DE102009026420B4

DE102009026420B4 - Mehrzonen-Schichtladespeicher

Info

Publication number: DE102009026420B4
Application number: DE102009026420.5A
Authority: DE
Inventors: gleich Patentinhaber Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2023-10-05
Anticipated expiration: 2029-05-23
Also published as: AT508738A3; CH701147B1; DE102009026420A1; CH701147A2; AT508738A2; AT508738B1

Abstract

Mehrzonen-Schichtladespeicher für eine Heizungsanlage mit einem Speicherbehälter (1), welcher eine wenigstens in eine Pufferspeicherzone (3) und eine darüber liegende Warmwasserladungszone (2) unterteilte Schichtladung aufweist, mit einer Heizfläche (4) im Innern des Speicherbehälters (1), welche an eine Wärmequelle (8) angeschlossen und die Heizfläche (4) in der Pufferladungszone (3) mit Strömungsleitvorrichtungen (6, 71, 72) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizfläche (4) wenigstens im Wesentlichen über die gesamte Höhe der Schichtladung reichend angeordnet ist, die Strömungsleitvorrichtungen als erste Strömungsleitvorrichtungen als ein im unteren Pufferladungszonenbereich angeordneter Einspritzring (71) und ein im oberen Pufferladungszonenbereich angeordneter Absaugring (72), welche an einen Heizkreis (7,70) angeschlossen sind, und die Heizfläche (4) zumindest in der Pufferladungszone (3) umgebende unterbrochene Leitbleche (6) als zweite Strömungsleitvorrichtungen ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizwasserpufferspeicher mit Warmwasserbereitung und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung. Das Anwendungsgebiet der Erfindung sind Heizungsanlagen im Wohn- und Gewerbebau.
Heizwasserpufferspeicher mit integrierter Warmwasserbereitung sind bekannt. Die Heizwasserpufferspeicher sind in aller Regel für den Anschluss an mehrere Heizquellen ausgelegt. Um die hygienischen Anforderungen hinsichtlich der Trinkwasserqualität zu erfüllen, muss eine Aufheizung des Warmwassers auf etwa 60 °C realisiert werden. Die relativ schlechten Wärmeübergänge vom Heizmittel der Heizquelle an das Heizwasser und vom Heizwasser an das Warmwasser in Verbindung mit der räumlichen Entfernung der Komponenten beeinträchtigen allerdings den Wirkungsgrad derartiger Anlagen.
Die Einbindung einer Wärmepumpe in ein Heizungssystem mit Pufferspeicher ist aus dem Gebrauchsmuster DE 20 2006 018 320 U1 bekannt. Die bekannte Lösung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmegewinnung. Sie weist wenigstens einen Boiler auf, der eine temperaturgeschichtete Flüssigkeit enthält. In der Regel ist der Boiler mit Wasser gefüllt, wobei auch jedes andere wärmetragende Medium geeignet ist. Die Flüssigkeit im Boiler ist temperaturgeschichtet, so dass sich im Boiler stets mindestens eine Schicht mit kalter Flüssigkeit und darüber liegend mindestens eine Schicht mit warmer Flüssigkeit befindet.
In der Regel ist an der Kaltseite des Boilers noch ein Zufluss für die Flüssigkeit, insbesondere Kaltwasser vorgesehen, während an der Warmseite ein Abfluss für erwärmte Flüssigkeit, insbesondere Warmwasser vorgesehen ist. Die erwärmte Flüssigkeit wird insbesondere zu Heizzwecken genutzt, wobei alternativ oder zusätzlich auch Warmwasser zu Haushaltszwecken entnehmbar ist. Zur Erwärmung der Flüssigkeit im Boiler ist ein Wärmetauscher vorgesehen, dessen Sekundärseite einerseits mit der Kaltseite und andererseits mit der Warmseite des Boilers verbunden ist.
Die Sekundärseite des Wärmetauschers bildet mit dem Boiler einen in sich geschlossenen Kreislauf, der ausschließlich durch Konvektion der Flüssigkeit im Boiler angetrieben wird. Die im Kreislauf befindliche Strömungsmenge ist unmittelbar an den Wärmeeintrag gekoppelt, damit die Temperaturschichtung gewährleistet bleibt. Der Einsatz eines Durchlauferhitzers verbessert die Heizmittelauskühlung bis in die Nähe der Kaltwassertemperatur und damit den Entladewirkungsgrad.
Eine bekannte Lösung für Durchlauferhitzer zeigt das Gebrauchsmuster DE 299 09 526 U1 mit einem Warmwasserbereitungssystem im Durchfluss-Gegenstrom-Prinzip. Die bekannte Lösung besteht aus einem Pufferspeicher, der über eine mit der Wärmezentrale verbundene Vorlaufleitung mit Heizwasser geladen wird, einer gewendelten rohrförmigen Wärmetauscherfläche aus korrosionsbeständigem Material, einer über die Trinkwasser-Austrittstemperatur geregelten Umwälzpumpe, einer Zirkulationsleitung, sowie Rücklaufanschluss und Messfühlern, wobei die gewendelte rohrförmige Wärmetauscherfläche von einem biegsamen, temperatur- und druckbeständigen Strömungsrohr so umgeben ist, dass ein ringförmiger Strömungsspalt entsteht und dass die Zirkulationsleitung in die gewendelte rohrförmige Wärmetauscherfläche einmündet.
Die bekannten Lösungen sind immer dann, wenn die Wärmezufuhr über Fernheizung, Wärmepumpen oder thermische Solarkollektoren erfolgt, durch relativ hohe Herstellungskosten bei immer noch relativ geringem Wirkungsgrad gekennzeichnet. Der geringe Wirkungsgrad ergibt sich als Folge der aus hygienischen Gründen erforderlichen Betriebstemperaturen für die Trinkwassererwärmung von über 60°C. Die bekannten Systeme mit Wärmepumpen und Fernheizung haben den Nachteil der schlechten Heizmittelauskühlung und zu häufiger Taktung bei der Wärmezufuhr für die Warmwasserbereitung.
Daraus ergibt sich als Aufgabe der Erfindung, die Herstellungskosten von Pufferspeichern für Wärmepumpen, Fernheizung und andere Wärmequellen mit Warmwasserbereitung zu senken und den Wirkungsgrad zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Mehrzonen-Schichtladespeicher nach Patentanspruch 1 sowie mit einem Verfahren zum Betrieb eines solchen Mehrzonen-Schichtladespeichers nach Anspruch 8. Die jeweils darauf bezogenen abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung bzw. des Verfahrens.
Der erfindungsgemäße Mehrzonen-Schichtladespeicher für eine Heizungsanlage verfügt über eine an die Gebäudeheizung angeschlossene Pufferspeicherzone. Eine Heizfläche, vorteilhaft mit nahe dem Eingang höherem Wärmeübergang zum Speichermedium als nahe dem Ausgang, ist im Innern des Speicherbehälters wenigstens im Wesentlichen über die gesamte Höhe der Schichtladung reichend angeordnet und an eine Wärmequelle angeschlossen. Die Schichtladung ist wenigstens in eine Pufferspeicherzone und eine darüber liegende Warmwasserladungszone unterteilt. Die Heizfläche in der Pufferladungszone ist mit Strömungsleitvorrichtungen versehen. Die Strömungsleitvorrichtungen sind erfindungsgemäß als die Heizfläche umgebende unterbrochene Leitbleche, hier lediglich zur Unterscheidung als zweite Strömungsleitvorrichtungen bezeichnet, und einen im unteren Pufferladungszonenbereich angeordneten Einspritzring und einen im oberen Pufferladungszonenbereich angeordneten Absaugring, die an den Heizkreis angeschlossen sind, ausgebildet. Einspritz- und Absaugring werden als erste Strömungsleitvorrichtung bezeichnet.
Die Strömungsleitvorrichtungen gestatten es verfahrensseitig, dass dern Wärmeübergang von der Heizfläche zum Speichermedium in der Pufferladungszone durch Erzeugung eines Gegenstroms an der Heizfläche verbessert wird. Der Gegenstrom wird vom Heizkreis, insbesondere von einer üblicherweise vorhandenen Heizkreispumpe angetrieben. Er bewirkt eine weitestgehende Auskühlung des Heizflächenmediums.
Eine erste vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass die Schichtladezonen vorteilhaft voneinander abgeschieden werden, indem zwischen den Ladungszonen eine waagerechte Trennscheibe angeordnet ist, die perforiert und/oder am Rand durchlässig ausgebildet ist.
Vorteilhaft ausgestaltet ist die Erfindung dadurch, dass die Heizfläche als Kondensator einer Wärmepumpe ausgebildet ist. Damit erfolgt die Wärmeübertragung vom Kältemittel auf das Speichermedium in der Warmwasserladungszone überwiegend durch Konvektion und in der Pufferladungszone überwiegend durch Kondensation des Kältemittels bzw. im unteren Bereich durch Kondensatauskühlung. Die Konvektion in der Warmwasserladungszone beruht auf dem Abbau der Überhitzung des in Form von Heißgas zugeführten Kältemittels. Dabei kühlt sich das Kältemittel beispielsweise um etwa 20 bis 30 K ab. Anstatt einer Wärmepumpe kann die Heizmittelversorgung der Heizfläche auch von jeder anderen Heizquelle oder einer wie auch immer gearteten Kombination mehrerer Heizquellen ausgehen. Beispielhaft seien Fernwärmeanschluss, Sonnenkollektoren oder ein weiterer Heizkreis genannt.
Die Heizfläche kann auf den Anwendungsfall abgestimmt näher oder ferner der Speicherwandung angeordnet sein, so dass die Ausbildung der Leitbleche und ihre Anordnung und die Ausbildung des Einspritzrings und des Absaugrings entsprechend variieren kann. Beispielsweise kann die Heizfläche nahe der Speicherwandung angeordnet sein, wodurch der Gegenstrom zwischen der Speicherwandung und den Leitblechen entsteht. Ist die Heizfläche zentraler angeordnet, kann der Gegenstrom auch zwischen inneren und äußeren Leitblechen erzeugt werden. Durch Unterteilung der Leitbleche können zusätzliche Heizkreise an den Mehrzonen-Pufferspeicher angeschlossen werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung erfolgt, indem ein Gegenstrom-Trinkwassererhitzer vorgesehen ist, dessen Wärmetauschereingang offen im oberen Bereich der Warmwasserladungszone angeordnet ist und dessen Wärmetauscherausgang mit dem Zulaufanschluss der ersten Wärmequelle verbunden ist. Der Gegenstrom-Trinkwassererhitzer ist vorteilhaft eine gewendelte Trinkwasserleitung mit einem konzentrisch die Trinkwasserleitung umgebenden Rohr oder Schlauch mit relativ schlechtem Wärmeübergang zum Speichermedium.
Der Mehrzonen-Schichtladespeicher kann in dieser Ausführung so betrieben werden, dass in die Öffnung im oberen Warmwasserladungsbereich das heiße Speichermedium fließt und im Gegenstrom-Prinzip das durch die Trinkwasserleitung als Kaltwasser eintretende Trinkwasser bis auf die hygienisch erforderliche Temperatur erwärmt. Das abgekühlte Speichermedium wird dem Heizkreis zugeführt.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mehrzonen-Schichtladespeichers wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

1 ein Blockschema eines erfindungsgemäßen Mehrzonen-Schichtladespeichers und
2 den Mehrzonen-Schichtladespeicher nach 1 mit Trinkwassererhitzer.

1 zeigt einen Mehrzonen-Schichtladespeicher 1 mit einer oberen Warmwasserladungszone 2 und einer unteren Pufferspeicherzone 3, die von einer perforierten Trennscheibe 5 voneinander abgetrennt sind. Die Warmwasserladungszone 2 und die Pufferspeicherzone 3 sind über einen Zulauf 31 und einen Ablauf 32 mit einem Heizkreis verbunden, der wenigstens einen Wärmeverbraucher 7 und eine Pumpe 70 umfasst.
Über die gesamte Höhe der Speicherladung erstreckt sich eine Heizfläche 4 in Form einer Wendel mit nahe dem Eingang höherem Wärmeübergang zum Speichermedium als nahe dem Ausgang, beispielsweise durch verschiedene Steigungswinkel. Die Heizfläche 4 ist als Kondensator einer Wärmepumpe 8 ausgebildet, so dass sie von einem Kältemittel durchflossen wird, das vorzugsweise als überhitztes Heißgas einströmt und flüssig mit nahezu Kaltwassertemperatur die Heizfläche 4 verlässt. Beim Übergang von der Warmwasserladungszone 2 zur Pufferspeicherzone 3 hat das Kältemittel eine um 20 bis 30 K niedrigere Temperatur als beim Eintritt in die Heizfläche 4. In der Warmwasserladungszone 2 erfolgt der Wärmeübergang von der Heizfläche 4 auf das Speichermedium durch Konvektion.
In der Pufferspeicherzone 3 hingegen wird mittels eines im unteren Bereich angeordneten und als Eingang an den Heizkreis angeschlossenen Einspritzringes 71 und eines im oberen Bereich angeordneten und als Ausgang an den Heizkreis angeschlossenen Absaugringes 72 ein zum Kältemittelfluss in der Heizfläche 4 entgegengesetzt gerichteter Strom des Speichermediums erzeugt. Der durch gestrichelte Pfeile verdeutlichte Gegenstrom wird durch Leitbleche 6 entlang der Heizfläche 4 geführt.
Die Heizfläche 4 kann auf den Anwendungsfall abgestimmt näher oder ferner der Speicherwandung angeordnet sein, so dass die Ausbildung der Leitbleche 6 und ihre Anordnung und die Ausbildung des Einspritzrings 71 und des Absaugrings 72 entsprechend variieren kann. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Heizfläche 4 nahe der Speicherwandung angeordnet, wodurch der Gegenstrom zwischen der Speicherwandung und den Leitblechen 6 entsteht.
Die Wärmepumpe 8 unterliegt einer Regelung 81 anhand der Isttemperaturen in der Warmwasserladungszone 2, die mittels eines Temperatursensors 812 erfasst wird, und in der Pufferspeicherzone 3, die mittels eines Temperatursensors 813 erfasst wird. Die Regelung kann zur Auslösung einer Vorrangschaltung zugunsten der Warmwasserbereitung in der Form dienen, dass bei Unterschreiten einer Soll-Temperatur an Sensor 812 eine Erhöhung der Kältemitteltemperatur vorrangig für die Warmwasserbereitung zur Verfügung steht. Der Sensor 813 kann ebenso zur Regelung der Temperatur des Heizkreises geschaltet sein.
2 zeigt den Mehrzonen-Schichtladespeicher nach 1 mit einem Trinkwasserdurchflusserhitzer 9. Der Durchflusserhitzer 9 besteht aus einer gewendelten Trinkwasserleitung 90, die mit einem Kaltwasseranschluss 21 und einem Warmwasseranschluss 22 an das Trinkwassernetz angeschlossen ist, und einem die Trinkwasserleitung 90 konzentrisch umgebenden Rohr 91 mit relativ schlechtem Wärmeübergang. Das Rohr 91 ist im oberen Bereich der Warmwasserladungszone 2 offen, unten aber aus dem Speicherbehälter 1 herausgeführt sowie über eine Ladepumpe 92 und den Anschluss 31 mit dem Einspritzring 71 verbunden. Der Anschluss 31 ist dazu vorteilhaft als T-Stück ausgebildet. Mittels der Ladepumpe 92 wird heißes Speichermedium aus dem oberen Bereich der Warmwasserladungszone 2 in das oben offene Rohr 91 gesaugt und über den Einspritzring 71 in den Gegenstrom entlang der Heizfläche 4 eingetragen. Dadurch strömt das Speichermedium entlang der Trinkwasserleitung 90 und erwärmt dabei über die Trinkwasserleitung 90 das darin befindliche bzw. strömende Trinkwasser.

Claims

Mehrzonen-Schichtladespeicher für eine Heizungsanlage mit einem Speicherbehälter (1), welcher eine wenigstens in eine Pufferspeicherzone (3) und eine darüber liegende Warmwasserladungszone (2) unterteilte Schichtladung aufweist, mit einer Heizfläche (4) im Innern des Speicherbehälters (1), welche an eine Wärmequelle (8) angeschlossen und die Heizfläche (4) in der Pufferladungszone (3) mit Strömungsleitvorrichtungen (6, 71, 72) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizfläche (4) wenigstens im Wesentlichen über die gesamte Höhe der Schichtladung reichend angeordnet ist, die Strömungsleitvorrichtungen als erste Strömungsleitvorrichtungen als ein im unteren Pufferladungszonenbereich angeordneter Einspritzring (71) und ein im oberen Pufferladungszonenbereich angeordneter Absaugring (72), welche an einen Heizkreis (7,70) angeschlossen sind, und die Heizfläche (4) zumindest in der Pufferladungszone (3) umgebende unterbrochene Leitbleche (6) als zweite Strömungsleitvorrichtungen ausgebildet sind.
Mehrzonen-Schichtladespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungszonen (2, 3) durch eine waagerecht angeordnete durchlässige Trennscheibe (5) voneinander getrennt sind.
Mehrzonen-Schichtladespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizfläche (4) nahe dem Eingang einen höherem Wärmeübergang zum Speichermedium aufweist als nahe dem Ausgang.
Mehrzonen-Schichtladespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizfläche (4) als Kondensator einer Wärmepumpe oder als Wärmetauscher für eine Fernheizung oder als Wärmetauscher für Sonnenkollektoren ausgebildet ist.
Mehrzonen-Schichtladespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizfläche (4) zwischen inneren und äußeren Leitblechen (6) oder zwischen Leitblechen (6) und der Speicherwandung angeordnet ist.
Mehrzonen-Schichtladespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gegenstrom-Trinkwassererhitzer (9) angeordnet ist, dessen Wärmetauschereingang offen im oberen Bereich der Warmwasserladungszone (2) angeordnet ist und dessen Wärmetauscherausgang mit dem Zulaufanschluss (31) des Heizkreises (7, 70) verbunden ist.
Mehrzonen-Schichtladespeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstrom-Trinkwassererhitzer eine gewendelte Trinkwasserleitung mit einem konzentrisch die Trinkwasserleitung umgebenden Rohr oder Schlauch mit schlechtem Wärmeübergang zum Speichermedium ist.
Verfahren zum Betrieb eines Mehrzonen-Schichtladespeichers nach einem der vorstehenden Ansprüche, indem ein Speichermedium, welches sich im Mehrzonen-Schichtladespeicher befindet und mittels der im Inneren des Speicherbehälters des Mehrzonen-Schichtladespeichers angeordneten Heizfläche (4) erwärmt wird, in der Pufferladungszone des Mehrzonen-Schichtladespeichers über einen Zulauf (31), einen Ablauf (32) und besagter erster Strömungsleitvorrichtungen (71,72) mit zumindest einem Heizkreis (7,70) in fluidischer Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass mittels besagter erster und zweiter Strömungsleitvorrichtungen (71,72,6) an der Heizfläche (4) ein auf die Heizmittelversorgung der Heizfläche bezogener Gegenstrom des Speichermediums erzeugt wird, welcher von dem zumindest einen Heizkreis (7,70) angetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 8. dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstrom des Speichermediums mittels der Leitbleche (6) entlang der Heizfläche geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstrom zwischen den Leitblechen (6) und der Speicherwandung oder zwischen inneren und äußeren Leitblechen (6) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmwasserbereitung mittels eines Gegenstrom-Trinkwassererhitzers nach einem der Ansprüche 6 oder 7 erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass heißes Speichermedium im Warmwasserladungsbereich (2) in den offenen Wärmetauschereingang fließt und abgekühltes Speichermedium dem Heizkreis (7,70) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12 , dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Unterschreitung einer Solltemperatur der Heizmittelversorgung der Heizfläche eine Vorrangschaltung zugunsten der Warmwasserbereitung erfolgt.