DE102008059544A1

DE102008059544A1 - Brauchwassererwärmer, Brauchwasserversorgungssystem mit einem Brauchwassererwärmer sowie Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE102008059544A1
Application number: DE102008059544A
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl.-Ing. Schubert; Dirk Dipl.-Ing. Drews
Original assignee: SOLARHYBRID AG
Current assignee: SOLARHYBRID AG
Priority date: 2008-11-30
Filing date: 2008-11-30
Publication date: 2010-06-02

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brauchwassererwärmer zur Erwärmung von Brauchwasser mit einem Wärmetauscher (1), der von einem zu erwärmenden Brauchwasserstrom (B) und einem Gegenstrom (G) eines Wärmeabgabemediums durchströmbar ist, wobei der Wärmetauscher (1) eine Vorwärmstufe (2) und eine Nachwärmstufe (3) aufweist, die von dem Brauchwasserstrom (B) durchströmbar sind, wobei die Vorwärmstufe (2) und die Nachwärmstufe (3) unabhängig voneinander von verschiedenen Gegenströmen (G2, G3) durchströmbar sind. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Brauchwasserversorgungssystem mit einem derartigen Brauchwassererwärmer und einem mit Speichermedium befüllten Pufferspeicher (40), wobei der obere Bereich (40.1) des Pufferspeichers (40) über eine Leitung (41) mit dem Vorlauf (3.1) der Nachwärmstufe (3) strömungsverbunden ist und der Rücklauf (3.2) Nachwärmstufe (3) mit einem mittleren Bereich (40.2) des Pufferspeichers (40) über eine Leitung (42) strömungsverbunden ist. Weitere Gegenstände der Erfindung bilden Verfahren eines Brauchwasserwärmers und/oder eines Brauchwasserversorgungssystems.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brauchwassererwärmer zur Erwärmung von Brauchwasser mit einem Wärmetauscher, der von einem zu erwärmenden Brauchwasserstrom und einem Gegenstrom eines Wärmeabgabemediums durchströmbar ist. Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein Brauchwasserversorgungssystem mit einem solchen Brauchwassererwärmer und einem mit Speichermedium befüllten Pufferspeicher. Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren zum Betrieb eines Brauchwassererwärmers und/oder eines Brauchwasserversorgungssystems.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Arten von Brauchwassererwärmern zur Erwärmung von Brauchwasser sowie Verfahren zu deren Betrieb bekannt.
Beim so genannten Speicherverfahren wird eine bestimmte Menge Brauchwasser in dafür vorgesehenen Speicherbehältern auf einer für eine Brauchwasserentnahme geeigneten Solltemperatur vorrätig gehalten, beispielsweise in einem innerhalb eines Pufferspeichers eines Hausheizsystems vorgesehen Speicherbehälter, der über das Speichermedium des Pufferspeichers auf der gewünschten Brauchwassersolltemperatur gehalten wird. Bei Bedarf kann das warme Brauchwarmwasser entnommen werden. Derartige Speicherverfahren weisen den Nachteil auf, dass aufgrund der begrenzten Speicherkapazitäten der Speicherbehälter im Falle größeren Brauchwarmwasserbedarfs eine gleich bleibende Versorgung oftmals nicht möglich ist. Ein weiterer Nachteil dieser Speicherverfahren liegt darin, dass das Brauchwasser oftmals über lange Zeiträume in dem Speicherbehälter steht, weshalb es von den Verbrauchern als nicht mehr frisch empfunden wird. Auch können sich bei über längere Zeiträume stehendem Brauchwasser hygienisch bedenkliche Zustände aufgrund sich bildender Mikroorganismen, wie etwa Amöben oder Legionellen einstellen.
Zur Vermeidung dieser Probleme haben sich in der Vergangenheit so genannte Durchlaufverfahren bewährt, bei welchen das zu erwärmende Brauchwasser im Durchlauf von einem Wärmeabgabemedium auf die gewünschte Solltemperatur erwärmt wird. Zwei nach dem Stand der Technik bekannte Durchlaufverfahren sind in den 1 und 2 dargestellt.
1 zeigt den so genannten Hygienespeicher, bei welchem innerhalb eines Pufferspeichers 40 eines Hausheizsystems das zu erwärmende Brauchwasser durch eine Wärmetauscherrohrwendel von unten nach oben geführt ist. Beim Durchlaufen der Wärmetauscherrohrwendel erwärmt sich das im unteren Bereich des Pufferspeichers 40 mit einer Eintrittstemperatur T_Ein eintretende Brauchwasser, bis es am oberen Ende des Pufferspeichers 40 mit der gewünschten Solltemperatur T_Soll austritt und den Verbrauchern, beispielsweise als Duschwasser, zur Verfügung steht. Ein Vorteil bei dieser Art von Brauchwassererwärmung liegt darin, dass in dem Wärmetauscherrohr eine nur vergleichsweise geringe Brauchwassermenge steht und bei Bedarf das Brauchwasser im Durchlauf erwärmt wird, weshalb es von den Verbrauchern nicht als abgestanden empfunden wird.
In dem Pufferspeicher 40 ist das Speichermedium entsprechend seiner Temperatur in Schichten eingelagert. Das wärmste Speichermedium befindet sich im oberen Bereich des Pufferspeichers, wohingegen sich im unteren Bereich des Pufferspeichers Schichten kälteren Speicherfluids befinden. Beim Durchlaufen des Speichers 40 tritt das Brauchwarmwasser im unteren Bereich mit kälterem Speicherfluid ein und steigt dann in Richtung des wärmeren Speicherfluids nach oben, wodurch es kontinuierlich erwärmt wird, bis es am Austritt die Solltemperatur T_Soll erreicht hat. Nachteilig ist bei dieser Art Hygienespeichern, dass es bei andauernder Brauchwasserentnahme, d. h. im Bereich großer Schüttleistungen, aufgrund von Dichteänderungen des seine Wärme abgebenden Speichermediums zu einer Durchmischung der unterschiedlich temperierten Schichten des Speichermediums kommen kann, so dass sich innerhalb des Speichers Mischwasser mit einer unterhalb der gewünschten Solltemperatur liegenden Mischtem peratur bildet, so dass eine Erwärmung des Brauchwassers auf die Solltemperatur T_Soll nicht mehr möglich ist.
Als Durchlaufverfahren für größere Schüttleistungen hat sich das so genannte Frischwasserverfahren gemäß 2 bewährt, bei welchem das benötigte Brauchwasser mit einer Eingangstemperatur T_Ein in einen Plattenwärmetauscher geführt wird, in welchem es über einen höher temperierten Gegenstrom warmen Speicherwassers aus einem Pufferspeicher 40 erwärmt wird. Die Entnahme des Speicherwassers erfolgt im oberen Bereich des Speichers 40, so dass nur das am höchsten temperierte Speichermedium des Pufferspeichers zur Wärmeübertragung herangezogen wird, was insbesondere bei Hausheizsystemen mit Wärmeaufnehmern auf regenerativer Basis, insbesondere mit Luftwärmepumpen und Solaranlagen, von Nachteil ist, da diese bei höheren Temperaturen, insbesondere im Temperaturbereich von über 50°C, vergleichsweise unwirtschaftlich arbeiten. Von daher ist es unter energetischen Gesichtspunkten ungünstig, das kalte Brauchwasser ausschließlich mit dem am höchsten temperierten Speicherfluid des Pufferspeichers zu erwärmen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brauchwassererwärmer, ein Brauchwasserversorgungssystem sowie ein Verfahren zu deren Betrieb anzugeben, mit welchen sich Brauchwasser energieeffizient und hygienisch unbedenklich erwärmen lässt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Brauchwassererwärmer der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass der Wärmetauscher eine Vorwärmstufe und eine Nachwärmstufe aufweist, die von dem Brauchwasserstrom durchströmbar sind, wobei die Vorwärmstufe und die Nachwärmstufe unabhängig voneinander von verschiedenen Gegenströmen durchströmbar sind.
Durch diese mehrstufige Ausgestaltung des Wärmetauschers wird die Gegenstromerwärmung des Brauchwassers auf dessen Solltemperatur auf zwei Stufen verteilt. in der ersten Stufe erfolgt zunächst eine Vorwärmung auf eine bestimmte Zwischentemperatur, wozu es nicht erforderlich ist, einen Gegenstrom auf einem der Solltemperatur entsprechenden Temperaturniveau zu nutzen. Es kann zunächst eine Vorwärmung des Brauchwassers mittels weniger hoch temperierter, oftmals in größeren Mengen zur Verfügung stehender Energie erfolgen. In einer sich anschließenden Nachwärmung mittels höher temperierter Energie kann dann in der Nachwärmstufe eine Nacherwärmung auf die gewünschte Solltemperatur erfolgen, wobei hierzu aufgrund der Vorwärmung eine geringere Menge hoch temperierter Energie erforderlich ist. Hierdurch ergibt sich eine effiziente Splittung des Gesamttemperaturhubs in einem Gegenstromwärmetauscher.
Von Vorteil ist eine Ausgestaltung, nach welcher der Gegenstrom der Vorwärmestufe eine geringere Temperatur aufweist als der Gegenstrom der Nachwärmstufe. Bei dieser Ausgestaltung wird über den Gegenstrom der Vorwärmstufe zunächst eine Vorwärmung des Brauchwassers erreicht, wobei über den höher temperierten Gegenstrom der Nachwärmstufe dann eine Nachwärmung auf das gewünschte Temperaturniveau erfolgt.
Ferner wird eine Ausgestaltung vorgeschlagen, bei welcher die Vorwärmstufe und die Nachwärmstufe eine steckfertige Einheit bilden. Die Ausbildung beider Stufen als steckfertige Einheit erlaubt eine ein fache, wenig fehleranfällige Montage des Brauchwassererwärmers vor Ort.
Im Zusammenhang ist es weiter von Vorteil, wenn die Vorwärmstufe und die Nachwärmstufe in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind, wodurch sich eine Art zweistufiger Wärmetauscher ergibt.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Vorwärmstufe und die Nachwärmstufe jeweils einen Vorlauf und einen Rücklauf für das Wärmeabgabemedium aufweisen. Über den entsprechenden Vor- bzw. Rücklauf können die Gegenströme der beiden Stufen unabhängig voneinander mit Wärmeabgabemedium versorgt werden, so dass sich zwei vollständig voneinander getrennte Gegenströme für den selben, zu erwärmenden Brauchwasserstrom ergeben.
Weiter wird vorgeschlagen, dass der Brauchwassererwärmer ein von dem Brauchwasser durchströmbares Wärmetauscherrohr aufweist, welches sich durch die Vorwärmstufe und die Nachwärmstufe erstreckt. Mit nur einem Wärmetauscherrohr kann die zweistufige Erwärmung des Brauchwassers erfolgen, wobei das Wärmetauscherrohr in der Vorwärmstufe von einem weniger hoch temperierten Gegenstrom umströmt und in der Nachwärmstufe von einem höher temperierten Gegenstrom umströmt wird.
In weiterer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Wärmetauscherrohr im Übergang zwischen der Vorwärmstufe und der Nachwärmstufe ein Übergangsstück aufweist.
Weiter ist vorgesehen, dass der Brauchwassererwärmer einen von dem Wärmeabgabemedium durchströmenden Ringspalt aufweist, in wel chem sich das Wärmetauscherrohr wendelförmig erstreckt. Die Ausgestaltung eines Ringspalts mit darin wendelförmig verlaufendem Wärmetauscherrohr erlaubt eine effiziente Ausnutzung der in dem Wärmeabgabemedium zur Verfügung stehenden Energie. Durch die Ringspalt- bzw. Ringkanalform wird das wärmeabgebende Medium dicht um die Wendeln des Wärmetauscherrohres herumgeleitet, wodurch sich eine effiziente Nutzung der zur Verfügung stehenden Wärmeenergie ergibt, da der größte Teil des Wärmeabgabemediums an der Wärmeübertragung teilnimmt. Es existieren keine in größerer Entfernung zum Wärmetauscherrohr fließenden Strömungen. Durch die Wendelform des Wärmetauscherrohres ergibt sich zudem ein langer Fließweg des Brauchwassers, was einer effizienten Wärmeaufnahme des Brauchwassers zuträglich ist.
Für eine effiziente Wärmeübertragung ist es ferner von Vorteil, wenn in dem Ringspaltkanal Mittel zur Unterstützung turbulenter Strömungen des Wärmeabgabemediums angeordnet sind. Derartige turbulente Strömungen können laminare Grenzschichten, die sich am Mantel des Wärmetauscherrohres bilden und die Wärmeübertragung beeinträchtigen können, ablösen und auf diese Weise den Wärmeübergang von dem wärmeabgebenden Medium auf das Wärmetauscherrohr und damit das in diesem strömende Brauchwasser verbessern.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Vorwärmstufe und die Nachwärmstufe jeweils eine Vorlaufkammer aufweisen, in welche die Vorläufe münden, und eine Rücklaufkammer aufweisen, an welche sich die Rückläufe anschließen.
Weiter wird vorgeschlagen, dass eine Wärmepumpe zur Umschichten von Wärme zwischen der Vorwärmstufe und der Nachwärmstufe vorge sehen ist, wobei der Verdampfer in der Vorwärmstufe und der Kondensator in der Nachwärmstufe angeordnet ist. Durch Betrieb der Wärmepumpe lässt sich Energie von der Vorwärmstufe in Richtung der Nachwärmstufe umschichten. In Betriebszeiten, in denen nicht ausreichend hoch temperiertes Wärmeabgabemedium zum Betrieb der Nachwärmstufe zur Verfügung steht, kann über die Wärmepumpe das Wärmeabgabemedium der Nachwärmstufe auf die gewünschte Temperatur gebracht werden. Hierbei kühlt sich gleichzeitig das Wärmeabgabemedium der Vorwärmstufe vor dessen Austritt aus der Vorwärmstufe weiter ab, weshalb dieses nach Durchlaufen der Vorwärmstufe eine geringe Temperatur aufweist. Beim Betrieb mit regenerativen Wärmeaufnehmern, wie beispielsweise Solaranlagen oder Luftwärmepumpen, können hierdurch verbesserte Betriebsbedingungen der Wärmeaufnehmer erreicht werde, da diese bei einem möglichst kalten Vorlaufmedium mehr Wärme aufnehmen können.
In diesem Zusammenhang wird weiter vorgeschlagen, dass der Verdampfer in der Rücklaufkammer der Vorwärmstufe und der Kondensator in der Rücklaufkammer der Nachwärmstufe angeordnet ist. Auf diese Weise wird das rücklaufende Wärmeabgabemedium der Nachwärmstufe erwärmt, wohingegen das rücklaufende Wärmeabgabemedium der Vorwärmstufe, welches beispielsweise als Vorlaufmedium für Solaranlagen genutzt werden kann, abgekühlt wird.
Weiter ist vorgesehen, dass die Vorwärmstufe und die Nachwärmstufe von Plattentauschern gebildet werden, was einen einfachen Aufbau des Brauchwassererwärmers unter Nutzung von Standardbauteilen erlaubt.
Darüber hinaus wird zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe bei einem Brauchwasserversorgungssystem vorgeschlagen, dass der obere Bereich des Pufferspeichers über eine Leitung mit dem Vorlauf der Nachwärmstufe strömungsverbunden ist und der Rücklauf der Nachwärmstufe mit einem mittleren Bereich des Pufferspeichers über eine Leitung strömungsverbunden ist.
Es ist möglich, nur der Nachwärmstufe des Brauchwassererwärmers das zur Erwärmung des Brauchwassers auf die gewünschte Solltemperatur erforderliche, hoch temperierte Pufferspeicherwasser als Gegenstrommedium bzw. Wärmeabgabenmedium zuzuführen. In der ersten Stufe kann eine Vorwärmung über weniger hoch temperierte Wärmeabgabemedien erfolgen, wodurch sich eine energieeffiziente Erwärmung des Brauchwassers unter Nutzung weniger hoch temperierter Wärmeabgabemedien ergibt.
In diesem Zusammenhang wird vorgeschlagen, dass die Leitung mit einer die Strömung des Speichermediums unterstützenden Pumpe versehen ist, um pumpengestützt eine definierte Gegenströmung aufrechterhalten zu können.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Rücklauf der Vorwärmstufe über eine Leitung mit dem unteren Bereich des Pufferspeichers strömungsverbunden ist, um das in der Vorwärmstufe abgekühlte Wärmeabgabemedium in den unteren, kalten Bereich des Pufferspeichers einzulagern.
Weiter ist vorgesehen, dass der Vorlauf der Vorwärmstufe mit einer Rücklaufleitung eines über den Pufferspeicher betriebenen Wärmeverbrauchers, insbesondere einer Raumheizung, strömungsverbunden ist. Auf diese Weise wird die Vorwärmstufe in den Rücklauf des Wärmeverbrauchers integriert und die von dem Wärmeverbraucher rücklaufende Restwärme zur Vorheizung des Brauchwassers nutzbar. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass durch die Wärmeübertragung auf das Brauchwasser das Rücklaufmedium des Wärmeverbrauchers weiter abgekühlt wird, was bei einer anschließenden Erwärmung des Rücklaufmediums über thermische Solaranlagen oder Luftwärmepumpen die Effizienz der Wärmeaufnahme verbessert.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der Wärmeverbraucher über eine über ein Ventil durchströmbare Bypass-Leitung überbrückbar ist. Hier kann eine Art Vorrangschaltung vorgesehen werden, für den Fall, dass eine große Menge Brauchwasser bzw. eine große Schüttleistung erforderlich ist, beispielsweise beim Einlassen einer Badewanne. In diesem Fall kann der Wärmeverbraucher, beispielsweise ein Fußboden-Heizkreislauf eines Gebäudes, vorübergehend über den Bypass überbrückt werden, damit in der Vorwärmstufe eine Vorwärmung auf ein vergleichsweise hohes Temperaturniveau erreicht werden kann, so dass in der Nachwärmstufe eine nur noch vergleichsweise geringe Nachwärmung erfolgen muss.
Darüber hinaus wird zur Lösung der Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das Brauchwasser in der Vorwärmstufe von einer Eingangstemperatur auf eine Zwischentemperatur und über die Nachwärmstufe von der Zwischentemperatur auf eine Solltemperatur erwärmt wird.
Es ergibt sich eine energetisch sinnvoll unterteilte Aufheizung des Brauchwassers in zwei Stufen unter Nutzung niedrig temperierter Energie. Es ist nicht erforderlich, die gesamte Temperaturdifferenz zwischen der Eingangs- und der Solltemperatur über hoch temperiertes Wärmeabgabemedium zu bewirken.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Erwärmung des Brauchwassers in der Nachwärmstufe über einen Gegenstrom aus über der Solltemperatur temperiertem Speichermedium aus dem oberen Bereich des Pufferspeichers erfolgt.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Erwärmung des Brauchwassers in der Vorwärmstufe über einen eine geringere Temperatur als die Solltemperatur aufweisenden Gegenstrom eines Wärmeabgabemediums aus einem Rücklauf eines Wärmeverbrauchers, insbesondere eines Hausheizungssystems, erfolgt.
Weiter ist vorgesehen, dass dem Gegenstrom der Vorwärmstufe über den Pufferspeicher durch einen Solarkollektor oder eine Wärmepumpe Energie zugeführt wird. Auch kann dem Gegenstrom die Energie über Luftkollektoren, eine Abwasserwärmerückgewinnung, eine Abluftwärmerückgewinnung usw. zugeführt werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass in Betriebszeiten, in denen kein oder wenig über der Solltemperatur liegendes Speichermedium im Pufferspeicher vorhanden ist, durch Betrieb der Wärmepumpe die Temperatur des Speichermediums im oberen Bereich des Pufferspeichers mindestens auf Solltemperatur erhöht wird. Der Betrieb der integrierten Wärmepumpe macht unabhängig von äußeren Energieaufnehmern und bietet die Möglichkeit, sich die zur Erwärmung vom Brauchwasser erforderlichen Energiereserven selbst zu schaffen.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der Wärmeverbraucher eine Raumheizung ist und dass in Betriebszeiten, in denen im unteren Speicherbereich kein zum Betrieb der Vorwärmstufe ausreichend temperiertes Speichermedium zur Verfügung steht, der Wärmeverbraucher auch außerhalb der Raumheizzeiten in Betrieb genommen wird, um den Gegenstrom der Vorwärmstufe über die Rücklaufleitung zu betreiben.
Eine Weitere Ausgestaltung sieht vor, dass außerhalb von Heizperioden der Wärmeverbraucher von den Leitungen getrennt und durch Raumwärmetauscher zur Raumklimatisierung ersetzt wird. Zur Trennung von den Leitungen ist es nicht erforderlich, irgendwelche Installationen vorzunehmen. Vielmehr können die Raumwärmetauscher hydraulisch parallel zu dem Wärmeverbraucher installiert und über Umstellventile anstelle der Wärmeverbraucher in den über die Leitungen gebildeten Kreislauf hineingeschaltet werden.
Schließlich wird vorgeschlagen, dass außerhalb von Heizperioden der Wärmeverbraucher von den Leitungen getrennt und gegen Wärmeaufnehmer ersetzt wird. Auch dies kann über Umschaltventile erfolgen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Zuhilfenahme der beigefügten Zeichnungen von Ausführungsbeispielen erläutert. Darin zeigen:
1 ein Durchlaufverfahren zur Erwärmung von Brauchwasser nach dem Stand der Technik,
2 ein weiteres Durchlaufverfahren zur Erwärmung von Brauchwasser nach dem Stand der Technik,
3 eine schaltplanmäßige Übersicht über ein Brauchwasserversorgungssystem,
4 bis 6 Einzelheiten des Brauchwassererwärmers aus dem Brauchwasserversorgungssystem nach 3,
7 eine zweite Ausführung eines Brauchwarmwasserversorgungssystems,
8 eine Schnittansicht des Brauchwassererwärmers aus dem Brauchwasserversorgungssystem nach 7,
9 bis 11 eine weitere Ausführung eines Brauchwassererwärmers,
12 bis 15 verschiedene Ansichten eines Wärmetauscherrohrabschnitts gemäß einer ersten Ausführung,
16 bis 19 verschiedene Ansichten eines Wärmetauscherrohrabschnitts gemäß einer zweiten Ausführung,
20 eine schematische Draufsicht auf einen Wärmetauscher,
21 eine vergrößerte Detaildarstellung gemäß der in 20 mit XXI bezeichneten Einzelheit,
22 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Strömungsverhältnisse,
23 eine weitere Ausführung eines Wärmetauschers in perspektivischer Ansicht mit einigen Herausschnitten zur Veranschaulichung des inneren Aufbaus,
24 eine Schnittdarstellung des Wärmetauschers gemäß 23,
25 eine vergrößerte Detailansicht gemäß der in 24 mit XXV bezeichneten Einzelheit,
26 eine schematisierte Draufsicht auf den Wärmetauscher gemäß 23 und
27 eine vergrößerte Detailansicht gemäß der in 26 mit XXVII bezeichneten Einzelheit.
In den 1 und 2 sind aus dem Stand der Technik bekannte Brauchwassererwärmer zur Erwärmung von Brauchwasser in einem Durchtaufverfahren dargestellt.
1 zeigt eine auch als Hygienespirale bezeichnete, von Brauchwasser B durchströmte Wärmetauscherrohrwendel, die durch einen Pufferspeicher 40 hindurchgeführt ist. Innerhalb des Pufferspeichers 40 befindet sich ein Speichermedium, welches entsprechend seiner Temperatur von unten nach oben schichtenweise eingelagert ist. Bei dieser Art von Schichtenspeichern befindet sich unten im Speicher kaltes Speichermedium, welches aus dem unteren Bereich des Speichers ent nommen, über einen Wärmeerzeuger, beispielsweise eine thermische Solaranlage, erwärmt und im oberen Bereich des Speichers erwärmt eingelagert werden kann. Das zu erwärmende Brauchwasser tritt im unteren Bereich des Pufferspeichers 40 durch die Wärmetauscherrohrwendel mit einer Eingangstemperatur von beispielsweise 10°C ein und verlässt am oberen Ende des Pufferspeichers 40 das Wärmetauscherrohr mit der gewünschten Solltemperatur T_Soll von beispielsweise 55°C. Bei einer Brauchwasserentnahme wird zunächst das in dem Wärmetauscherrohr stehende Brauchwasser entnommen. Das nachfließende Brauchwasser wird anschließend nach Art eines Durchlauferhitzers erwärmt. Bei größeren Entnahmen kann es aufgrund der Abkühlung des seine Wärme an das Brauchwasser abgebenden Speicherwassers zu Dichteveränderungen des Speicherwassers im Bereich der Rohrwendeln kommen, mit der Folge, dass dieses innerhalb des Pufferspeichers 40 absinkt und die Schichtung des Pufferspeichers 40 nach und nach aufgehoben wird. Im ungünstigsten Fall kommt es zu einer Durchmischung des gesamten Speichermediums, beispielsweise auf eine Mischtemperatur von 40°C, so dass das Brauchwasser beim Durchströmen des Pufferspeichers 40 nicht mehr auf die gewünschte Solltemperatur T_Soll von beispielsweise 55°C gebracht werden kann.
2 zeigt ein weiteres aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zur Erwärmung von Brauchwarmwasser. Das Brauchwasser tritt dabei mit einer Eingangstemperatur T_Ein von beispielsweise 10°C in einen Plattenwärmetauscher ein, in welchem es im Gegenstrom über das in einem Pufferspeicher 40 am höchsten temperierte Speichermedium auf die gewünschte Solltemperatur T_Soll von beispielsweise 55°C erwärmt wird. Bei diesem auch als Frischwassermodul bezeichneten Brauchwasserbereiter hat es sich als energetisch unvorteilhaft erwiesen, dass zur Erwärmung des kalten Brauchwassers B nur die höchste im System vorhandene Temperaturspitze genutzt wird. Dies ist vor allem bei über Wärmepumpen- und Solaranlagen mit Energie versorgten Pufferspeichern von Nachteil, da die Effizienz derartiger Anlagen mit der Höhe des bereitzustellenden Temperaturniveaus sinkt. Temperaturen im Bereich von und über 55°C mit Wärmepumpen nicht ohne Weiteres erreichbar. Ebenso ist die Effizienz thermischer Solaranlagen von der Höhe der gewünschten Solltemperatur abhängig.
Erfindungsgemäß wird daher ein Brauchwassererwärmer, ein Brauchwarmwasserversorgungssystem sowie entsprechende Verfahren zu deren Betrieb vorgeschlagen, bei denen der Brauchwasserstrom zunächst eine Vorwärmstufe und anschließend eine Nachwärmstufe durchläuft, was nachfolgend zunächst unter Zuhilfenahme der schaubildlichen Darstellung in 3 erläutert werden wird.
In 3 dargestellt ist der Wärmetauscher 1, in welchem ein Brauchwasserstrom B durch entgegen gesetzt strömendes Wärmeabgabemedium erwärmt wird. Das Brauchwasser B tritt zunächst mit einer Eingangstemperatur T_Ein in die Vorwärmstufe 2 des Wärmetauschers 1 ein, wo es über einen ersten Gegenstrom G₂ von der Eingangstemperatur T_Ein auf eine Zwischentemperatur T_Z von beispielsweise 30°C vorerwärmt wird. Nach Durchlaufen der Vorwärmstufe 2 tritt der Brauchwasserstrom B ohne Unterbrechung in die Nachwärmstufe 3 ein, in welcher das Brauchwasser von der Zwischentemperatur T_Z auf die gewünschte Solltemperatur T_Soll erwärmt wird.
Die Nachwärmstufe 3 arbeitet im Prinzip wie ein Frischwassermodul, indem einem Pufferspeicher 40 das in dessen oberem Bereich 40.1 bevorratete, höchsttemperierte Speichermedium als wärmeabgebendes Medium entnommen und im Gegenstrom G₃ zu dem Brauchwasser strom B geführt wird. Der Vorlauf 3.1 der Nachwärmstufe 3 ist über eine Leitung 41 mit dem oberen Bereich 40.1 des Pufferspeichers 40 strömungsverbunden. Pumpengestützt über eine Pumpe 60 wird das Speichermedium mit der höchsten Temperatur aus dem oberen Bereich 40.1 des Speichers 40 entnommen und im Gegenstrom G₃ zur Erwärmung des Brauchwasserstroms B genutzt. Hierzu tritt das wärmeabgebende Speichermedium über den Vorlauf 3.1 im oberen Bereich der Nachwärmstufe 3 in die Nachwärmstufe 3 ein und verlässt diese abgekühlt über den im unteren Bereich der Nachwärmstufe 3 vorgesehenen Rücklauf 3.2. Der Rücklauf 3.2 ist über eine Leitung 42 an den mittleren Bereich 40.2 des Pufferspeichers 40 angeschlossen. Hier tritt das abgekühlte Speichermedium in einer Höhe in den als Schichtenspeicher ausgebildeten Pufferspeicher 40 ein, welche in etwa dem Temperaturniveau des im Gegenstrom G₃ abgekühlten Speichermediums entspricht. Es findet eine Einschichtung entsprechend der Temperatur des im Gegenstrom G₃ abgekühlten Speichermediums statt.
Bevor das Brauchwasser B in die Nachwärmestufe 3 eintritt, wird es über die Vorwärmstufe 2 von einer Eingangstemperatur T_Ein auf eine Zwischentemperatur T_Z vorerwärmt. Hierzu wird im Gegenstrom G₂ ein wärmeabgebendes Medium gegenströmig zu dem Brauchwasserstrom B geführt, welches seine Wärme auf den Brauchwasserstrom B überträgt. Die Temperatur des im Gegenstrom G₂ geführten, wärmeabgebenden Mediums ist deutlich geringer als die im Gegenstrom G₃.
Bei dem im Ausführungsbeispiel gemäß 3 dargestellten Schaubild ist der Vorlauf 2.1 der Vorwärmstufe 2 in eine Rücklaufleitung 44 eines Wärmeverbrauchers 70 eingebunden. Bei dem Wärmeverbraucher 70 kann es sich beispielsweise um eine Hausheizung handeln, bei spielsweise eine Fußbodenheizung, die über den Pufferspeicher 40 mit warmem Speicherfluid versorgt wird, welches sich beim Durchlaufen des Wärmeverbrauchers 70 abkühlt, in der Rücklaufleitung 44 jedoch noch ein zum Betrieb der Vorwärmstufe 2 nutzbares Temperaturniveau aufweist.
Wie in 3 zu erkennen ist, ist der Wärmeverbraucher 70 über ein Drei-Wege-Ventil 71 und eine Bypass-Leitung 46 aus dem Kreislauf herausnehmbar. Durch eine Herausnahme des Wärmeverbrauchers 70 steigt die Temperatur des über den Vorlauf 2.1 in die Vorwärmstufe 2 strömenden Mediums, wodurch sich die Zwischentemperatur T_Z des Brauchwassers erhöht und in der Nachwärmstufe 3 eine geringere Wärmemenge aufgenommen werden muss, um das Brauchwasser auf die gewünschte Solltemperatur T_Soll zu erwärmen. Eine solche Betriebsweise bietet sich dann an, wenn große Brauchwassermengen entnommen werden, beispielsweise beim Befüllen einer Badewanne. Derartige Situationen können von einer geeigneten Sensorik erfasst und der Bypass 46 nach Art einer Vorrangschaltung aktiviert werden. Dabei kann auch die Strömungsgeschwindigkeit des Brauchwasserstroms B, wie auch die Geschwindigkeiten der Gegenströme G₂, G₃ entsprechend eingeregelt werden.
Die Vorwärmstufe 2 kann auch außerhalb der Heizzeiten über den in 3 als Raumheizung ausgestalteten Wärmeverbraucher 70 betrieben werden. Falls das Temperaturniveau im unteren Bereich 40.3 des Pufferspeichers 40 durch beispielsweise über einen Solarkollektor eingebrachte Energie höher ist als jenes der Rücklaufleitung 44 kann die Versorgung der Vorwärmstufe über die Bypass-Leitung 46 erfolgen. Sind die Temperaturen im unteren Bereich 40.3 des Pufferspeichers 40 zum Betrieb der Vorwärmstufe 2 zu gering, kann das Pufferspeicher medium zunächst über den Wärmeverbraucher 70 geführt werden. In sommerlichen Betriebssituationen kann der über die Pumpe 63 betriebene Pufferspeicherstrom dabei Energie aus dem Gebäude aufnehmen und in der Vorwärmstufe 2 an das zu erwärmende Brauchwasser abgeben. Bei einer solchen Betriebsweise fungiert der Wärmeverbraucher 70, also beispielsweise ein Heizungssystem, als Wärmeaufnehmer. Auch ist es denkbar, dass der Wärmeverbraucher 70 über entsprechende Ventile vorübergehend aus dem Kreislauf herausgenommen und gegen einen hierfür vorgesehen Wärmeaufnehmer, beispielsweise durch einen Wärmetauscher ersetz wird, wodurch sich auch eine Klimatisierung der Räume erreichen lässt.
Darüber hinaus ist es denkbar, eine Vielzahl unterschiedlicher Wärmeaufnehmer zwischen den Leitungen 44 und 45 vorzusehen, etwa Abluft- und Abwärmerückgewinner, Luftkollektoren, Lamellentauscher usw. Hieran wird die vielseitige Einsetzbarkeit des Brauchwassererwärmers im Zusammenspiel mit verschiedensten Wärmeaufnehmern zum Betrieb der Vorwärmstufe 2 deutlich, ohne dass dies mit einer konstruktiven Anpassung des Brauchwassererwärmers verbunden wäre.
Zur Energieversorgung des Pufferspeichers 40 sind ein Solarkollektor 30 und eine Wärmepumpe 31, bei der es sich insbesondere um eine Luftwärmepumpe handeln kann, vorgesehen. Der Solarkollektor 30 ist mit einem im oberen Bereich 40.1 des Pufferspeichers 40 vorgesehenen Wärmetauscherelement 32 und einem im unteren Bereich des Pufferspeichers 40 vorgesehenen Wärmetauscherelement 33 versehen, von welchen aus eine so genannte Solarflüssigkeit, bei der es sich beispielsweise um mit Glykol versehenes Wasser handeln kann, in einem geschlossenen Kreislauf durch den Solarkollektor 30 geführt wird. In einstrahlungsstarken Zeiten erwärmt sich die Solarflüssigkeit auf eine vergleichsweise hohe Temperatur, weshalb die Einlagerung der über dem thermischen Solarkollektor 30 gewonnenen Wärme im oberen, höher temperierten Bereich 40.1 erfolgt. In einstrahlungsschwächeren Zeiten erfolgt die Einlagerung über das Wärmetauscherelement 33 in dem unteren Bereich 40.3 des Pufferspeichers 40. Über die Wärmepumpe 30 wird dem Pufferspeicher 40 im unteren Bereich 40.3 kaltes Speichermedium entzogen, auf ein höheres Temperaturniveau gebracht und im mittleren Bereich 40.2 des Speichers 40 erwärmt eingelagert.
In Betriebszeiten, in denen über das Solarelement 30 und die Wärmepumpe 31 eine Erwärmung des Speichermediums auf oder über die erforderliche Temperatur des Gegenstroms G₃ nicht oder nicht in ausreichendem Maße möglich ist, kann das Speicherwasser des Pufferspeichers 40 über ein elektrisches Heizelement 50 unter Zuführung elektrischer Energie auf das gewünschte Temperaturniveau erwärmt werden, so dass auch in solchen Betriebszeiten der Brauchwasserstrom B bei Bedarf über den Wärmetauscher 1 auf die gewünschte Solltemperatur T_Soll erwärmt werden kann.
Einzelheiten des konstruktiven Aufbaus des Wärmetauschers 1, sowie der Führung der beiden Gegenströme G2, G3, die in 3 zur Veranschaulichung nur sehr schematisch dargestellt ist, werden nachfolgend unter Zuhilfenahme der 4 bis 6 erläutert.
4 zeigt eine seitliche Ansicht sowie eine Draufsicht des Wärmetauschers 1. Der Wärmetauscher 1 ist von insgesamt zylindrischer bzw. säulenförmiger Gestalt und weist einen ober- und unterseitig über Flanschplatten 9 geschlossenen Druckzylinder 10 auf. Die Flanschplatten 9 und der Druckzylinder 10 bilden einen geschlossenen Druckraum 5 des Wärmetauschers 1, in welchem die Vorwärmstufe 2 und die Nachwärmstufe 3 untergebracht sind. Die Vorwärmstufe 2 und die Nachwärmstufe 3 bilden eine steckfertige Einheit, die in einem nicht dargestellten Gehäuse angeordnet ist. Die Gehäusebaueinheit kann mit wenigen Handgriffen im Rahmen einer Baustellenmontage montiert werden kann, wodurch eine zügige, wenig fehleranfällige Montage ergibt. Auch können sämtliche Pumpen, Rohrleitungen, Ventile usw. in der Gehäusebaueinheit untergebracht sein, wodurch sich die Montage weiter vereinfacht.
Wie die Schnittdarstellung in 5, die die wesentlichen Elemente der steckfertigen Einheit erkennen lässt, zeigt, weisen sowohl die Vorwärmstufe 2 als auch die Nachwärmstufe 3 jeweils einen Vorlauf 2.1, 3.1 wie auch einen Rücklauf 2.2, 3.2 für die jeweiligen Gegenstrommedien auf. Über die Vorläufe 2.1, 3.1 tritt das wärmeabgebende Medium in den beiden Stufen 2, 3 zunächst jeweils in eine Vorlaufkammer 2.3, 3.3 ein. Bei der unteren Vorwärmstufe 2 tritt das wärmeabgebende Medium über den Vorlauf 2.1 in eine höher gelegene Vorlaufkammer 2.3 ein, von welcher aus das wärmeabgebende Medium durch im Bereich des oberen Endes der Vorwärmstufe 2 vorgesehene Durchtrittsöffnungen 11 in einen ringszylindrischen Ringspaltkanal 7 eintritt. In dem Ringspaltkanal 7 erstreckt sich das das Brauchwasser führende Wärmetauscherrohr 6 nach Art einer Wendel von unten nach oben. Gegenströmig überströmt das wärmeabgebende Medium in dem Ringspalt 7 die Wendel des Wärmetauscherrohres 6 von oben nach unten. Nach Überströmen des Wärmetauscherrohres 6 tritt das wärmeabgebende Medium in eine Rücklaufkammer 3.4 ein, an welche sich der Rücklauf 2.2 anschließt. Zwischen der Vorlaufkammer 2.3 und der Rücklaufkammer 3.4 ist eine Trennwand 12 vorgesehen, die das einlaufende und das auslaufende Wärmeabgabemedium voneinander trennt. Der Vorlauf 2.1 ist nach Art eines längeren Rohres gestaltet, welches die Trennwand 12 durchdringt und in die Vorlaufkammer 2.3 mündet.
Nach Durchlaufen der Vorwärmstufe 2 strömt das zu erwärmende Brauchwasser über ein Übergangsstück 8 kontinuierlich weiter in die Nachwärmstufe 3.
Die Nachwärmstufe 3 wird über einen von dem Gegenstrom G₂ der Vorwärmstufe 2 unabhängigen Gegenstrom G₃ höherer Temperatur betrieben. Das wärmeabgebende Medium des Gegenstroms G₃ tritt über den Vorlauf 3.1 in eine Vorlaufkammer 3.3 ein. Die Vorlaufkammer 3.3 liegt oberhalb einer Rücklaufkammer 3.4, welche über eine weitere Trennwand 12 voneinander abgetrennt sind. Die Trennwand 12 bildet eine Wand der Vorlaufkammer 3.3, die eine Richtungsumkehr des einströmenden Wärmeabgabemediums bewirkt. Am oberen Ende der Vorlaufkammer 3.3 steigt das wärmeabgebende Medium über den Rand eines Innenrohres 16 nach Art eines Überlaufs in den Ringspalt 7 der Nachwärmstufe 3, der über das Innenrohr 16 und das Außenrohr 17 gebildet wird. Der durch die doppelrohrförmige Anordnung der Rohre 16, 17 gebildete Ringspalt 7 ist ebenso wie der Ringspalt 7 der Vorwärmstufe 2 von dem sich wendelförmig nach oben erstreckenden Wärmetauscherrohr 6 durchsetzt, in welchem der zu erwärmende Brauchwasserstrom nach oben strömt. Gegenströmig hierzu strömt das wärmeabgebende Medium der Nachwärmestufe 3 in dem Ringspaltkanal 7 nach unten, wo es über Durchlassöffnungen 11 in die Rücklaufkammer 3.4 eintritt, von welcher aus das wärmeabgebende Medium des Gegenstroms G₃ der Nachwärmstufe 3 über den Rücklauf 3.2 den Wärmetauscher 1 abgekühlt verlässt. Nach Durchströmen des Wärmetauschers 1 verlässt das Brauchwasser über den Auslauf 13 den Wärmetauscher 1 mit der gewünschten Solltemperatur T_Soll.
Eine weitere Ausführung der Erfindung ist in 7 dargestellt. Diese stimmt weitgehend mit der Ausführung gemäß 3 überein, weist jedoch zusätzlich eine Wärmepumpe 20 auf, über welche sich Wärme aus der Vorlaufstufe 2 auf die Nachlaufstufe 3 übertragen lässt. Über die Wärmepumpe 20 kann in Betriebszeiten, in welchen kein oder nicht ausreichend hoch temperiertes Speichermedium innerhalb des Pufferspeichers 40 vorhanden ist, aktiv Wärme umgeschichtet werden.
Wie die Darstellung in 7 zeigt, ist der Verdampfer 21 der Wärmepumpe 20 innerhalb der Vorwärmstufe 2 angeordnet. Der Kondensator 22 befindet sich innerhalb der Nachwärmstufe 3, wodurch sich gemäß dem Wärmepumpenprozess Wärme von der Vorwärmstufe 2 in Richtung der Nachwärmstufe 3 fördern lässt. Die im Pufferspeicher 40 akkumulierte Wärme kann während einer Brauchwasserentnahme bedarfsgerecht gefördert werden. In diesem Betriebszustand fördert die Pumpe 60 das wärmeabgebende Medium in der in 7 eingezeichneten Richtung des Gegenstroms G₃.
In Betriebszeiten, in welchen kein Brauchwasser entnommen wird, kann die entgegengerichtet arbeitende Pumpe 64 in Betrieb genommen werden, wodurch sich innerhalb des Wärmetauschers 1 eine Umkehr der Strömungsrichtung einstellt, was nachfolgend unter Bezugnahme auf 8 näher erläutert werden wird. Bei dieser Betriebsweise wird über den Rücklauf 3.2 Pufferspeichermedium aus dem mittleren Bereich 40.2 des Pufferspeichers 40 angesaugt, über den Kondensator 22 der Wärmepumpe 20 erwärmt und über den Vorlauf 3.1 im oberen Bereich des Pufferspeichers 40 eingelagert.
Einzelheiten hierzu werden nachfolgend unter Zuhilfenahme der Schnittdarstellung des Brauchwassererwärmers gemäß 8 erläutert werden.
Der prinzipielle Aufbau der Vorwärmstufe 2 und der Nachwärmestufe 3 entspricht der anhand von 5 beschriebenen Konstruktion. Bei der Ausführung gemäß 8 sind zusätzlich zu der Ausführung nach 5 im Inneren der Vorwärmstufe 2 der Verdampfer 21 und im Inneren der Nachwärmstufe 3 der Kondensator 22 angeordnet. Das wärmeabgebende Medium des Gegenstroms G₂ tritt wiederum zunächst über den Vorlauf 2.1 in eine Vorlaufkammer 2.3 ein. Von dieser aus tritt das Wärmeabgabemedium in den Ringspaltkanal 7 ein, überströmt unter Abgabe von Wärme die Wendeln des Wärmetauscherrohres 6 und tritt über Öffnungen 14 in die Rücklaufkammer 2.4 ein. Die Rücklaufkammer 2.4 weist einen zylindrischen Überlauf 15 auf, in dessen Inneren der Verdampfer 21 der Wärmepumpe 20 in den Rücklauf des Gegenstroms G₂ eingebunden ist. Beim Überströmen des Verdampfers 21 wird das wärmeabgebende Medium des Gegenstroms G₂ weiter abgekühlt und verlässt den Wärmetauscher 1 über den Rücklauf 2.2.
Einen ähnlichen Aufbau weist die Nachwärmstufe 3 auf. Zunächst tritt das wärmeabgebende Medium des Gegenstroms G₃ in eine Vorlaufkammer 3.3 ein, von welcher aus das Medium in den Ringspaltkanal 7 eintritt. Unter Abgabe von Wärme wird das wendelförmige Wärmetauscherrohr 6 überströmt, wonach das wärmeabgebende Speichermedium über Öffnungen 14 in eine Rücklaufkammer 3.4 strömt. Die Rücklaufkammer 3.4 ist wiederum mit einem zylindrischen Überlauf 15 versehen, in dessen Inneren der Kondensator 22 der Wärmepumpe 20 angeordnet ist. Beim Überströmen des Kondensators nimmt das rück laufende Wärmeabgabemedium des Gegenstroms G₃ Wärme auf und tritt über den Rücklauf 3.2 erwärmt in den mittleren Bereich 40.2 des Pufferspeichers 40 über die Leitung 42 ein, vgl. auch 7.
In Betriebszeiten, in welchen innerhalb des Pufferspeichers 40 nicht ausreichend Speichermedium auf einem zumindest der Solltemperatur T_Soll entsprechenden Temperaturniveau vorhanden ist, kann über die Nachwärmstufe 3 der Pufferspeicher 40 aktiv mit Speichermedium höherer Temperatur versorgt werden. Hierzu wird die entgegengesetzt der den Gegenstrom G₃ fördernden Pumpe 60 arbeitende Pumpe 64 in Betrieb genommen, wodurch sich innerhalb der Nachwärmstufe 3 die in 8 gestrichelt dargestellten Strömungen ergeben. Diese sind genau entgegengesetzt der Strömungsrichtung des Gegenstroms G₃. Bei dieser Betriebsweise wird über den Rücklauf 3.2 aus dem mittleren Bereich 40.2 des Pufferspeichers 40 Pufferspeichermedium mittlerer Temperatur entnommen und in der Rücklaufkammer 3.4 über den Kondensator 22 der Wärmepumpe 20 geführt, wobei das Pufferspeichermedium auf ein höheres Temperaturniveau erwärmt wird und wonach das hoch temperierte Pufferspeichermedium über den Ringspaltkanal 7 und den Vorlauf 3.1, gefördert über die geregelte Pumpe 64, im oberen Bereich 40.1 des Pufferspeichers 40 auf Solltemperatur eingelagert wird, vgl. 7. Die Wärmepumpe entzieht dabei dem über die Rücklaufleitung 44 kontinuierlich die Vorwärmstufe 2 durchströmenden Rücklaufmedium Wärme und fördert diese in die Nachwärmstufe 3, von welcher aus das erwärmte Speichermedium in dem Pufferspeicher 40 eingelagert wird.
Eine weitere Ausführung der Erfindung ist in den 9 bis 11 dargestellt.
Diese zeigen jeweils zweistufige Wärmetauscher 1, bei welchen die Vorwärmstufe 2 wie auch die Nachwärmstufe 3 von herkömmlichen Plattentauschern gebildet werden, durch welche im Gegenstrom zwei Gegenströme G₂, G₃ unterschiedlicher Temperatur hindurchgeführt sind. 10 zeigt eine Variante, bei welcher der Vorlauf des Niedertemperaturgegenstroms G₂ aus dem mittleren Bereich 40.2 eines Pufferspeichers 40 gespeist und der Rücklauf an den unteren Bereich 40.3 des Pufferspeichers 40 angeschlossen ist. Der Hochtemperaturgegenstrom G₃ der Nachwärmstufe wird aus dem oberen Bereich 40.1 des Pufferspeichers 40 mit der höchsten im Pufferspeicher vorhandenen Temperaturspitze gespeist, wobei der Rücklauf in den mittleren Bereich 40.2 des Pufferspeichers mündet. Eine ähnliche Anordnung zeigt auch 11, wobei bei dieser der Niedertemperaturgegenstrom G₂ der Vorwärmstufe in den Rücklauf 44 eines Wärmeverbrauchers 70 eingebunden ist.
Mit den vorstehend beschriebenen Brauchwassererwärmern und Brauchwasserversorgungssystemen sowie den anhand der Ausführungsbeispiele beschriebenen Betriebsverfahren ist es möglich, oftmals in großen Mengen vorhandene Niedertemperaturenergie zur Vorwärmung eines Brauchwasserstroms B zu nutzen, so dass es nicht erforderlich ist, den gesamten Temperaturhub von der Eingangs- auf die Solltemperatur mit aufwändig gewonnener Hochtemperaturenergie zu bewirken.
Nachfolgend werden weitere Einzelheiten der Brauchwassererwärmer gemäß den 3 bis 8 erläutert, die einen verbesserten Wärmeübergang zwischen dem wärmeabgebenden Medium und dem Brauchwasser bewirken und aus der Ringspaltgeometrie des Strömungskanals 7 des wärmeabgebenden Mediums sowie den im Strömungskanal 7 vorgesehenen Mitteln zu Unterstützung turbulenter Strömungen resultieren.
Zur Verbesserung des Wärmeübergangs sind in den Gegenströmen G₂, G₃ Unterstützungsmittel 80, 81, 82 zur Unterstützung bzw. Ausbildung turbulenter Strömungen zwischen dem Wärmetauscherrohr 6 und den Kanalwänden des ringspaltförmigen Strömungskanals 7 vorgesehen, die einstückig am Mantel des Wärmetauscherrohres 6 und oder als separate Bauelemente ausgebildet sind, was nachfolgend anhand der 12 bis 27 im Einzelnen erläutert werden wird.
In den 12 bis 15 ist ein Abschnitt eines Wärmetauscherrohrs 6 gemäß einer ersten Ausführung des Wärmetauschers 1 dargestellt. Das Wärmetauscherrohr 6 ist als Wellrohr, beispielsweise als trinkwasserzugelassenes, hygienisch unbedenkliches Edelstahl-Wellrohr, ausgebildet. Die Wellen des Wellrohres bilden die Mittel 80 zur Unterstützung turbulenter Strömungen des Wärmeabgabemediums, was nachfolgend unter Zuhilfenahme der 20 bis 23 erläutert werden wird.
In 20 ist eine Draufsicht auf den Wärmetauscher 1 und insbesondere das wendelförmig durch den ringzylindrischen Strömungskanal 7 zwischen dem Innenrohr 16 und dem Außenrohr 17 hindurch verlaufende Wärmetauscherrohr 6 gezeigt. Das Wärmetauscherrohr 6 wird von einem Wellrohr gemäß den Darstellungen in den 12 bis 15 gebildet und weist gemäß den Darstellungen in den 12 bis 15 eine wellige Außenkontur auf, deren Wellen 80 Mittel zur Unterstützung einer turbulenten Strömung bilden. Im Bereich der Kanalwände des Strömungskanals 7 liegen die Wellenberge der Wellen 80 an dem Innenrohr 16 und dem Außenrohr 17 an. Hierdurch ergeben sich in den Wellentälern Durchlassöffnungen 83, die von dem Wärmeabgabemedi um beim Durchströmen des Strömungskanals 7 durchströmt werden. Gegenüber dem übrigen Strömungsweg, vgl. Darstellung in 8, stellen diese Durchlassöffnungen 83 Engstellen im Überströmungsbereich des Wärmetauscherrohres 6 dar, weshalb das Wärmeabgabemedium beim Durchströmen dieser Durchlassöffnungen 83 beschleunigt und nach Durchtreten der Durchlassöffnungen 83 wieder verzögert wird. Hierdurch ergeben sich turbulente Strömungen gemäß der in 23 dargestellten Schemaansicht, die zum einen den Wärmeübergang beeinträchtigende laminare Grenzschichten an der Mantelfläche des Wärmetauscherrohres 6 ablösen und zum anderen auch in in Strömungsrichtung betrachtet hinter dem Wärmetauscherrohr 6 liegende Bereiche strömen, so dass das Wärmetauscherrohr 6 über weite Umfangsbereiche an der Wärmeübertragung zwischen dem Wärmeabgabemedium und dem Brauchwasser teilnimmt.
Durch das Vorsehen der Unterstützungsmittel 80 am Mantel des Wärmetauscherrohrs 6 und deren Anlage an den Kanalwänden des Strömungskanals 7 ergibt sich eine über den gesamten Strömungsweg des Strömungskanals 7 nahezu gleich bleibend turbulente Strömung des Wärmeabgabemediums und damit eine effiziente Übertragung der Wärme zwischen dem Wärmetauscherrohr 5 und dem Wärmeabgabemedium.
Eine zweite Ausführung eines Unterstützungsmittels 81 zur Ausbildung einer turbulenten Strömung ist in den 16 bis 19 dargestellt. Diese zeigen einen Abschnitt eines alternativ ausgestalteten Wärmetauscherrohres 6, auf dessen Umfang Rippen 81 angeordnet sind, wohingegen das Innere des Wärmetauscherrohres 6 glattflächig ausgebildet ist. Bei dem in den 16 bis 19 dargestellten Wärmetauscherrohr 6 handelt es sich insbesondere um ein Kupferrippenrohr.
Während bei den vorbeschriebenen Ausführungen die Unterstützungsmittel 80, 81 einstückiger Bestandteil der äußeren Mantelfläche des Wärmetauscherrohres 6 sind, zeigen die 23 bis 27 eine Ausführung, bei welcher die Unterstützungsmittel 82 durch zusätzliche, in dem Bereich zwischen dem Wärmetauscherrohr 6 und einer Kanalwand eingebrachte Strömungshindernisse gebildet werden.
Wie die perspektivische und teilweise geschnittene Darstellung in 23 erkennen lässt, handelt es sich bei den Unterstützungsmitteln um Strömungshindernisse 82, die Engstellen innerhalb des Strömungskanals 7 darstellen. Die Strömungshindernisse 82 werden von einer Art Drahtkorb 84 gebildet, wobei das Wärmeabgabemedium beim Überströmen der Maschen des Drahtkorbs 84 umgelenkt und beschleunigt wird, wodurch sich die laminaren Grenzschichten an dem Wärmetauscherrohr 6 ebenfalls ablösen lassen. Wie insbesondere die Darstellung in 21 erkennen lässt, sind die Unterstützungsmittel 82 sowohl im Bereich zwischen dem Innenrohr 16 und dem Wärmetauscherrohr 6, als auch im Bereich zwischen dem Wärmetauscherrohr 6 und dem Außenrohr 17 als an den Kanalwänden anliegende Zwischenlage vorgesehen, vgl. auch 25.
Mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Unterstützungsmittel 80, 81, 82 werden turbulente Strömungen des Wärmeabgabemedium über die gesamte Länge des Strömungskanals 7 aufrechterhalten, wodurch sich eine verbesserte Wärmeübertragung an dem von der turbulenten Strömung überströmten Wärmetauscherrohr 6 ergibt.
Ein Vorteil der ringszylindrischen Geometrie des Ringspaltkanals 7 liegt insbesondere darin, dass große Volumenanteile des Wärmeabga bemediums an der Wärmeübertragung teilnehmen, da dieses in dem Ringkanal dicht an dem Wärmetauscherrohr 6 entlang geführt wird.

1: Wärmetauscher
2: Vorwärmstufe
2.1: Vorlauf
2.2: Rücklauf
2.3: Vorlaufkammer
2.4: Rücklaufkammer
3: Nachwärmstufe
3.1: Vorlauf
3.2: Rücklauf
3.3: Vorlaufkammer
3.4: Rücklaufkammer
4: Einheit
5: Druckraum
6: Wärmetauscherrohr
7: Ringspaltkanal
8: Übergangsstück
9: Flanschplatte
10: Zylinder
11: Öffnung
12: Einlauf
13: Auslauf
14: Öffnung
15: Überlauf
16: Innenrohr
17: Außenrohr
20: Wärmepumpe
21: Verdampfer
22: Kondensator
23: Verdichter
24: Drossel
30: Solarkollektor
31: Wärmepumpe
32: Wärmetauscherelement
33: Wärmetauscherelement
40: Pufferspeicher
40.1: oberer Bereich
40.2: mittlerer Bereich
40.3: unterer Bereich
41: Leitung
42: Leitung
43: Leitung
44: Leitung
45: Leitung
46: Bypass-Leitung
50: Heizelement
60: Pumpe
61: Pumpe
62: Pumpe
63: Pumpe
70: Wärmeverbraucher
71: Ventil
80: Unterstützungsmittel
81: Unterstützungsmittel
82: Unterstützungsmittel
83: Durchlassöffnung
84: Drahtkorb
B: Brauchwasserstrom
G: Gegenstrom
G₂: Gegenstrom
G₃: Gegenstrom
T_Ein: Eingangstemperatur
T_Z: Zwischentemperatur
T_Soll: Solltemperatur

Claims

Brauchwassererwärmer zur Erwärmung von Brauchwasser mit einem Wärmetauscher (1), der von einem zu erwärmenden Brauchwasserstrom (B) und einem Gegenstrom (G) eines Wärmeabgabemediums durchströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (1) eine Vorwärmstufe (2) und eine Nachwärmstufe (3) aufweist, die von dem Brauchwasserstrom (B) durchströmbar sind, wobei die Vorwärmstufe (2) und die Nachwärmstufe (3) unabhängig voneinander von verschiedenen Gegenströmen (G₂, G₃) durchströmbar sind.
Brauchwassererwärmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstrom (G₂) der Vorwärmstufe (2) eine geringere Temperatur aufweist, als der Gegenstrom (G₃) der Nachwärmstufe (3).
Brauchwassererwärmer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmstufe (2) und die Nachwärmstufe (3) eine steckfertige Einheit (4) bilden.
Brauchwassererwärmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmstufe (2) und die Nachwärmstufe (3) in einem gemeinsamen Gehäuse (5) untergebraucht sind.
Brauchwassererwärmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmstufe (2) und die Nachwärmstufe (3) jeweils einen Vorlauf (2.1, 3.1) und einen Rücklauf (3.1, 3.2) für das Wärmeabgabemedium aufweist.
Brauchwassererwärmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein von dem Brauchwasser durchströmbares Wärmetauscherrohr (6), welches sich durch die Vorwärmstufe (2) und die Nachwärmstufe (3) erstreckt.
Brauchwassererwärmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherrohr (6) im Übergang zwischen der Vorwärmstufe (2) und der Nachwärmstufe (3) ein Übergangsstück (8) aufweist.
Brauchwassererwärmer nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch einen von dem Wärmeabgabemedium durchströmbaren Ringspaltkanal (7) in welchem sich das Wärmetauscherrohr (6) wendelförmig erstreckt.
Brauchwassererwärmer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ringspaltkanal (7) Mittel zur Unterstützung turbulenter Strömungen des Wärmeabgabemediums angeordnet sind.
Brauchwassererwärmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmstufe (2) und die Nachwärmstufe (3) jeweils eine Vorlaufkammer (2.3, 3.3), in welche die Vorläufe (2.1, 3.1) münden, und jeweils eine Rücklaufkammer (2.4, 3.4), an welche sich die Rückläufe (3.1, 3.2) anschließen, aufweisen.
Brauchwassererwärmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Wärmepumpe (20) zur Umschichtung von Wärme zwischen der Vorwärmstufe (2) und der Nachwärmstufe (3), wobei der Verdampfer (21) in der Vorwärmstufe (2) und der Kondensator (22) in der Nachwärmstufe (22) angeordnet ist.
Brauchwassererwärmer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (211) in der Rücklaufkammer (2.4) der Vorwärmstufe (2) und der Kondensator (22) in der Rücklaufkammer (3.4) der Nachwärmstufe (3) angeordnet ist.
Brauchwassererwärmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmstufe (2) und die Nachwärmstufe (3) von Plattenwärmetauschern gebildet werden.
Brauchwasserversorgungssystem mit einem Brauchwassererwärmer nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und einem mit Speichermedium befüllten Pufferspeicher (40), dadurch gekennzeichnet, dass der obere Bereich (40.1) des Pufferspeichers (40) über eine Leitung (41) mit dem Vorlauf der (3.1) der Nachwärmstufe (3) strömungsverbunden ist und der Rücklauf (3.2) Nachwärmstufe (3) mit einem mittleren Bereich (40.2) des Pufferspeichers (40) über eine Leitung (42) strömungsverbunden ist.
Brauchwasserversorgungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (41) mit einer die Strömung des Speichermediums unterstützenden Pumpe (60) versehen ist.
Brauchwasserversorgungssystem nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücklauf (2.2) der Vorwärmstufe (2) über eine Leitung (43) mit dem unteren Bereich (40.3) des Pufferspeichers (40) strömungsverbunden ist.
Brauchwasserversorgungssystem nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Vorlauf (2.1) der Vorwärmstufe (2) mit einer Rücklaufleitung (44) eines über den Pufferspeicher (40) betriebenen Wärmeverbrauchers (70), insbesondere einer Raumheizung, strömungsverbunden ist.
Brauchwasserversorgungssystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeverbraucher (70) über eine über ein Ventil (71) durchströmbare Bypassleitung (46) überbrückbar ist.
Verfahren zum Betrieb eines Brauchwassererwärmers nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und/oder eines Brauchwasserversorgungssytems nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Brauchwasser in der Vorwärmstufe (2) von einer Eingangstemperatur (T_ein) auf eine Zwischentemperatur (T_z) und über die Nachwärmstufe (3) von der Zwischentemperatur (T_z) auf eine Solltemperatur (T_soll) erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Brauchwassers in der Nachwärmstufe (3) über einen Gegenstrom (G₃) aus über die Solltemperatur (T_soll) temperierten Speichermediums aus dem oberen Bereich (40.1) des Pufferspeichers (40) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Brauchwassers in der Vorwärmstufe (2) über einen eine geringere Temperatur als die Solltemperatur (T_soll) aufweisenden Gegenstrom (G₂) eines Wärmeabgabemediums aus einem Rücklauf (44) eines Wärmeverbrauchers (70), insbesondere eines Hausheizsystems, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gegenstrom (G₂) der Vorwärmstufe (2) über den Pufferspeicher durch einen Solarkollektor (30) oder eine Wärmepumpe (31) Energie zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass in Betriebszeiten, in denen kein oder wenig über der Solltemperatur (T_soll) liegendes Speichermedium im Pufferspeicher (40) vorhanden ist, durch Betrieb der Wärmepumpe (20) die Temperatur des Speichermediums im oberen Bereich (40.1) des Pufferspeichers (40) mindestens auf Solltemperatur (T_soll) erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeverbraucher (70) eine Raumheizung ist und dass in Betriebszeiten, in denen im unteren Speicherbereich (40.3) kein zum Betrieb der Vorwärmstufe (2) ausreichend temperiertes Speichermedium zur Verfügung steht, der Wärmeverbraucher (70) auch außerhalb der Raumheizzeiten in Betrieb genommen wird, um den Gegenstrom (G2) der Vorwärmstufe (2) über die Rücklaufleitung (44) zu betreiben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb von Heizperioden der Wärmeverbraucher (70) von den Leitungen (44, 45) getrennt und durch Raumwärmetauscher zur Raumklimatisierung ersetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb von Heizperioden der Wärmeverbraucher (70) von den Leitungen (44, 45) getrennt und gegen Wärmeaufnehmer ersetzt wird.