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Die Erfindung betrifft einen Pufferspeicher mit einem fluiden Wärmespeichermedium zur Speicherung von Wärmeenergie in einer Wärmeversorgungsanlage, mit einem geschlossenen Speicherbehälter, welcher mit einer Bodenseite und einer der Bodenseite gegenüberliegenden Deckelseite ausgebildet ist, wabei der Speicherbehälter mehrere Anschlussstutzen aufweist, an denen jeweils ein Anschlusselement wenigstens eines Wärmekreises der Wärmeversorgungsanlage anschließbar ist.
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Derartige Pufferspeicher dienen der Einspeisung, Speicherung und Entnahme der in dem fluiden Wärmespeichermedium, z. B. Nasser, enthaltenden Wärmeenergie, um sie bedarfsgerecht in einer Wärmeversorgungsanlage zur Verfügung zu stellen. Eine solche Wärmeversorgungsanlage, insbesondere für Gebäude, umfasst einen oder mehrere Wärmekreise, die der Förderung der von einem oder mehreren Wärmeerzeugern erzeugten Wärmeenergie an die verschiedenen Wärmeverbraucher dient.
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So sind Wärmeversorgungsanlagen für Gebäude bekannt, die ein Raumheizungssystem mit einem oder mehreren Heizungskreisen für die Raumheizungsversorgung umfassen und alternativ oder in Ergänzung häufig auch ein Brauchwassererwärmungssystem mit einem oder mehreren Brauchwasserkreisen zur Erwärmung von Brauchwasser für die sanitäre Warmwasserversorgung aufweisen. Die erforderliche Wärmeenergie für die Heizungskreise und Brauchwasserkreise wird von den Wärmeerzeugern meist über einen gesonderten Wärmeerzeugerkreis bereitgestellt. Heizungskreise, Brauchwasserkreise und Wärmeerzeugerkreise bilden dabei die Wärmekreise der Wärmeversorgungsanlage. Die Wärmeerzeuger können konventioneller Art sein, wie zum Beispiel Brennstoffkessel mit Gas oder Öl als Brennstoff, oder können regenerative Energien nutzen, wie zum Beispiel Solarkollektoren, Wärmepumpen, Holzvergaser-Kessel oder Biogasanlagen. Da die regenerativen Energien nicht regelmäßig zur Verfügung stehen werden, wird die Wärmeerzeugung aus diesen Energien üblicherweise durch konventionelle Wärmeerzeuger unterstützt. Die von den Wärmeerzeugern erzeugte Wärmeenergie wird in den Pufferspeicher eingespeist und dort mittels des umfangreichen Speichervolumens des Wärmespeichermediums längerfristig gespeichert. Bekannte Pufferspeicher weisen dazu ein Speichervolumen von ca. 300 bis 850 l auf. Das fluide Wärmespeichermedium, insbesondere Wasser, ist aufgrund seiner Wärmekapazität ein guter Wärmespeicher. Für die Bereitstellung der erforderlichen Heizungs- und Warmwassertemperatur in der Wärmeversorgungsanlage liegt der Temperaturbereich des Wärmespeichermediums im Pufferspeicher bei ca. 40° bis 90°C. Entsprechend dem Temperatur- und Wärmeleistungsbedarf der Wärmeverbraucher des Raumheizungssystem und/oder des Brauchwassererwärmungssystems wird über den Heizungskreis bzw. über den Brauchwasserkreis die vorhandene Wärmeenergie aus dem Pufferspeicher entnommen.
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Der Pufferspeicher bildet dabei einen regulativen Ausgleich zwischen dem Angebot an gelieferter Wärmemenge des Wärmeerzeugers und dem hierzu oft zeitlich und mengenmäßig abweichenden Bedarf an Wärmemenge bei den Warmeverbrauchern. Insbesondere bei Wärmeerzeugern, die regenerative Energien nutzen, kann eine unregelmäßige Wärmemengenlieferung vorkommen, die durch die Speicherung im Pufferspeicher kompensiert wird. So variiert beispielsweise bei Solarkollektoren die erzeugte Wärmeleistung entsprechend der Einstrahlungs- und Witterungsbedingungen besonders stark.
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Der Pufferspeicher als integrales Teil der Wärmeversorgungsanlage ist vorzugsweise in einem Heizungs- bzw. Technikraum des Gebäudes untergebracht, wobei zur Platzoptimierung der Pufferspeicher die zur Verfügung stehende Raumhöhe des Heizungs- bzw. Technikraum weitestgehend ausgeschöpft wird. Zum Anschluss der Wärmekreisläufe der Wärmeversorgungsanlage an den Pufferspeicher stehen am Speicherbehälter für jeden Wärmekreis mehrere Anschlussstutzen zur Verfügung. An diese Anschlussstutzen werden die Anschlusselemente des Wärmekreises, wie beispielsweise die Vorlauf- und Rücklaufleitung des Wärmekreises und gegebenenfalls auch Messleitungen für Messeinrichtung des Wärmekreises, so für Temperaturfühler, angeschlossen. Die Zugänglichkeit der Anschlussstutzen zur Montage und Wartung der Anschlusselemente wird durch eine vorwiegend seitliche Anordnung der Anschlussstutzen des Speicherbehälters gewährleistet.
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Zur Übertragung der Wärmeenergie stehen für die Wärmekreise verschiedene Speichereinbauten, wie Ein- und Auslaufstutzen oder Wärmetauscher, im Pufferspeicher zur Verfügung. So kann ein Wärmekreis das Wärmespeichermedium des Pufferspeichers umfördern und steht somit direkt mittels eines Ein- und Auslaufstutzen mit dem Pufferspeicher in Verbindung. Ein weiterer Wärmekreis, wie zum Beispiel der Brauchwasserkreis, wird gewöhnlich getrennt vom Wärmespeichermedium betrieben, so dass die Wärme mittels eines Wärmetauschers aus dem Pufferspeicher auf das Brauchwasser des Brauchwasserkreises übertragen wird.
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Die Speichereinbauten sind zur Ausnutzung einer Temperaturschichtung im Pufferspeicher infolge Dichteunterschiede des fluiden Wärmespeichermediums in verschiedener Höhe des Speicherbehälters vorgefertigt angeordnet, so dass auch die den Speichereinbauten zugehörigen Anschlussstutzen der Wärmekreisläufe in unterschiedlicher Höhe am Speicherbehälter angeordnet sind.
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Insbesondere bei Wärmeversorgungsanlagen mit regenerativer Energienutzung reicht die zur Verfügung stehende Speicherkapazität des bekannten Pufferspeichers in Spitzenphasen des Wärmeangebots, wie sie beispielsweise bei Solarkollektoren unter intensiver Sonneneinstrahlung vorkommen, oft nicht aus. Es entsteht ein Überangebot an erzeugter Wärme, die nicht mehr im Pufferspeicher gespeichert werden kann. Zur Vermeidung einer thermischen Überlastung des Wärmeerzeuger-Wärmekreises müssen die Solarkollektoren bei Erreichen der Speicherkapazität des Pufferspeichers trotz Wärmeenergieangebot abgeschaltet werden. So geht dieses überschüssige Wärmeenergieangebot für die langfristige Nutzung in einer Wärmeversorgungsanlage verloren, wogegen in Schwachlastphasen des regenerativen Wärmeangebotes durch konventionelle Wärmeerzeugung zusätzlich Wärmeenergie zur Nachheizung erzeugt werden muss. Die Schalthäufigkeit des Brenners des konventionellen Wärmeerzeugers ist dementsprechend hoch. Anders ausgedrückt steht einer möglichen intensiveren Nutzung der regenerativen Energiequellen die begrenzte Speicherkapazität des Pufferspeichers energetisch entgegen.
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In der
DE 26 42 789 A1 wird ein einwandiger Wärmespeicher behälter aus Stahl in liegender Anordnung beschrieben, der von einer Wärmeisolierung umgeben wird. Zuführungs- und Abführungsrohre sind von oben durch einen wärmeisolierten Stopfen in den Behälter eingeführt.
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Die
DE 88 04 373 U1 bezieht sich auf einen Flussigkeitsbehälter mit einem Dem, der mit einer abnehmbaren Abdeckung versehen ist. Den Dem umgibt ein Schacht, der doppelwandig ausgeführt ist und mit einer wasserdichten Abdeckung verschlossen ist. Seitlich in der Schachtwand befindet sich ein Rohrstutzen zur Durchführung von Leitungen zur Flüssigkeitsentnahme usw.
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In der
DE 201 01 963 U1 wird eine Solarheizung mit einem wassergefüllten überfahrbaren Untererd-Haupt-Energiespeicher aus Beton beschrieben, der schichtweise mit einem flüssigen Medium befüllbar ist. Dazu sind höhenverstellbare Pumpen vorgesehen.
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Die
DE 32 32 268 A1 betrifft einen Langzeit-Energiespeicher als Flüssigkeitsspeicher für Heizzwecke, Der Flüssigkeitsspeicher ist im Zentrum eines komplexen Speichers angeordnet, so dass das umgrenzende Erdreich in die Energiespeicherung einbezogen werden kann.
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Die
DE 41 16 634 A1 bezieht sich auf einen Speicher zur Langzeitspeicherung von Wärme, mit betonierten oder gemauerten Wänden, die Bestandteil eines Gebäudes sein können. Die Entnahme des Speichermediums erfolgt am Boden und die Rückführung über ein Rohr in der Mitte.
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In der
WO 2006/045551 A2 wird ein Energiespeicher mit einem inneren Speicher und einen den ersten Speicher umgebenden äußeren Speicher beschrieben, wobei beide Speicher miteinander in Wärmeaustausch stehen. Der erste Speicher besitzt ein starres Gehäuse, wohingegen der zweite Speicher das umliegende Erdreich umfasst.
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Einen ähnlichen Wärmespeicher offenbart die
JP 56-012 956 A .
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Die
DE 29 48 099 A1 betrifft einen unterirdischen Wärmesammler, der gegenüber dem umliegenden Erdreich mit einer Isolierschicht isoliert ist, so dass ein Grundwasserdurchgang durch den Wärmesammler vermieden wird. Im Wärmesammler befinden sich Rohrleitungen in mehreren Schleifen übereinander zur Zuführung oder Entnahme von Wärme.
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Weiterhin geht aus der
DE 20 2006 012 225 U1 eine Wärmespeicheranordnung mit Langzeitspeichereigenschaften hervor, wobei der Wärmespeicher im Erdreich eingebaut ist und derart angeordnet ist, dass die Deckelseite an einen Schachtraum angrenzt, der sich oberhalb des Speicherbehälters befindet. Die erforderlichen Rohranschlüsse befinden sich an der Oberseite, so dass bei Verwendung mehrerer solcher Wärmespeicher in modularer Weise eine optimale Ausgestaltung der Gesamtwärmespeichersystems erreicht wird.
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Die
FR 2 069 897 A1 zeigt Einzelheiten eine Domschachtes mit mehreren längs verschiebbaren Schachtelementen.
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Weiterhin wird in der
US 4 296 799 A ein doppelwandiger Solarwassertank beschrieben, in der sich eine Isolierfüllung befindet. Der Tank ist mit einem Mannloch versehen, durch dessen Deckel verschiedene Rohrleitungen geführt sind. Ein Wassereinlassrohr endet nahe des Bodens des Tanks.
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In der
DE 100 10 498 A1 wird ein Verfahren zur Übertragung von Wärmeenergie von einem flüssigen Wärmeübertragungsmedium in einen mit einem Wärmespeichermedium gefüllten Speicher beschrieben, Dazu sind mehrere Übereinander angeordnete Wärmetauscher vorgesehen, Dabei werden abhängig von einer voreingestellten Temperatur entweder beide Wärmetauscher oder nur der untere Wärmetauscher vom Wärmeübertragungsmedium durchflossen.
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Die
DE 198 06 534 C1 bezieht sich auf einen Tank zur Langzeitspeicherung von Wärmeenergie. Die Außenwände des Tanks sind doppelwandig, zwischen denen sich eine Dämmschicht befindet. Der Tank ist innen in mehrere nebeneinander befindliche Kammern aufgeteilt. Außerhalb des Tanks befindet sich in Bodennähe ein Leitungssystem, mit dem Wärmeverluste des Speichers an den Boden ausgenutzt werden.
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Schließlich wird in der
DE 20 2006 004 957 U1 ein thermisch isolierter Behälter aus einem Isolierkörper aus einem porösen, evakuierbaren und tragfähigen Material beschrieben. Im Bereich des Zugangs, der sich oben am Behälter befindet, ist eine elastische Isolierwand eingelassen, die den Zugang umgibt und das evakuierte Isoliermaterial gegen Atmosphärendruck abdeckt. Der Behälter ist durch einen Flanschdeckel verschlossen, durch den auch der Vor- und Rücklauf zum Wärmetauscher geführt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Pufferspeicher für ein fluides Wärmespeichermedium zur Speicherung von Wärmeenergie in einer Wärmeversorgungsanlage bereitzustellen, der eine verbesserte Energieausnutzung ermöglicht, insbesondere eine höhere Speicherkapazität aufweist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Pufferspeicher mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 20, aus der nachfolgenden Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Speicherbehälter aufrecht stehend ausgebildet ist, wobei die Anschlussstutzen an der Deckelseite angeordnet sind, wobei der Speicherbehälter derart angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass die Deckelseite an einen Schachtraum angrenzt, der oberhalb des Speicherbehälters ist, wobei der Schachtraum von einem Domschacht aus einer Mehrzahl von aneinander fügbaren Schachtelementen gebildet ist oder einen in der Längserstreckung des Domschachtes verschiebbaren Schachtkragen aufweist und wobei der Domschacht mit dem Speicherbehälter verbunden ist, wobei eine Sohle des Domschachtes an die Deckelseite angrenzt und wobei in der Wandung des Domschachtes mindestens ein Schachtstutzen vorgesehen ist, der verschließbar ist.
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Dabei geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass die Speicherkapazität des Pufferspeichers zur Speicherung von Wärmenergie umso größer ist, je größer das Speichervolumen des Wärmespeichermediums im Speicherbehälter ist. Damit können die differenzierten Verhältnisse zwischen dem spezifischen Wärmemengenangebot auf der Wärmeerzeugerseite und dem spezifischen Wärmemengenbedarf auf der Verbraucherseite der Wärmeversorgungsanlage wirksamer kompensiert werden.
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Für die Vergrößerung des Speichervolumens kann bei gleichzeitig geringer horizontaler Ausdehnung theoretisch unbegrenzt die Tiefe des Erdreiches genutzt werden. In dem säulenartig geformten Speicherbehälter bei zugleich stehender Ausrichtung stellt sich aufgrund der Dichteunterschiede und der geringen Strömungsgeschwindigkeit des fluiden Wärmespeichermediums eine besonders ausgeprägte Temperaturschichtung des Wärmespeichermediums über die Höhe aus, bei der sich niedrig temperiertes Wärmespeichermedium im unteren Bereich des Pufferspeichers ansammelt und hoch temperiertes Wärmespeichermedium im oberen Bereich gespeichert wird. Diese differenzierte Temperaturschichtung bietet für die verschiedenen Wärmekreise eine leistungsspezifische Ausnutzung der Speicherkapazität.
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Die Bereitstellung eines größeren Speichervolumens des Pufferspeichers und damit eine Vergrößerung des Speicherbehälters ist jedoch durch den zur Verfügung stehenden Platz im Aufstellungsraum des Pufferspeichers begrenzt. Die vorgesehenen Aufstellungsräume sind gebäudeseitig vorkonzipierte Heiz- bzw. Technikräum, deren Platzangebot aus Kostengründen meist eng bemessen ist und durch weitere gebäudetechnische Ausstattungen ausgelastet wird, Ebenso wird die mögliche Größe des Pufferspeichers durch die Zugänglichkeit dieser Heiz- bzw. Technikräume, die sich meist im Keller oder Dachraum des Gebäudes befinden, eingeschränkt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung der Anschlussstutzen an der Deckelseite, wobei die Deckelseite gleichzeitig an einen Schachtraum angrenzt, ermöglicht eine Vergrößerung des Speicherbehälters, Die am Umfang des Pufferspeichers in verschiedener Höhe angeordneten Anschlüsse entfallen, so dass zumindest seitlicher Platz für einen voluminöseren Speicherbehälter gewonnen wird. Der Schachtraum, der in der erfindungsgemäßen Anordnung des Speicherbehälters oberhalb der Deckelseite vorgesehen ist, ermöglicht die Zugänglichkeit an die deckelseitig angeordneten Anschlussstutzen und damit an die dort angeschlossenen Anschlusselemente des Wärmekreises. Dieser Schachtraum kann beispielsweise bauseitig geschoßübergreifend im Gebäude ausgebildet sein, so dass ein Zugang zur Montage und Wartung der Anschlüsse, wie auch die Einbringung des Pufferspeichers selbst von einem über dem Aufstellungsraum liegenden Geschoss aus erfolgen kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Speicherbehälter im Erdreich unterhalb einer Erdoberfläche angeordnet, wobei der Schachtraum von einem Erdreichschacht ausgebildet ist. Das ermöglicht die Konzeption eines bedeutend größeren Speicherbehälters als in einer gebäudeinternen Aufstellung des Pufferspeichers. Damit wird das Speichervolumen des Pufferspeichers völlig unabhängig von den Aufstellungsbedingungen in einem Gebäude. So können Pufferspeicher mit Speichervolumina von mehr als 1000 bis ca. 10000 l im Erdreich untergebracht werden. Die Erfindung berücksichtigt hierbei insbesondere, dass der Speicherbehälter an sich wartungsfrei ist. Das Wärmespeichermedium, insbesondere Wasser, welches im geschlossenen Pufferspeicher gespeichert oder in einem geschlossenen Wärmekreis luftdicht geführt wird, ist sauerstoffarm und kann somit keine Korrosion innerhalb des Speicherbehälters verursachen. Lediglich die Anschlüsse an den Speicherbehälter und die Speichereinbauelemente sind bedienungs- und wartungsbedürftig, Alle Anschlüsse des Pufferspeichers an der Deckelseite sind daher über den Schachtraum, zum Beispiel ausgebildet durch einen Erdreichschacht, leicht zugänglich. Dieser kann zugleich auch der Schacht zur Einbringung des Speicherbehälters sein, wobei ein verbleibender Schachtraum des Einbringeschachtes oberhalb des Speicherbehälters an die Deckelseite angrenzt. Der Schachtraum ist somit von der Erdoberfläche aus leicht begehbar, um für Wartungs- und Montagearbeiten an die Anschlüsse der Anschlusselemente zu gelangen.
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Die erhebliche Vergrößerung des Speichervolumens bewirkt eine derartige Erhöhung der Speicherkapazität des Pufferspeichers, dass die regenerative Wärmeenergie deutlich längerfristig und umfangreicher für die Wärmeversorgungsanlage genutzt werden kann. Die Wärmeübertragerflächen der regenerativen Wärmeerzeuger, wie zum Beispiel der Solarkollektoren oder des Holzvergaser-Kessels, können vergrößert werden und sind, ohne den Pufferspeicher auszulasten, in längeren Betriebsphasen nutzbar. Unterdessen kann die ergänzende konventionelle Wärmeerzeugung geringer ausgelegt werden bzw. wird die Häufigkeit der Zuschaltung konventioneller Wärmeerzeuger für die Nachheizung minimiert. Im Ergebnis erhöht sich der Umfang an nutzbarer Wärmeenergie aus regenerativen Wärmequellen, während gleichzeitig die Einsparung an konventionellen Brennstoffen, wie Öl, Gas oder Elektroenergie erheblich steigt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Speicherbehälter einen Domschacht auf, welcher den Schachtraum bildet, wobei eine Sohle des Domschachtes an die Deckelseite angrenzt. Diese Gestaltung bietet eine kompakte, vorgefertigte Einheit eines Speicherbehälters mit einem Domschacht, die unabhängig von den verschiedenen Einbaubedingungen des Pufferspeichers einen definierten Schachtraum mit abgegrenzter Schachtkontur gewährleistet. Bei einem Erdeinbau beispielsweise stützt die Wandung des Domschachtes die Deckelseite mit den Anschlüssen gegen den Erddruck des umgebenden Erdreichs ab und schützt die Anschlüsse vor eindringender Erdfeuchtigkeit.
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Bevorzugt ist der Speicherbehälter derart angeordnet, dass eine Oberkante des Domschachtes mit einer begehbaren Oberfläche im Wesentlichen bündig abschließt. Der Schachtraum wird somit vollständig vom Domschacht gebildet, wobei die Oberkante des Domschachtes eine stabile Einfassung in der begehbaren Oberfläche, wie zum Beispiel der Erdoberfläche, für die Begehung des Domschachtes schafft.
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Für die Gewährleistung einer hohen Funktionssicherheit der Wärmeversorgungsanlage ist es von Vorteil, wenn der Speicherbehälter und die Anschlusselemente außerhalb einer frostgefährdeten Zone des Erdreiches angeordnet sind. Bei dem in den Wärmekreisen zum oder vom Pufferspeicher geförderten Wärmespeicher- bzw. Wärmetransportmedium handelt es sich bevorzugt um Wasser, welches insbesondere bei Betriebsstillstand der Wärmeversorgungsanlage, in den im Außenbereich verlegten Speicherbehälter und Anschlusselementen Frostschäden verursachen kann. Mit der vorstehenden Anordnung werden derartige Schäden unter minimalem Aufwand an Wärmeschutzmaßnahmen für den Pufferspeicher vermieden.
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In einer zweckmäßigen Ausführungsform weist der Speicherbehälter eine zylindrische Form auf, wobei zumindest die Bodenseite konvex gewölbt ist. Diese Formgestaltung des Speicherbehälters gewährleistet eine besonders hohe Stabilität gegenüber einer äußeren Druckbelastung, wie sie beispielsweise durch die Lagerung des Speicherbehälters im Erdreich einwirkt.
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Eine gegenüber dem Erddruck besonders gute Druckfestigkeit wird gewährleistet, wenn der Speicherbehälter und, sofern vorhanden, der Domschacht aus Stahlblech besteht.
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In einer besonders praxistauglichen Ausführung weist der Speicherbehälter Halteösen auf, womit der kompakte und komplett vorgefertigte Pufferspeicher mit Hebemitteln in den vorbereiteten Aufstellungsbereich, wie zum Beispiel in die Erdreichgrube, eingebracht werden kann. Die Halteösen bieten zudem bei der Herstellung des Speicherbehälters technologische Vorteile, insbesondere bei einer nicht standfesten, konvex gewölbten Bodenseite.
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In einer günstigen Ausführung weist der Domschacht einen begehbaren Schachtdeckel auf, was den Schachtraum und damit die Anschlüsse auf der Deckelseite beispielsweise vor Witterungseinflüssen schützt. Der Schachtdeckel bietet außerdem eine gefahrlose Abdeckung der begehbaren Oberfläche im Umfeld des unterirdisch verlegten Pufferspeichers.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist in einer Wandung des Domschachtes mindestens ein Schachtstutzen vorgesehen, der luft- und wasserdicht verschließbar ist. Dieser Schachtstutzen ermöglicht vor Ort eine seitliche Durchführung eines oder mehrerer Anschlusselemente mit geringem Aufwand herzustellen. Die Anschlusselemente können so zur Montage an die Anschlussstutzen leicht in den Domschacht eingeführt werden. Vorzugsweise können die Anschlusselemente eines Wärmekreises gruppiert verlegt und gemeinsam durch einen Schachtstutzen durchgeführt werden. Die Anschlusselemente eines Wärmekreises betreffen beispielsweise die medienführende Vorlauf- und Rücklaufleitung und gegebenenfalls ein oder mehrere Messleitungen für Messeinrichtungen innerhalb des Pufferspeichers, wie z. B. der Temperaturfühler des Wärmekreises. Der Schachtstutzen ist nach Verlegung der Anschlusselemente beispielsweise mit einem Dichtmaterial verschließbar, so dass keine Fuchtigkeit in den Schachtraum eindringen kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Anschluss element lösbar mit dem Anschlussstutzen verbunden. Das ermöglicht eine leichte Montage und Demontage sowie eine flexible Auswahl der Anschlusselemente an den Anschlussstutzen.
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Im Interesse einer Revisionsmöglichkeit des Innenraumes des Speicherbehälters ist die Deckelseite lösbar mit dem Speicherbehälter und/oder ein Deckel der Deckelseite lösbar mit einem Deckelstutzen der Deckelseite verbunden. Infolge des Platzangebotes im Schachtraum oberhalb der Deckelseite ist die Deckelseite bzw. der Deckel bequem ein- bzw. ausbaufähig.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Speicherbehälter mindestens ein Einbauelement auf, das lösbar mit der Deckelseite oder dem Deckel verhunden ist. Damit kann das Einbauelement gemeinsam mit der Deckelseite bzw. mit dem Deckel frei von Hindernissen aus dem Speicherbehälter heraus gehoben werden und ist zu Revisionszwecken oder zum Austausch zugänglich.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die einem Wärmekreis zugehörigen Einbauelemente längserstreckt ausgebildet und gemeinsam an einem Deckel angeordnet. Dies ermöglicht auf einfache Weise eine Auswahl der Einbauelemente eines Wärmekreises und bietet damit eine außerordentliche Flexibilität des Pufferspeichers hinsichtlich der individuellen Verwendung von Wärmekreisen in Anpassung an die jeweilige Wärmebedarfsstruktur der Wärmeversorgungsanlage. Insbesondere kann ein nachträglicher Austausch oder eine Nachrüstung von Wärmekreisen vorgenommen werden. Die Längserstreckung der Einbauelemente, angepasst an den Querschnitt der zur Verfügung stehenden Öffnung des Deckelstutzens, ermöglicht hierbei den Auszug und die Einführung der betreffenden Einbauelemente.
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Wenn vorteilhafter Weise die einem Wärmekreis zugehörigen Einbauelemente eine Längserstreckung aufweisen, die sich von der Längserstreckung der Einbauelemente des anderen Wärmekreises unterscheidet, ragen die Einbauelemente in unterschiedliche Höhenzonen des Speicherbehälters ein, so dass die Temperaturschichtung im Speicherbehälter für die verschiedenen Wärmekreise mit spezifischen Temperaturanforderungen gut ausgenutzt werden kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist des Einbauelement in Form eines Wärmetauschers aus mehreren längserstreckten Wärmetauschersegmenten gebildet, die eine voneinander verschiedene Längserstreckung aufweisen und mittels eines umschaltventils wahlweise ansteuerbar sind. Damit kann der Wärmetauscher entsprechend der Bedarfssituation im zugehörigen Wärmekreis zwischen verschieden temperierten Höhenzonen des Pufferspeichers umgeschaltet werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist eine Oberfläche des Speicherbehälters einen Mantel aus Wärmedämmmaterial auf. Der Mantel aus Wärmedämmmaterial reduziert die Wärmeverluste des Pufferspeichers, insbesondere bei Betriebszuständen, bei der die Temperatur des Wärmespeichermediums erheblich über der Umgebungstemperatur des Pufferspeichers liegt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wen der Mantel aus Polyurethan-Hartschaum, vorzugsweise aus Elastopor, besteht. Dieses Wärmedämmmaterial verfügt über eine guten Wärmedämmwert und kann daher mit einer geringen Wandstärke verwendet werden. Außerdem ist dieses Wärmedämmmaterial besonders druckfest, so dass die Stabilität des Mantels auch gegenüber einem Erddruck aufrecht erhalten werden kann, unter der Berücksichtigung, dass das Eigengewicht des mit dem Wärmespeichermedium gefüllten Behälters den Druck auf den Mantel erhöht.
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Ist der Polyurethan-Hartschaum auf die Oberfläche des Speicherbehälters aufspritzbar, kann eine vollflächig dichte Schicht erzielt werden, die für einen gas- und feuchtigkeitsabweisenden Korrosionsschutz der Oberfläche des Speicherbehalters, insbesondere bei der Anordnung im Erdreich sorgt.
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Der Mantel wird gegenüber dem Erdreich besonders dauerhaft gas- und wasserdicht versiegelt, wenn der Mantel eine Schicht aus einem einem Bitumen-Kunststoffgemisch aufweist.
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Im Domschacht ist mit einer ebnehmbaren Dämmschale aus üblichem Wärmedämmmeterial, wie zum Beispiel Mineralwolle, ein flexibler Zugang zu den Anschlüssen des Pufferspeichers gewährleistet, ohne auf Wärmedämmmaßnahmen der Deckelseite gegenuber der Umgebung verzichten zu müssen.
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Nachstehend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel des Pufferspeichers und an einem Ausführungsbeispiel einer Wärmeversorgungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Pufferspeicher näher erlautert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in:
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1 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Pufferspeichers mit einem Domschacht in einer Anordnung im Erdreich,
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2 eine auszugsweise Schnittansicht des Pufferspeichers nach 1 mit einer alternativen Ausführung der Deckelseite,
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3 eine Draufsicht auf die Deckelseite des Pufferspeichers nach 2,
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4 Wärmeversorgungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Pufferspeicher
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Der Pufferspeicher 1 nach 1 ist ein Teil einer nicht näher dargestellten Wärmeversorgungsanlage für ein Gebäude. Der Pufferspeicher 1 besteht aus einem zylindrisch geformten Speicherbehälter 2, der mit einer konvex gewölbten Deckelseite 3 und ebenso konvex gewölbten Bodenseite 4 geschlossen ist und in dem Wasser als fluides Wärmespeichermedium 5 mit einem Volumen von beispielsweise 2500 l enthalten ist. An diesem Speicherbehälter 2 ist in verlängerung seiner zylindrischen Form ein zylindrischer Domschacht 6 ausgebildet, welcher mit einer Sohle 7 an die Deckelseite 3 des Speicherbehälters 2 angrenzt. Der Speicherbehälter 2 und der Domschacht 6 bestehen zum Zwecke einer hohen Stabilität aus ca. 3,5 bis 4 mm starkem Stahlblech. Der Domschacht 5 kann entweder als gesondertes Teil gefertigt sein, welches mit der Sohle 7 an die Deckelseite 3 des Speicherbehälters 2 angeschweißt wird, oder die Deckelseite 3 ist in einem einstückigen Hohlzylinder so eingeschweißt, dass sich der Domschacht 6 mit seiner Sohle 7 herausgebildet. Der Domschacht 6 umfasst oberhalb der Deckelseite 3 einen Schachtraum 8. Die Deckelseite 3 weist einen in den Schachtraum 8 ragenden Deckelstutzen 9 und einen mit diesem verbundenen Deckel 10 auf, an dem mehrere Anschlussstutzen 11 angeordnet sind. Deckelstutzen 9 und Deckel 10 sind miteinander mittels einer Flanschverbindung lösbar verbunden. Auf der Oberfläche 12 des Speicherbehälters 2 ist ein Mantel 13 aus Polyurethan-Hartschaum, beispielsweise aus Elastopor, vorgesehen, der im Spritzverfahren aufgebracht ist. Die gewählte Wanddicke des Mantels 13 aus Hartschaum, der einen rechnerischen Warmedurchgengskoeffizienten von 0,24 W/m2K aufweist, beträgt beispielsweise 120 mm, Der Mantel 13 weist zur gas- und wasserdichten Versiegelung eine Beschichtung mit einem Bittumen-Kunststoffgemisch, z. B. Solotan DachL, auf. Der Domschacht 6 erhält ebenfalls einen geeigneten Schutzanstrich.
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In der vorbeschriebenen Ausführung wird der Pufferspeicher 1 komplett vorgefertigt und mittels nicht dargestellter Hebemittel in eine mit einem Kiesbett 14 vorbereitete Erdreichgrube in das Erdreich 15 versenkt. Dabei ist der Speicherbehälter 2 so unterhalb einer begehbaren Erdoberfläche 16 angeordnet, dass eine Oberkante 17 des Domschachtes 6 im Wesentlichen bündig mit der Erdoberfläche 16 abschließt. Der Domschacht 6 ist mit einem begehbaren Schachtdeckel 18 abgedeckt. In einer Wandung 19 des Domschachtes 6 ist ein Schachtstutzen 20 vorgesehen, durch den zwei Anschlusselemente 21, nämlich eine Vorlaufleitung 22 und eine Rücklaufleitung 23 eines nur abschnittsweise dargestellten ersten Wärmekreises 24 der Wärmeversorgungsanlage hindurch geführt sind. Vorlaufleitung 22 und Rücklaufleitung 23 werden erdverlegt von dem nicht dargestellten Gebäude herangeführt. Diese Anschlusselemente 21 sind jeweils an einem Anschlussstutzen 11 mittels einer Schraubverbindung befestigt und können daher leicht getrennt und verbunden werden. Die weiteren paarweise angeordneten Anschlussstutzen 11 stehen für die Anschlusselemente 21, eines zweiten 25 und eines dritten Wärmekreises 26 (nur in 3 abschnittsweise ersichtlich) zur Verfügung und werden bei Nichtnutzung mit einer verschraubbaren Blindkappe 27 verschlossen. Der Schachtstutzen 20 bildet eine Schutzhülse 28, in der der beim Durchgang der Anschlusselemente 21 verbleibende Freiraum zwischen einer Leitungsisolation 29 der Anschlusselemente 21 und der Schutzhülse 28 mit geeignetem Material dauerelastisch und wasserdicht abgedichtet wird. Alle Anschlussstutzen 11, wie auch die Ausschlusselemente 21 und der Schachtsstutzen 20, sind innerhalb des Schachtraumes 8 durch das Montage- und Wartungspersonal gut zugänglich. Im Schachtraum 8 des Domschachtes 6 ist eine abnehmbare Dämmschale 30 aus Mineralwolle vorgesehen, die nach der Fertigstellung der Anchlüsse oberhalb der Anschlusselemente 21 einlegbar ist.
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Im Speicherbehälter 2 sind mehrere Einbauelemente 31 vorgesehen, die passend zu den Anschlussstutzen 11 mit dem Deckel 10 verbunden sind. Entsprechend der gewählten Anbindung der Anschlusselemente 21 an die Anschlusssstutzen 11 ist jedes Einbauelement 31 einem Wärmekreis zugeordnet. Im Ausführungsbeispiel ist das dem ersten Wärmekreis 24 zugehörige Einbauelement 31 ein kurzerstreckter Rohrwärmetauscher 32 mit geringer Baulänge. Für die weiteren, in 1 nicht dargestellten Wärmekreisläufe 25, 26 steht ein langerstreckter Rohrwärmetauscher 33 mit großer Baulänge bzw. ein Rohreinsatz 34 mit einem langem Zulaufrohr 35 und einem kurzem Entnahmerohr 36 zur Verfügung. Mittels der unterschiedlichen Längserstreckung der Einbauelemente 31 wird das Wasser 5 aus verschieden temperierten Temperaturzonen des Speicherbehälters 2, die sich geschichtet über eine Höhe des Speicherbehälters 2 herausbilden, für die bedarfsgerechte Wärmeübertragung zwischen Pufferspeicher 1 und den Wärmekreisen 24, 25, 26 nutzbar gemacht. In einer oberen Temperaturzone 37 steht beispielsweise Wasser 5 mit einer Temperatur von ca. 60° bis 80°C zur Verfügung, wogegen in einer unteren Temperaturzone 38 eine Wassertemperatur von ca. 40°C vorherrscht. Vorzugsweise ist daher der erste Wärmekreis 24 mit dem kurzerstreckten Rohrwärmetauscher 32, der infolge seiner Baulänge in die obere Temperaturzone 37 des Pufferspeichers 1 reicht, für die Warmwasserbereitung (Brauchwasser-Wärmekreis) vorgesehen, um eine Warmwassertemperatur von ca. 60°C bereitstellen zu können. Der langerstreckte Rohrwärmetauscher 33, der infolge seiner Baulänge in die untere Temperaturzone 38 des Pufferspeichers 1 reicht, kann beispielsweise für den zweiten Wärmekreis 25 zur regenerativen Solar-Wärmeerzeugung (Wärmeerzeugerkreis) zur Verfügung stehen. Der Rohreinsatz 34 kann als Bestandteil des dritten Wärmekreises 26 genutzt werden, welcher das Wasser 5 zur Wärmeübertragung in einem Heizungs-Wärmekreis verwendet und dabei im Heizungs-Wärmekreis unter direktem Einbezug der unteren Temperaturzone 38 des Pufferspeichers 1 umgewälzt wird. Sämtliche Einbauelemente 31 sind mit dem Deckel 10 lösbar verbunden, so dass Einbauelemente 31 zu Revisionszwecken gemeinsam mit dem Deckel 10 nach oben durch den Schachtraum 8 und über die Oberkante 17 des Domschachtes 6 hinaus herausgezogen werden können. Im Falle des Verschleißes der Einbauelemente 31 oder im Falle gebäudespezifischer Anpassungsmaßnahmen an der Wärmeversorgungsanlage können die Einbauelemente 31 leicht vom Deckel 10 gelöst und ausgetauscht werden.
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2 zeigt einen Ausschnitt des Pufferspeichers 1 nach 1 jedoch mit einer alternativen Ausführung der Deckelseite 3. Die Deckelseite 3 nach dieser Ausführung weist drei Deckelstutzen 9', 9'', 9''' auf, die jeweils mit einem gesonderten Deckel 10', 10'', 10''' verschlossen sind. An jedem der Deckel 10', 10'' , 10''' sind die jeweils einem Wärmekreis 24, 25, 26 zugehörigen Anschlussstutzen 11 angeordnet und das zugehörige Einbauelement 31 (hier nur andeutungsweise dargestellte befestigt. Aus der unterschiedlichen Konstellation der Wärmekreise 24, 25, 26 ergibt sich eine unterschiedliche Größe und Gestaltung der Deckel 10', 10'', 10''', wie aus der Draufsicht auf die Deckelseite 3 nach 3 gut ersichtlich ist. Der Deckel 10' ist derart gestaltet, dass an den vorgesehenen Anschlussstutzen 11 die Vorlauf- und Rücklaufleitung 22, 23 des Brauchwasser-Wärmekreises 24 angeschlossen werden kann. An den Anschlussstutzen 11 des Deckels 10'' können beispielsweise die Anschlusselemente 21 des Wärmeerzeugerkreises 25 angeschlossen werden, wobei die Anschlusselemente 21 aus einer Vorlaufleitung 39, zwei Rücklaufleitungen 40', 40'' und aus einer Fühlerleitung 41 für einen oder mehrere Temperaturfühler bestehen. in dieser Konstellation der Anschlusselemente 21 ist ein Doppel-Rohrwärmetauscher 42 mit zwei unterschiedlich längserstreckten, parallel geschalteten Wärmetauschersegmenten 43', 43'' anschließbar, wie er in 4 näher dargestellt und nachfolgend beschrieben ist. Die Anschlussstutzen 11 des Deckels 10''' in 3 sind beispielsweise für den Anschluss der Anschlusselemente 21 des Heizungs-Wärmekreises 26 vorgesehen, welche von einer Vorlaufleitung 44 und einer Rücklaufleitung 45 gebildet sind.
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in der Wandung 19 des Domschachtes 6 nach 2 und 3 sind mit einem gleichen Höhenmaß 46 von der Oberkante 17 des Domschachtes 6 drei Schachtstutzen 20', 20'', 20''' vorgesehen, durch die die jeweiligen Anschlusselemente 21 des Heizungs-Wärmekreises 26, des Wärmeerzeugerkreises 25 und des Brauchwasser-Wärmekreises 24 hindurch geführt sind. Das Höhenmaß 46 ist so gewählt, dass bei einem Einbau des Speicherbehälters 2 im Erdreich 15 eine Erdüberdeckung 47 der durch die Schachtstutzen 20', 20'', 20''' verlegten Anschlusselemente 21 erzielt wird, welche eine Lage der Anschlusselemente 21 außerhalb einer frostgefährdeten Erdreichzone gewährleistet. Diese frostgefährdete Erdreichzone ist entsprechend der jeweiligen örtlichen Witterungsbedingungen gemäß genormter Vorgaben definiert. Die Schachtstutzen 20', 20'' , 20''' sind mit einem lösbaren Verschluss vorgefertigt. Bei Nichtgebrauch eines Schachtstutzens 20 wird dieser mit dem Verschluss verschlossen oder bleibt, wie vorgefertigt ausgestattet, verschlossen.
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Die mittels des Schachtraumes 8 des Domschachtes 6 geschaffene Zugänglichkeit der Anschlussstutzen 11 und Einbauelemente 31 des Pufferspeichers 1, verbunden mit der Variabilität der Größe des Speicherbehälters und der Gestaltung der Deckel 10, 10', 10'' , 10''' ermöglicht eine hohe Vielfalt in der Große und Ausrüstung des Pufferspeichers 1 und mithin ein hohe Anpassungsfähigkeit des Pufferspeichers 1 an das jeweilige Wärmekonzept der Wärmeversorgungsanlage.
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4 zeigt eine schematiche Darstellung einer Wärmeversorgungsanlage für ein Gebäude mit dem erfindungsgemäßen Pufferspeicher 1 nach 2 und 3. Der Pufferspeicher 1 steht mit drei Wärmekreisen, nämlich dem Brauchwasser-Wärmekreis 24, dem Wärmeerzeugerkreis 25 und dem Heizungs-Wärmekreis 26 in Verbindung. Der Brauchwasser-Wärmekreis 24 versorgt die Warmwasserverbraucher des Gebäudes mit erwärmtem Brauchwasser. Der Heizungs-Wärmekreis 26 liefert die Heizwärme zur Raumheizung des Gebäudes. In dem Wärmeerzeugerkreis 25 erfolgt eine regenerative Wärmeerzeugung mittels Salarkollektoren 48 und eine konventionelle Wärmeerzeugung mittels eines Öl- oder Gaskessels 49. Da der Pufferspeicher 1 über ein hohes Speichervolumen verfügt, können Sowohl kurzzeitige Spitzenwerte wie auch geringere Werte der durch die Solarkollektoren 48 erzeugten Wärmeenergie im Pufferspeicher 1 langfristig gespeichert werden. Sofern die Wärmeerzeugung durch die Solarkollektoren 48 zu gering ist, kann der Wärmeerzeugerkreis 25 mittels eines Umschaltventils 50 auf den Öl- oder Gaskessel 49 umschalten, welcher dann die kurzfristige Nachheizung des Pufferspeichers 1 übernimmt.
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Der Brauchwasser-Wärmekreis 24 ist über den Deckel 10', an dem kurzerstreckten Rohrwärmetauscher 32 angeschlossen. Der Wärmeerzeugerkreis 25 ist über den Deckel 10'' mit dem Doppel-Rohrwärmetauscher 42 verbunden. Am Deckel 10''' ist die Vor- und Rüklaufleitung 44, 45 des Heizungskreises 26 zur direkten Zuführung und Entnahme des Wassers 5 mit dem Rohreinsatz 34 verbunden. Für die Warmwasserbereitung ist der kurzerstreckte Rohrwärmetauscher 32 in der oberen Temperaturzone 37 des Pufferspeichers 1 angeordnet, in der eine Wassertemperatur von z. B. mehr als 60°C zur Verfügung steht. Die Zuführung und Entnahme des Wassers 5 für den Heizungs-Wärmekreis 26 erfolgt in der unteren Temperaturzone 38 des Pufferspeichers bei einer Wassertemperatur von z. B. 40°C–60°C. Der Doppel-Rohrwärmetauscher 42 erstreckt sich über beide Temperaturzonen 37, 38, wobei das Wärmetauschersegment 43' in der oberen Temperaturzone 37 und das Wärmetauschersegment 43'' in der unteren Temperaturzone 38 angeordnet ist. Die Wärmetauschersegmente 43', 43'' sind mittels eines Umschaltventils 51 wahlweise ansteuerbar. Die Umschaltung erfolgt entsprechend einer Vorlauftemperatur im Vorlauf 39 des Wärmeerzeugerkreises 25 im Verhältnis zur Temperatur des Wassers 5 im Speicherbehälter 2. So kann der Doppel-Rohrwärmetauscher 42 beispielsweise bei geringer Wärmeleistung der Solarkollektoren 48 und niedriger Vorlauftemperatur die untere Temperaturzone 38 des Speicherbehälters 2 bedienen, um trotz geringer Vorlauftemperatur im Wärmeerzeugerkreis 25 noch eine Wärmeübertragung an das Wasser 5 im Speicherbehälter 2 zu ermöglichen. Dagegen kann bei höherer Wärmeleistung des Wärmeerzeugerkreises 25 mit hoher Vorlauftemperatur auf die obere Temperaturzone 37 umgeschaltet werden und diese in kurzer Zeit „geladen” werden. In Spitzenleistungsphasen der Solarkollektoren 48 wie auch beim Anfahren der Wärmeversorgungsanlage kann so die Wärmeenergie vorrangig für die Brauchwasserbereitung verfügbar gemacht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pufferspeicher
- 2
- Speicherbehälter
- 3
- Deckelseite
- 4
- Bodenseite
- 5
- Wärmespeichermedium, Wasser
- 6
- Domschacht
- 7
- Sohle
- 8
- Schachtraum
- 9
- Deckelstutzen
- 10
- Deckel
- 11
- Anschlussstutzen
- 12
- Oberfläche des Speicherbehälters
- 13
- Mantel
- 14
- Kiesbett
- 15
- Erdreich
- 16
- Begehbare Oberfläche, Erdoberfläche
- 17
- Oberkante des Domschachtes
- 18
- Schachtdeckel
- 19
- Wandung des Domschachtes
- 20
- Schachtstutzen
- 21
- Anschlusselement
- 22
- Vorlaufleitung des ersten Wärmekreises
- 23
- Rücklaufleitung des ersten Wärmekreises
- 24
- erster Wärmekreis, Brauchwasser-Wärmekreis
- 25
- zweiter Wärmekreis, Wärmeerzeugerkreis
- 26
- dritter Wärmekreis, Heizungs-Wärmekreis
- 27
- Blindkappe
- 28
- Schutzhülse
- 29
- Leitungsisolation der Anschlusselemente
- 30
- Dämmschale
- 31
- Einbauelement
- 32
- kurzerstreckter Rohrwärmetauscher
- 33
- langerstreckter Rohrwärmetauscher
- 34
- Rohreinsatz
- 35
- Zulaufrohr
- 36
- Entnahmerohr
- 37
- obere Temperaturzone
- 18
- untere Temperaturzone
- 39
- Vorlaufleitung des Wärmeerzeugerkreises
- 40
- Rücklaufleitung des Wärmeerzeugerkreises
- 41
- Fühlerleitung des Wärmeerzeugerkreises
- 42
- Doppel-Rohrwärmetauscher
- 43
- Warmetauschersegment
- 44
- Vorlaufleitung des Heizungs-Wärmekreises
- 45
- Rücklaufleitung des Heizungs-Wärmekreises
- 46
- Höhenmal
- 47
- Erdüberdeckung
- 48
- Solarkollektor
- 49
- Öl- oder Gaskessel
- 50
- Umschaltventil
- 51
- Umschaltventil
