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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmespeicher. Derartige
Wärmespeicher werden zum Zwischenspeichern (Puffern) von
Wärme verwendet.
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Wärmespeicher
sind in vielen Formen und für viele Temperaturbereiche
bekannt. Die vorliegende Erfindung betrifft Wärmespeicher,
die in einem Temperaturbereich betrieben werden, der in privaten Haushalten
zur Aufbereitung (Erwärmung) von Brauchwasser und zum Beheizen
von Wohnräumen benötigt wird, also im Temperaturbereich
zwischen +20°C und maximal +95°C.
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In
der Regel weist ein derartiger Wärmespeicher einen Offenwärmespeicher
auf, der mit einem flüssigen Speichermedium – in
der Regel Wasser – gefüllt ist. Im Offenwärmespeicher
ist mindestens eine Einspeiseanordnung angeordnet, mittels derer dem
Offenwärmespeicher von einer Solaranlage Wärme
zuführbar ist. Dadurch kann der Offenwärmespeicher
beladen werden. Weiterhin ist im Offenwärmespeicher mindestens
eine Ausspeiseeinrichtung angeordnet, mittels derer aus dem Offenwärmespeicher
Nutzwärme nach außerhalb des Wärmespeichers
entnehmbar ist. Die entnommene Nutzwärme wird dazu verwendet,
um Brauchwasser aufzuheizen und/oder Heizungswasser, also Wasser,
das in einem Heizungskreislauf fließt, zu erwärmen.
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Bei
einem Offenwärmespeicher liegt das Speichermedium stets
in flüssiger Form vor. Das Zuführen von Wärme
zum Offenwärmespeicher und auch das Entnehmen von Wärme
aus dem Offenwärmespeicher gehen mit einer entsprechenden
Temperaturänderung des Speichermediums einher. Aus diesem
Grund wird der ent sprechende Speicher im Rahmen der vorliegenden
Erfindung als Offenwärmespeicher bezeichnet, nämlich
weil die im flüssigen Speichermedium gespeicherte Wärme
sich direkt (offen, sensibel) in der Temperatur des flüssigen
Speichermediums widerspiegelt.
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Im
Stand der Technik sind weiterhin Latentwärmespeicher bekannt.
Latentwärmespeicher basieren auf dem Prinzip, dass die
Energiebilanz des Speichermediums sich nicht in der Temperatur widerspiegelt,
sondern in einem Phasenzustand des Speichermediums verborgen ist.
In der Regel tritt beim Zuführen von Wärme ein
Verflüssigen des Speichermediums auf, beim Entziehen von
Wärme ein Verfestigen. Latentwärmespeicher arbeiten
also mit einem Speichermedium, das innerhalb des Betriebstemperaturbereichs
(meistens bei ca. 45°C bis 60°C) die erwähnte
Phasenumwandlung aufweist. Als entsprechendes Speichermedium – auf
Grund der erfolgenden Phasenumwandlung nachfolgend als Umwandlungsmedium
bezeichnet – kann beispielsweise ein Paraffin dienen. Auch
niedrig schmelzende Salze, beispielsweise hydratisiertes Glaubersalz
oder hydratisiertes Natriumthiosulfat, sind geeignet. Theoretisch
ist auch denkbar, niedrig schmelzende Metalle zu verwenden. Beispielsweise
schmilzt das sogenannte „Woodsche Metall”, eine
Wismutlegierung, bei 70°C und damit im „geeigneten” Temperaturbereich.
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Latentwärmespeicher
weisen gegenüber Offenwärmespeichern als wesentlichen
Vorteil eine erheblich größere Wärmekapazität
auf. Die Wärmekapazität ist in der Regel ca. drei-
bis fünfmal so groß wie die eines Offenwärmespeichers
gleichen Volumens. Weiterhin weisen Latentwärmespeicher
in der Regel kleinere Energieverluste als Offenwärmespeicher
auf, weil sie bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden können
als Offenwärmespeicher.
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Latentwärmespeicher
haben sich trotz ihrer Vorteile in der Praxis jedoch nicht durchgesetzt.
Dies liegt daran, dass die bekannten Latentwärmespeicher
Eigenschaften aufweisen, die für den praktischen Betrieb
Probleme aufwerfen.
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Ein
wesentlicher Nachteil von Latentwärmespeichern ist beispielsweise
die in der Regel schlechte Wärmeleitfähigkeit
des verwendeten Speichermaterials. Auf Grund der schlechten Wärmeleitfähigkeit ist
ein rascher Wärmetransfer unmöglich oder sehr aufwändig.
Für einen hinreichend raschen Wärmetransfer wären
so große Wärmetauscherflächen erforderlich,
dass sie den Latentwärmespeicher in erheblichem Umfang
verteuern würden und darüber hinaus im Dauerbetrieb
oftmals neue Probleme schaffen würden. Ein weiterer Nachteil
ist bei der Verwendung von wasserhaltigen Salzen ein sogenanntes
inkongruentes Erstarren. Schließlich treten oftmals sogenannte
Unterkühlungseffekte auf, so dass der Latentwärmespeicher
schlagartig seinen Phasenzustand wechselt, jedoch nicht steuerbar
ist, zu welchem Zeitpunkt die Phasenumwandlung auftritt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Wärmespeicher
zu schaffen, der einfach aufgebaut ist, bei relativ kleiner Baugröße eine
hohe Wärmekapazität aufweist, eine hohe Wärmetransferrate
aufweist und im Dauerbetrieb zuverlässig arbeitet.
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Die
Aufgabe wird durch einen Wärmespeicher mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des
erfindungsgemäßen Wärmespeichers sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 13.
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Erfindungsgemäß ist
ein Wärmespeicher der eingangs geschriebenen Art derart
ausgestaltet, dass der Wärmespeicher weiterhin einen Latentwärmespeicher
aufweist, der mit einem Umwandlungsmedium als solchem gefüllt
ist. Im Latentwärmespeicher ist ein interner Wärmetauscher
angeordnet, dessen Vor- und Rücklauf mit dem Offenwärmespeicher
verbunden sind. Im Latentwärmespeicher sind jedoch weder
eine Einspeiseeinrichtung noch eine Ausspeiseeinrichtung angeordnet.
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Der
Latentwärmespeicher dient bei dem erfindungsgemäßen
Wärmespeicher also nicht zum direkten Speichern der von
der Solaranlage gelieferten Wärme. Er dient auch nicht
zum direkten Abgeben von Nutzwärme nach außen.
Er dient lediglich als dem Offenwärmespeicher nachgeschalteter
Sekundärspeicher.
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In
vielen Fällen kann es von Vorteil sein, wenn im Latentwärmespeicher
eine Tauchpumpe derart angeordnet ist, dass sie in das Umwandlungsmedium
eingetaucht ist. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn
das Umwandlungsmedium ein disoziierbares und/oder unterkühlbares
Medium ist.
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Es
ist möglich, den Offenwärmespeicher als einzigen,
einheitlichen Speicher auszubilden. Bevorzugt ist jedoch, dass der
Offenwärmespeicher einen Brauchwasserspeicher und einen
Heizungsspeicher aufweist. In diesem Fall ist zumindest im Brauchwasserspeicher
eine Einspeiseeinrichtung angeordnet. Im Brauchwasserspeicher ist
eine Ausspeiseeinrichtung zum Aufbereiten von Brauchwasser angeordnet,
im Heizungsspeicher eine Ausspeiseeinrichtung zum Aufbereiten von
Heizungswasser. Bevorzugt ist bei dieser Ausgestaltung, dass der
Vorlauf des internen Wärmetauschers im Heizungsspeicher
mündet.
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Für
den Rücklauf des internen Wärmespeichers sind
drei alternative Lösungen möglich. So kann der
Rücklauf des internen Wärmespeichers im Brauchwasserspeicher
münden. Alternativ kann der Rücklauf im Heizungsspeicher
münden. Wiederum alternativ kann schaltbar sein, ob der
Rücklauf des internen Wärmetauschers im Brauchwasserspeicher oder
im Heizungsspeicher mündet.
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Mittels
der im Brauchwasserspeicher angeordneten Einspeiseeinrichtung ist
zumindest die im Brauchwasserspeicher befindliche Speicherflüssigkeit
erwärmbar. Zum Erwärmen der im Heizungsspeicher
befindlichen Speicherflüssigkeit ist es möglich, dass
der Brauchwasserspeicher und der Heizungsspeicher fließtechnisch
miteinander verbunden sind, so dass das im Heizungsspeicher befindliche
flüssige Speichermedium über den Brauchwasserspeicher erwärmbar
ist. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich,
dass auch im Heizungsspeicher eine Einspeiseeinrichtung angeordnet
ist und dass schaltbar ist, ob die Solaranlage ihre Wärme
dem Brauchwasserspeicher oder dem Heizungsspeicher zuführt.
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Der
Brauchwasserspeicher ist vorzugsweise innerhalb des Heizungsspeichers
angeordnet. Dadurch können Wärmeverluste reduziert
werden.
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Der
Brauchwasserspeicher ist vom Heizungsspeicher durch eine Zwischenhülle
getrennt. Die Zwischenhülle besteht vorzugsweise aus einem Dämmmaterial,
beispielsweise aus Polyurethanschaum.
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In
einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der
Wärmespeicher eine einstückige Außenhülle
aufweist, welche den Latentwärmespeicher und den Offenwärmespeicher
zur Umgebung hin begrenzt. In der Außenhülle ist
in diesem Fall eine vertikal verlaufende Trennwand angeordnet, welche
den Latentwärmespeicher und den Offenwärmespeicher
voneinander trennt.
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Die
Außenhülle weist vorzugsweise horizontal eine
größere Erstreckung auf als vertikal. Dadurch ist
sie relativ leicht aufstellbar und kippsicher. Insbesondere bei
einem kreisförmigen Querschnitt ist die Außenhülle
somit als „liegender Zylinder” ausgebildet.
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Die
Trennwand ist in aller Regel in Horizontalrichtung gesehen außermittig
angeordnet, so dass der Latentwärmespeicher ein größeres
Volumen aufweist als der Offenwärmespeicher. In der Regel
liegt das Volumenverhältnis mindestens bei 2:1, in manchen
Fällen bei bis zu 10:1.
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Die
Trennwand besteht vorzugsweise aus einem Dämmmaterial,
beispielsweise aus Polyurethanschaum.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist
die Außenhülle im Bereich des Offenwärmespeichers
an ihrer Oberseite eine Zugangsöffnung mit einem Öffnungsquerschnitt
auf. Die Zugangsöffnung ist in vielen Fällen als
sogenanntes Mannloch ausgebildet. Der Brauchwasserspeicher, der
innerhalb des Offenwärmespeichers angeordnet ist, weist
in diesem Fall horizontal gesehen vorzugsweise einen Querschnitt
auf, der kleiner als der Öffnungsquerschnitt ist.
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Der
Brauchwasserspeicher kann insbesondere im Falle der letztgenannten
Ausgestaltung vertikal eine größere Erstreckung
aufweisen als horizontal. Dadurch kann insgesamt ein trotz des relativ
kleinen Querschnitts in Horizontalrichtung hinreichend großes
Volumen des Brauchwasserspeichers erzielt werden.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen.
Es zeigen in Prinzipdarstellung
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1 schematisch
das Prinzip eines erfindungsgemäßen Wärmespeichers,
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2 eine
bevorzugte Ausgestaltung des Wärmespeichers von 1,
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3 eine
mögliche Pumpen-Ventilanordnung und
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4 bis 6 drei
Ansichten einer möglichen mechanischkonstruktiven Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Wärmespeichers.
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Gemäß 1 weist
ein Wärmespeicher einen Offenwärmespeicher 1 auf.
Der Offenwärmespeicher 1 ist mit einem flüssigen
Speichermedium 2 gefüllt. Im Offenwärmespeicher 1 ist
(mindestens) eine Einspeiseeinrichtung 3 angeordnet. Die
Einspeiseeinrichtung 3 ist mit einer Solaranlage 4 verbunden.
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Wenn
die Sonne scheint, wird eine Pumpe 5 betrieben, so dass,
ausgehend von der Solaranlage 4, von der Sonne erwärmte
Flüssigkeit der Einspeiseeinrichtung 3 zugeführt
wird. Dadurch wird der Offenwärmespeicher 1 geladen.
Das im Offenwärmespeicher 1 befindliche flüssige
Speichermedium 2 wird dadurch erwärmt, das heißt
seine Temperatur nimmt zu.
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Das
im Offenwärmespeicher 1 befindliche Speichermedium 2 wird
stets in einem Temperaturbereich gehalten, in dem das Speichermedium 2 flüssig
ist. Es erfolgt weder ein Erstarren noch ein Verdampfen des flüssigen
Speichermediums 2. Auch andere Phasenübergänge
finden nicht statt. Jede Änderung der Energiebilanz des
flüssigen Speichermediums 2 tritt daher sofort
offen – daher die Bezeichnung als Offenwärmespeicher 1 – in
Form einer entsprechenden Temperaturänderung zu Tage.
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Im
Offenwärmespeicher 1 ist weiterhin (mindestens)
eine Ausspeiseeinrichtung 6 angeordnet. Mittels der Ausspeiseeinrichtung 6 ist
aus dem Offenwärmespeicher 1 Nutzwärme
nach außerhalb des Wärmespeichers entnehmbar.
Die entnommene Nutzwärme kann beispielsweise dazu verwendet werden,
Brauchwasser zu erwärmen oder einen Heizungskreislauf aufzuheizen.
Bei entsprechender Ausgestaltung des Offenwärmespeichers 1 und
der Ausspeiseeinrichtung 6 sind auch beide Maßnahmen möglich.
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Der
erfindungsgemäße Wärmespeicher weist
weiterhin einen Latentwärmespeicher 7 auf. Der
Latentwärmespeicher 7 ist mit einem Umwandlungsmedium 8 gefüllt.
Das Umwandlungsmedium 8 ist derart gewählt, dass
innerhalb des Temperaturbereichs, in dem der Wärmespeicher
betrieben wird (in der Regel zwischen 20°C und maximal
95°C) eine Phasenumwandlung erfolgt. Änderungen
der Energiebilanz sind daher nicht durch die Temperatur erkennbar,
da sie in die Phasenumwandlung eingehen. Der typische Phasenübergang
ist der von fest zu flüssig und umgekehrt. Geeignete Materialien
für das Umwandlungsmedium 8 sind Fachleuchten
allgemein bekannt. Beispiele geeigneter Umwand lungsmedien 8 sind
Paraffine, Glaubersalz und – bevorzugt – hydratisiertes
Natriumthiosulfat (Pentahydrat).
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Das
Umwandlungsmedium 8 befindet sich „als solches” im
Latentwärmespeicher 7. Es ist nicht gekapselt
oder in sonstiger Form portioniert. Wenn das Umwandlungsmedium 8 in
seinem flüssigen Aggregatszustand vorliegt, bildet es eine
einheitliche Flüssigkeit. Wenn es erstarrt ist, bildet
es einen einzigen Block.
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Im
Latentwärmespeicher 7 ist ein Wärmetauscher 9 angeordnet.
Der Wärmetauscher 9 wird nachfolgend als interner
Wärmetauscher 9 bezeichnet, weil sowohl sein Vorlauf 10 als
auch sein Rücklauf 11 mit dem Offenwärmespeicher 1 verbunden sind,
der Wärmetauscher 9 also nicht direkt nach außerhalb
des Wärmespeichers wirkt. Mittels des internen Wärmetauschers 9 ist
es möglich, dass der Latentwärmespeicher 7 über
den Offenwärmespeicher 1 mit Wärmeenergie
be- und entladen wird. Im Latentwärmespeicher 7 selbst
sind hingegen weder eine Einspeiseeinrichtung noch eine Ausspeiseeinrichtung
angeordnet. Ein direktes Zuführen von Wärme von
der Solaranlage 4 zum Latentwärmespeicher 7 ist
daher nicht möglich. Ebenso ist kein direktes Entnehmen
von Nutzwärme aus dem Latentwärmespeicher 7 möglich.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung, die in 1 mit dargestellt
ist, ist im Latentwärmespeicher 7 eine Tauchpumpe 12 angeordnet.
Die Tauchpumpe 12 ist derart angeordnet, dass sie in das
Umwandlungsmedium 8 eingetaucht ist. Diese Ausgestaltung weist
verschiedene Vorteile auf. So ist es beispielsweise möglich,
das Umwandlungsmedium 8 im teilverflüssigten Zustand
umzuwälzen und so den Betrieb des internen Wärmetauschers 9 zu
optimieren. Gleiches gilt im vollständig verflüssigten
Zustand des Umwandlungsmediums 8, falls dieses über
die Phasenumwandlung hinaus weiter erwärmt werden soll.
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In
vielen Fällen ist das Umwandlungsmedium 8 ein
disoziierbares Medium, das heißt ein Medium, das sich im
flüssigen Zustand entmischt. Ein Beispiel eines derartigen
Mediums ist Natriumthiosulfat, dem fünf Mol Wasser zugesetzt
sind, bekannt als Pentahydrat. Im Falle eines disoziierbaren Mediums wird
bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes des Umwandlungsmediums 8 die
Tauchpumpe 12 intermittierend betrieben, um einem Entmischen
des Umwandlungsmediums 8 entgegen zu wirken. In der Regel
ist es ausreichend, ein- bis fünfmal pro Tag die Tauchpumpe 12 für
kurze Zeit (beispielsweise maximal 1 Minute) zu betreiben.
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Weiterhin
kann das Umwandlungsmedium 8 unterkühlbar sein.
Ein derartiges Medium bleibt flüssig, obwohl seine Temperatur
unter den Schmelzpunkt absinkt. Das Umwandlungsmedium 8 kristallisiert
in einem derartigem Fall erst dann, wenn Kristallisationskeime vorhanden
sind. Auch für ein derartiges Umwandlungsmedium 8 ist
hydratisiertes Natriumthiosulfat ein typischer Vertreter. Bei einem
derartigen Umwandlungsmedium 8 kann dem Umwandlungsmedium 8 über
den internen Wärmetauscher 9 Energie entzogen
werden, so dass seine Temperatur unter den Schmelzpunkt sinkt. Dennoch
bleibt das Umwandlungsmedium 8 flüssig. Wenn ein
Kristallisieren des Umwandlungsmediums 8 gewünscht
ist, wird die Tauchpumpe 12 kurzzeitig betrieben. Es reicht
ein extrem kurzer Betrieb von beispielsweise unter einer Sekunde
(beispielsweise 0,2 bis 0,5 Sekunden) aus. Dieser Betrieb löst
die Kristallisation aus. Dadurch wird die Temperatur des Latentwärmespeichers 7 schlagartig
auf die Schmelztemperatur angehoben. Die latente Wärme
wird also freigesetzt.
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Der
Wärmespeicher von 1 wird – in
groben Zügen – wie folgt betrieben: Wenn die Sonne scheint,
wird der der Offenwärmespeicher 1 von der Solaranlage 4 über
die Einspeiseeinrichtung 3 geladen. Die Dimensionierung
der Solaranlage 4 und des Offenwärmespeichers 1 sind
derart aufeinander abgestimmt, dass auch bei maximaler Sonneneinstrahlung
die Solaranlage 4 nicht in den Stagnationsbetrieb geht.
Ein „Fehlbetrieb”, bei dem der Wärmespeicher
die von der Solaranlage 4 gelieferte Energie mangels entsprechender
Aufnahmekapazität nicht annehmen kann, tritt nicht auf.
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Wenn
die Temperatur des flüssigen Speichermediums 2 oberhalb
einer momentan gewünschten Betriebstemperatur und zugleich
oberhalb der Temperatur des Umwandlungsmediums 8 liegt,
wird weiterhin das im Offenwärmespeicher 1 befindliche
flüssige Speichermedium 2 durch den internen Wärmetauscher 9 gepumpt,
so dass dem Umwandlungsmedium 8 Energie zugeführt
wird. Der Betrieb des internen Wärmetauschers 9 kann
entkoppelt vom Laden des Offenwärmespeichers 1 erfolgen.
Es kann also auch dann erfolgen, wenn die Sonne nicht scheint, beispielsweise
nachts oder an Tagen, an denen es regnet oder bewölkt ist.
Umgekehrt kann die im Latentwärmespeicher 7 gespeicherte Wärme
bei Bedarf kontinuierlich aus dem Latentwärmespeicher 7 in
den Offenwärmespeicher 1 zurückgeführt
werden.
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Die
prinzipielle Auslegung des erfindungsgemäßen Wärmespeichers
ist derart, dass der Offenwärmespeicher 1 die
gesamte Tagesleistung der Solaranlage 4 ohne weiteres aufnehmen
kann und der interne Wärmetauscher 9 die Tagesleistung
der Solaranlage 4 zu mindestens 85% in der Regel sogar vollständig,
zum Latentwärmespeicher 7 transferieren kann.
Dadurch ist es einerseits möglich, den Offenwärmespeicher 1 relativ
schnell aufzuheizen, so dass schnell Nutzwärme entnommen
werden kann. Andererseits wird „überschüssige” Wärme
aus dem Offenwärmespeicher 1 in den Latentwärmespeicher 7 transferiert,
so dass der Offenwärmespeicher 1 aufnahmefähig
bleibt.
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In
Verbindung mit 2 wird nachstehend eine vorteilhafte
Ausgestaltung des Wärmespeichers von 1 erläutert.
Gemäß 2 weist der Offenwärmespeicher 1 einen
Brauchwasserspeicher 13 und einen Heizungsspeicher 14 auf.
Es handelt sich um im Wesentlichen unabhängig voneinander
betreibbare Speicher 13, 14, die beide mit dem
flüssigen Speichermedium 2 gefüllt sind.
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Der
Brauchwasserspeicher 13 dient dem Zweck, Brauchwasser zu
erwärmen. Im Brauchwasserspeicher 13 ist daher
eine Ausspeiseeinrichtung 15 angeordnet, die der Aufbereitung
von Brauchwasser dient. Der Brauchwasserspeicher 13 wird
in der Regel mit einer relativ hohen Betriebstemperatur von ca.
50°C bis 70°C betrieben. Der Brauchwasserspeicher 13 kann
nach Bedarf dimensioniert sein. Oftmals ist ein Volumen von ca.
300 Liter bis 600 Liter ausreichend.
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Der
Heizungsspeicher 14 dient dazu, Heizungswasser zu erwärmen
(bzw. aufzubereiten). Zu diesem Zweck ist im Heizungsspeicher 14 eine
entsprechende Ausspeiseeinrichtung 16 angeordnet.
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Der
Heizungsspeicher 14 kann in einem ähnlichen Temperaturbereich
betrieben werden wie der Brauchwasserspeicher 13. Oftmals
ist seine Betriebstemperatur jedoch erheblich niedriger. Eine Betriebstemperatur
von ca. 45°C ist insbesondere bei Fußbodenheizungen
und Wandheizsystemen oftmals ausreichend. Der Heizungsspeicher 14 kann
nach Bedarf dimensioniert sein. Auf Grund des Vorhandenseins des
Latentwärmespeichers 7 ist es oftmals ausreichend,
wenn der Heizungsspeicher 14 ein Volumen von (nur) 2.000
Litern bis 5.000 Litern aufweist.
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Zum
Beladen des Wärmespeichers von 3, also
eines Wärmespeichers, bei dem der Offenwärmespeicher 1 den
Brauchwasserspeicher 13 und den Heizungsspeicher 14 aufweist,
bestehen verschiedene Möglichkeiten. Stets ist jedoch im Brauchwasserspeicher 13 eine
Einspeiseeinrichtung 17 angeordnet. Mittels der Einspeiseeinrichtung 17 kann
zumindest das im Brauchwasserspeicher 13 befindliche flüssige
Speichermedium 2 erwärmt werden. Zum Optimieren
einer Temperaturschichtung kann im Brauchwasserspeicher 13 ein
Schichtungsrohr 18 vorgesehen sein, das die dortige Einspeiseeinrichtung 17 umgibt.
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Um
auch das im Heizungsspeicher 14 befindliche flüssige
Speichermedium 2 erwärmen zu können,
ist es möglich, dass auch im Heizungsspeicher 14 eine
Einspeiseeinrichtung 19 angeordnet ist. In diesem Fall
ist schaltbar, ob die Solaranlage 4 ihre Wärme
dem Brauchwasserspeicher 13 oder dem Heizungsspeicher 14 zuführt.
Beispielsweise können entsprechende Ventile 20 vorhanden
sein, die – eventuell manuell, in der Regel jedoch mittels
einer Steuereinrichtung automatisch – entsprechend angesteuert
werden.
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Alternativ
ist es möglich, dass der Brauchwasserspeicher 13 und
der Heizungsspeicher 14 fließtechnisch miteinander
verbunden sind, so dass das im Heizungsspeicher 14 befindliche
flüssige Speichermedium 2 über den Brauchwasserspeicher 13 erwärmbar
ist. Insbesondere kann über eine Pumpe 21 flüssiges
Speichermedium 2 aus dem oberen Bereich des Heizungsspeichers 14 entnommen
werden und dem Brauchwasserspeicher 13 im Bereich der dortigen
Einspeiseeinrichtung 17 zugeführt werden. Weiterhin
sind in diesem Fall der Brauchwasserspeicher 13 und der
Heizungsspeicher 14 über eine entsprechende Verbindung 22 bodenseitig
miteinander verbunden.
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Durch
dieses Prinzip, das in dem
Gebrauchsmuster 20 2009 000 409 U des Anmelders insbesondere
in Verbindung mit der dortigen
7 beschrieben
ist, kann auf besonders einfache Weise eine sogenannte horizontale
Temperaturschichtung (das heißt, dass die Temperaturschichtung
des Brauchwasserspeichers
13 unabhängig von der
des Heizungsspeichers
14 ist) erzielt werden.
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Die
beiden obenstehend erläuterten Möglichkeiten sind
auch miteinander kombinierbar. Auch dies ist im bereits genannten
Gebrauchsmuster erläutert.
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Die
Einspeiseeinrichtungen sind in 2 mit den
Bezugszeichen 17 und 19 versehen, die Ausspeiseeinrichtungen
mit den Bezugszeichen 15 und 16. Die Einspeiseeinrichtungen 17 und 19 sowie
die Ausspeiseeinrichtungen 15 und 16 von 2 korrespondieren
funktional mit der Einspeiseeinrichtung 3 und der Ausspeiseeinrichtung 6 von 1.
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Unabhängig
von der konkreten Ausgestaltung des Offenwärmespeichers 1 mündet
bei dem Wärmespeicher von 2 der Vorlauf 10 des
internen Wärmetauschers 9 im Heizungsspeicher 14.
Das den internen Wärmetauscher 9 durchströmende
flüssige Speichermedium 2 wird also aus dem Heizungsspeicher 14 entnommen,
insbesondere entsprechend der Darstellung von 2 aus
dessen oberem Bereich.
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Der
Rücklauf 11 des internen Wärmetauschers 9 kann
ebenfalls im Heizungsspeicher 14 münden, insbesondere
in dessen Bodenbereich. Alternativ kann der Rücklauf 11 im
Brauchwasserspeicher 13 münden, insbesondere im
Bereich der dortigen Einspeiseeinrichtung 17. Diese Vorgehensweise bietet
sich insbesondere dann an, wenn die bodenseitige Verbindung 22 des
Brauchwasserspeichers 13 und des Heizungsspeichers 14 besteht.
Wiederum alternativ ist es möglich, beide Ausgestaltungen zu
realisieren. In diesem Fall ist schaltbar, ob der Rücklauf 11 des
internen Wärmespeichers 9 im Brauchwasserspeicher 13 oder
im Heizungsspeicher 14 mündet.
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Das
Durchströmen des internen Wärmetauschers 9 wird
mittels einer Pumpe 23 bewirkt. In der Regel wird die Pumpe 23 unidirektional
betrieben. Alternativ kann es jedoch möglich sein, die
Pumpe 23 bidirektional zu betreiben, so dass Vorlauf 10 und Rücklauf 11 des
internen Wärmetauschers 9 ihre Rollen wechseln.
Die Strömungsrichtungsumkehr kann in Einzelfällen
durch einen entsprechenden Betrieb der Pumpe 23 als solcher
bewirkt werden. Alternativ kann die Pumpe 23 mit einer
Ventilanordnung 24 – beispielsweise entsprechend 3 – versehen
sein. Je nachdem, welche der Ventile der Ventilanordnung 24 geöffnet
oder geschlossen sind, wird eine entsprechende Strömungsrichtung
erzielt.
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In
mechanisch-konstruktiver Hinsicht kann der erfindungsgemäße
Wärmespeicher gemäß den 4 bis 6 ausgestaltet
sein. 4 zeigt hierbei den Wärmespeicher von
der Seite, 5 von vorne und 6 von
oben.
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Gemäß den 4 bis 6 weist
der Wärmespeicher eine einstückige Außenhülle 25 auf.
Die Außenhülle 25 begrenzt den Latentwärmespeicher 7 und
den Offenwärmespeicher 1 zur Umgebung hin. Die
Außenhülle 25 kann beispielsweise aus
einem Kunststoff bestehen, insbesondere aus einem glasfaserverstärkten
Kunststoff (GFK). Die Außenhülle 25 kann
auf ihrer Außenseite Rippen 26 aufweisen. Dies ist
jedoch nicht zwingend erforderlich.
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In
der Außenhülle 25 ist eine Trennwand 27 angeordnet.
Die Trennwand 27 verläuft vertikal. Sie trennt
den Latentwärmespeicher 7 und den Offenwärmespeicher 1 hermetisch
voneinander. Die Trennwand 27 besteht vorzugsweise aus
einem Dämmmaterial, beispielsweise aus Polyurethanschaum.
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In
der Regel weist die Außenhülle 25 horizontal
eine größere Erstreckung auf als vertikal. Beispielsweise
kann die Außenhülle 25 in Horizontalrichtung
eine Länge lA von ca. 6 Meter bis 8 Meter aufweisen und
in Vertikalrichtung eine Höhe hA von ca. 2,5 Meter bis
3 Meter („liegende Anordnung”). In einer zur Längsrichtung
normalen Ebene gesehen kann der Querschnitt der Außenhülle 25 prinzipiell beliebig
sein. Bevorzugt ist ein regelmäßiger, insbesondere
kreisförmiger, Querschnitt. Das von der Außenhülle 25 umschlossene
Volumen liegt in der Regel zwischen 30 Kubikmeter und 60 Kubikmeter.
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Die
Trennwand 27 ist in der Regel in Horizontalrichtung gesehen
außermittig angeordnet. Dadurch weist der Latentwärmespeicher 7 ein
größeres Volumen auf als der Offenwärmespeicher 1.
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Zum
Minimieren von Wärmeverlusten ist die Außenhülle 25 vorzugsweise
von einer Dämmschicht 28 umgeben. Sie weist in
der Regel eine Dicke von 100 mm bis 250 mm auf. Die Dämmschicht 28 ist
vorzugsweise als formstabile Schäumung ausgebildet. Auf
die Schäumung 28 kann von außen eine
Schutzschicht 29 aufgebracht sein, insbesondere aufgespritzt
sein. Die Schutzschicht 29 ist vorzugsweise witterungsbeständig,
reiß- und abriebfest sowie wasserdicht und wasserresistent.
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Die 4 bis 6 zeigen
eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, die in Verbindung
mit der Außenhülle 25 und der Trennwand 27 realisierbar
ist und vorzugsweise auch in Verbindung hiermit realisiert wird.
Prinzipiell ist diese weitere Ausgestaltung jedoch unabhängig
hiervon realisierbar.
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Gemäß den 4 bis 6 ist
der Brauchwasserspeicher 13 innerhalb des Heizungsspeichers 14 angeordnet.
Der Brauchwasserspeicher 13 ist vom Heizungsspeicher 14 durch
eine Zwischenhülle 30 getrennt. Die Zwischenhülle 30 weist
in der Regel eine Dicke von ca. 20 mm bis 50 mm auf. Sie besteht vorzugsweise
aus einem Dämmmaterial, beispielsweise aus Polyurethanschaum.
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Bei
der in den 4 bis 6 gezeigten Ausgestaltung,
bei der die letztgenannten vorteilhaften Ausgestaltungen in Verbindung
mit der Außenhülle 25 und der Trennwand 27 realisiert
sind, weist die Außenhülle 25 an ihrer
Oberseite eine Zugangsöffnung 31 auf. Beispielsweise
kann an der Oberseite der Außenhülle 25 ein
Stutzen 32 angeformt sein, der seinerseits die Zugangsöffnung 31 enthält.
Die Zugangsöffnung 31 ist vorzugsweise im Bereich
des Offenwärmespeichers 1 angeordnet.
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Die
Zugangsöffnung 31 weist einen Querschnitt auf,
nachfolgend Öffnungsquerschnitt genannt. Der Öffnungsquerschnitt
ist meist derart gewählt, dass eine Person über
die Zugangsöffnung 31 Zugang zum Inneren der Außenhülle 25 hat.
Die Zugangsöffnung 31 wird daher üblicherweise
als Mannloch be zeichnet. Auf Grund der Zugangsöffnung 31 ist
es beispielsweise möglich, dass eine Person die Außenhülle 25 auf
ihrer Innenseite inspizieren kann. Weiterhin ist es möglich,
im Rahmen der vorliegenden Erfindung beispielsweise die Trennwand 27 einzubringen.
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Der
Brauchwasserspeicher 13 weist im letztgenannten Fall vorzugsweise
horizontal gesehen einen Querschnitt auf, der kleiner als der Öffnungsquerschnitt
ist. Dadurch ist es möglich, den Brauchwasserspeicher 13 als
Baueinheit vorzufertigen und erst dann in das von der Außenhülle 25 umschlossene
Volumen einzubringen.
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Auf
Grund der Beschränkung des Querschnitts des Brauchwasserspeichers 13 auf
den Öffnungsquerschnitt (oder weniger) weist der Brauchwasserspeicher 13 vorzugsweise
vertikal eine größere Erstreckung auf als horizontal.
Insbesondere im Falle einer zylindrischen Ausgestaltung kann beispielsweise
ein Durchmesser d des Brauchwasserspeichers 13 bei ca.
60 cm liegen, eine Höhe h1 bei ca. 2 Meter. Der Brauchwasserspeicher 13 ist
somit vorzugsweise stehend angeordnet.
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Der
erfindungsgemäße Wärmespeicher weist
viele Vorteile auf. Insbesondere weist er trotz eines relativ kleinen
Volumens eine hohe Speicherkapazität auf. Auf Grund der
relativ niedrigen Temperatur des Latentwärmespeichers 7 können
weiterhin die thermischen Verluste niedrig gehalten werden. Der
erfindungsgemäße Wärmespeicher ist insbesondere
bei Niedrigenergiehäusern als saisonaler Speicher verwendbar.
-
Die
obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung
der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung
soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten
Ansprüche bestimmt sein.
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- 1
- Offenwärmespeicher
- 2
- flüssiges
Speichermedium
- 3,
17, 19
- Einspeiseeinrichtungen
- 4
- Solaranlage
- 5,
21, 23
- Pumpen
- 6,
15, 16
- Ausspeiseeinrichtungen
- 7
- Latentwärmespeicher
- 8
- Umwandlungsmedium
- 9
- Wärmetauscher
- 10
- Vorlauf
- 11
- Rücklauf
- 12
- Tauchpumpe
- 13
- Brauchwasserspeicher
- 14
- Heizungsspeicher
- 18
- Schichtungsrohr
- 20
- Ventile
- 22
- Verbindung
- 24
- Ventilanordnung
- 25
- Außenschicht
- 26
- Rippen
- 27
- Trennwand
- 28
- Dämmschicht
- 29
- Schutzschicht
- 30
- Zwischenhülle
- 31
- Zugangsöffnung
- 32
- Stutzen
- d
- Durchmesser
- hA,
h1
- Höhen
- lA
- Längserstreckung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 202009000409
U [0050]