter
ist mit S-S gekennzeichnet. Der Behälter umfasst einen Boden 10,
eine Decke 12 und eine umlaufende Wand 14, so
dass insgesamt ein zylindrischer Behälter-Innenraum 16 zur
Wasseraufnahme begrenzt wird. Die mit S-S gekennzeichnete Schnittebene
entspricht der Orientierung der Längsachse des Behälters.
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Der
Behälter
ist isoliert und besitzt mindestens einen Kaltwasserzulauf 18 und
mindestens einen Warmwasserablauf 20.
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Der
Behälter-Innenraum 16 ist
durch einen Zwischenboden 22, der über Stäbe 24 an der Decke 12 befestigt
ist, in zwei Zonen 16o, 16u unterteilt, wobei
das Wasser der Zone 16o im Normalfall eine höhere Temperatur
hat.
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Unterhalb
des Zwischenbodens 22 ist ein Heizstab 26 angeordnet,
der an der Wand 14 befestigt ist und sich mit mehreren
mäanderförmigen Windungen
bis zur gegenüberliegenden
Seite der Behälterwand
erstreckt, was aufgrund der um 90° versetzten
zeichnerischen Darstellung im linken Teil der Figur nicht zu erkennen
ist.
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Der
Heizstab 26 verläuft
damit parallel unterhalb des Zwischenbodens 22 und wird
in Richtung auf den Boden 10 sowie vertikal von einem U-förmigen Kasten 28 begrenzt,
wie insbesondere aus dem linken Teil der Figur zu erkennen ist.
Die drei Schenkel des U-förmigen
Kastens 28 bilden zusammen mit dem Zwischenboden 22 ein
kanalartiges Führungselement 30,
welches den Heizstab 26 mit geringem Abstand umgibt.
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Ein
Wasserzulauf 32 mündet
an einem Ende des Führungselementes
in dieses ein und ein (nicht dargestellter) Wasserablauf führt am gegenüberliegenden
Ende des Heizelementes 26 aus dem Wasserspeicher wieder
heraus.
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Die
Leitung 32 ist an eine (nicht dargstellte) Pumpe angeschlossen.
Die Strömungsgeschwindigkeit
des Wassers durch das Führungselement 30 wird über ein
nicht dargestelltes Ventil geregelt/gesteuert.
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Bei
Bedarf wird das Heizelement 26 zugeschaltet. Das Wasser,
welches durch das kanalartige Führungselement 30 strömt, wird
auf diese Weise erwärmt
und kann über
(nicht dargestellte) Anschlussleitungen am zweiten Ende des Führungselements beispielsweise
einem Heizkreislauf oder einem Wärmetauscher
für Frischwasser
zugeführt
werden.
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In
Wandabschnitten des Führungselementes 30 können Öffnungen
angeordnet sein, die schematisch mit 34 angegeben sind.
Diese können über (nicht
dargestellte) Klappen verschlossen werden. Bei besonders hoher Strömung oder
in anderen Systemkonstellationen kann so ein Wasseraustausch zwischen
dem Führungselement 30 und
dem Behälterinnenraum 16 erfolgen.
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Die
Leistung des in der Figur dargestellten Heizelementes 26 beträgt 8 kW
bei einem Behältervolumen
von ca. 1.000 Liter.