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Die Erfindung betrifft eine Speichereinrichtung, insbesondere eine Schichtspeichereinrichtung, zum Speichern thermischer Energie bzw. Wärme.
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Es ist bekannt, Trinkwasser oder Brauchwasser mittels einer Wärmequelle zu erwärmen und das erwärmte Wasser zur späteren Verwendung in Kurzzeitspeichern zu speichern. Als Wärmespeicher dienen dabei voluminöse Behälter für ein Wärmespeichermedium wie z.B. Wasser, das aufgeheizt wird, und dann eine gewisse Zeit die Wärme speichert. In sogenannten Schichtenspeichern wird während der Wärmebeladung im Speichermedium in vertikaler Richtung eine Temperaturschichtung ausgebildet. Dies erfolgt aufgrund der temperaturabhängigen Dichte von Wasser, d.h. in einem Behälter eines Schichtenspeichers liegen in vertikaler Richtung Schichten mit warmen Wasser (geringere Dichte) im oberen Bereich und Schichten mit kaltem Wasser (höhere Dichte) im unteren Bereich des Behälters. Die Beladung und Entladung mit Wärme muss in Schichtwärmespeichern ohne Zerstörung der Temperaturschichtung erfolgen, da ein Verwirbeln oder Umschichten der dichtebedingten Temperaturschichtung immer einen schlagartigen Wirkungsgradverlust mit sich bringt.
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Die
DE 40 29 355 C2 offenbart einen Warmwasserschichtspeicher mit einem Kessel bei dem ein Wärmeträger in einen oberen Bereich des Kessels zugeführt wird. Im oberen und unteren Bereich des Kessels ist jeweils ein Wärmetauscher angeordnet, wobei die Wärmetauscher weit in das Kesselvolumen hineinragen. Zwischen den Wärmetauschern sind zwei Lochblechscheiben beabstandet zueinander angeordnet, um unerwünschte Turbulenzen zu verhindern. Zwischen den beiden Lochblechscheiben liegen Salzpackungen, um die Speicherfähigkeit des Speichers zu erhöhen.
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DE 9216958 U1 betrifft einen Doppelmantelspeicher für die Bereitung und Speicherung von warmen Brauchwasser. Der Doppelmantelspeicher umfasst einen Behälter und einen Außenmantel, der den Behälter umschließt und dadurch einen Hohlraum definiert. Der Endrand des Außenmantels ist dabei mit einer Umlaufsicke des Behälters verschweißt. Der Behälter wird über den Kaltwasserzufuhr- und Warmwasserablaufanschluss mit dem zu erwärmenden Fluid versorgt. Durch den Heizmediumvorlauf- und Heizmediumrücklaufanschluss kann dem Hohlraum zwischen Behälter und Außenmantel das Heizmedium (Speichermedium) zu- und abgeführt werden. Darüber hinaus gehören die Druckschriften
DE 295 17 528 U1 ,
DE 10 2007 027 570 B3 ,
DE 24 30 169 B2 und
DE 196 16 473 A1 zum Stand der Technik.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine in der Herstellung einfache und kostengünstige Wärmespeichereinrichtung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß Anspruch 1 weist eine Speichereinrichtung einen Speicherbehälter mit Wänden bzw. einer Hülle auf, die ein Speichervolumen begrenzen bzw. definieren. Im Speichervolumen wird bei Betrieb der Speichereinrichtung ein Wärmespeichermedium wie z.B. Wasser aufgenommen. Das Wärmespeichermedium kann durch eine Wärmequelle mit Wärme beladen werden, wobei die Wärmequelle mit einem Energieträger wie z.B. Sonnenenergie, Erdgas, Heizöl oder Biogas befeuert wird oder die Wärme bezieht aus Kompost- und Mistwärme oder die Verbrennung geeigneter Abfallprodukte wie Holzreste. Zumindest ein Teil der Behälterwände ist aus zumindest einer Hohlplatte ausgebildet, wobei die Hohlplatte bzw. der Hohlraum der Hohlplatte einen Behälter für ein zu erwärmendes Fluid, wie z.B. Trinkwasser oder Betriebswasser, bildet. Beispielsweise können alle Wände bzw. kann die gesamte Hülle des Speicherbehälters aus einer Hohlplatte ausgebildet sein oder aus mehreren miteinander verbundenen Hohlplatten. Alternativ kann nur ein Teil der Wände aus einer Hohlplatte oder aus mehreren Hohlplatten ausgebildet sein, z.B. können bei einem vertikal ausgerichteten Speicherbehälter nur die (vertikalen) Seitenwände aus einer oder mehr Hohlplatten ausgebildet sein.
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Der Speicherbehälter vereint zwei Funktionen, zum einen bildet er das Speichervolumen für das Wärmespeichermedium und zum anderen bilden die Wände bzw. die zumindest eine Hohlplatte des Speicherbehälters einen Wärmetauscher. D.h. die in einem Speichermedium gespeicherte Wärmeenergie im Speicherbehälter bzw. im Speichervolumen kann auf ein in der Hohlplatte bzw. im Hohlraum der Hohlplatte aufgenommenes zu erwärmendes Fluid übertragen werden.
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Da die Funktion des Wärmetauschers in die Hülle bzw. Wände des Speicherbehälters integriert ist, steht das gesamte Speichervolumen für das Wärmespeichermedium zur Verfügung. D.h. das zur Verfügung stehende Speichervolumen und damit das Fassungsvermögen des Speichers wird nicht durch im Behälterinnenvolumen angeordnete Wärmetauscher verkleinert. Durch die Integration des Wärmetauschers in die Behälterwände ist kein separat zu montierender Wärmetauscher notwendig. D.h. beim Zusammenbau der Speichereinrichtung sind weniger Einzelteile zu montieren, wodurch die Montagezeit beim Zusammenbau der Speicheinrichtung, die Materialkosten und damit die Herstellungskosten sinken. Damit wird ein einfach und kostengünstig herstellbarer Speicherbehälter bereitgestellt.
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Im Betrieb der Speichereinrichtung findet nur in einem (schmalen) Randbereich entlang der als Hohlplatte ausgebildeten Wände die Wärmeübertragung zwischen dem im Speichervolumen angeordneten Speichermedium und dem in der Hohlplatte aufgenommenem zu erwärmenden Fluid statt. D.h. eine im Speicherbehältervolumen ausgebildete Temperaturschichtung des Speichermediums wird durch einen Wärmetausch im Randbereich des Behälters nicht oder kaum beeinflusst bzw. gestört.
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Besonders bevorzugt ist zumindest der Teil der Wände aus zumindest einer Hohlplatte ausgebildet, der in einer Betriebsposition der Speichereinrichtung bzw. des Speicherbehälters vertikal oder im Wesentlichen vertikal ausgerichtet ist. Beispielsweise ist zumindest ein Teil von vertikal oder im Wesentlichen vertikal ausgerichteten Seitenwänden eines Speicherbehälters aus zumindest einer Hohlplatte ausgebildet. D.h. der durch die zumindest eine Hohlplatte ausgebildete Wärmetauscher ist im Bereich einer im Betrieb der Speichereinrichtung vertikal ausgebildeten Temperaturschichtung angeordnet, so dass sich ein zu erwärmendes Fluid entlang der Temperaturschichtung langsam erwärmen kann.
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Vorzugsweise ist in der Betriebsposition des Speicherbehälters eine Längsachse des Speicherbehälters vertikal oder im Wesentlichen vertikal ausgerichtet. Insbesondere weist der Speicherbehälter einen kreisförmigen oder im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt, d.h. er ist zylinderförmig, alternativ einen ovalen, einen rechteckigen und/oder einen vieleckigen Querschnitt auf. Dabei sind vorzugsweise vertikale oder im Wesentlichen vertikale Seitenwände des Speicherbehälters zumindest teilweise aus zumindest einer Hohlplatte ausgebildet. D.h. zumindest der Bereich der Wände, der im Bereich der (vertikal ausgerichteten) Temperaturschichtung liegt, ist aus zumindest einer Hohlplatte ausgebildet. Damit wird gewährleistet, dass das in der zumindest einen Hohlplatte enthaltene bzw. aufgenommene zu erwärmende Fluid in einen warmen bzw. heißen Bereich einer ausgebildeten Temperaturschichtung fließen bzw. strömen kann und sich dadurch erwärmt.
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Bevorzugt weist der Speicherbehälter zumindest eine Öffnung bzw. einen Anschluss auf, ganz besonders bevorzugt zumindest oder genau zwei Öffnungen bzw. Anschlüsse, die bzw. der eine Verbindung vom Hohlraum der zumindest einen Hohlplatte nach außen bereitstellt. D.h. im Betrieb kann im Hohlraum der zumindest einen Hohlplatte ein zu erwärmendes Fluid entlang einer Temperaturschichtung fließen und es findet eine kontinuierliche Wärmeübertragung vom Speichermedium im Speicherbehältervolumen auf ein in der zumindest einen Hohlplatte strömendes Fluid statt.
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Besonders bevorzugt ist der Speichbehälter so ausgelegt, dass ein zu erwärmendes Fluid (in vertikaler Richtung) von unten nach oben durch die zumindest eine Hohlplatte fließen kann. D.h. ein zunächst kaltes Fluid fließt von einem unteren (kälteren) Bereich in einen oberen (wärmeren) Bereich des Speicherbehälters bzw. der Hohlplatte. Das Fluid wird auf diese Weise langsam erwärmt, d.h. es treten keine hohen Temperaturschwankungen im Speicherbehälter bzw. an der Behälterinnenwand (an der die Wärmeübertragung stattfindet) auf, die zu einer Strömung oder Verwirbelung im Speichervolumen und damit zu einer Störung der Temperaturschichtung führen könnte.
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Bevorzugt weist der Speicherbehälter zumindest eine Öffnung bzw. einen Anschluss auf, ganz besonders bevorzugt zumindest oder genau zwei Öffnungen bzw. Anschlüsse, die bzw. der eine Verbindung vom Speichervolumen bzw. Behälterinnenraum des Speicherbehälters nach außen bereitstellt. Die zumindest eine Öffnung bzw. der zumindest eine Anschluss ist zum Einleiten und/oder Ausleiten eines Speichermediums in und aus dem Speichervolumen ausgebildet. Insbesondere sind zumindest zwei Öffnungen so am Speicherbehälter angeordnet, dass beim Beschicken des Speicherbehälters mit warmem oder heißem Medium das Medium im Speicherbehälter eine (vertikale) Temperaturschichtungsverschiebung von oben nach erfährt. D.h. ein warmes bzw. heißes Wärmeträgermedium wird in einen oberen Bereich des Speicherbehälters durch zumindest eine erste Öffnung bzw. zumindest einen ersten Anschluss eingeleitet. Das zugeführte Medium verbleibt im oberen Behälterbereich und verdrängt das im Behälter vorhandene Medium vertikal nach unten. Im unteren Bereich ist zumindest eine zweite Öffnung bzw. ein zweiter Anschluss vorgesehen, durch den oder die das unten vorhandene Medium mit der kältesten Temperatur aus dem Behälter herausfließt (herausgedrängt wird). Durch diese Ausgestaltung wird gewährleistet, dass im Behältervolumen keine oder kaum Verwirbelungen entstehen, die eine Temperaturschichtung zerstören können.
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Ein beispielhaftes Verfahren zum Herstellen einer Hohlplatte ist nachfolgend erläutert. Zunächst werden zwei gleich oder unterschiedlich dicke metallische Platten bzw. Bleche aufeinander gelegt und mit punktförmigen, ringförmigen und/oder linienförmigen Schweißnähten miteinander verschweißt. Insbesondere wird eine umlaufende linienförmige Schweißnaht entlang des Rands bzw. Randbereichs der Platten erzeugt, so dass zwischen den beiden metallischen Platten ein Hohlraum entsteht. Über die Fläche der Hohlplatte sind weitere punktförmige, ringförmige und/oder linienförmige Schweißnähte bzw. Schweißstellen verteilt, die die beiden metallischen Platten punktuell miteinander verbinden. Dabei wird vorzugsweise der Hohlraum zwischen den Platten durch die innerhalb der Randbereiche der Platten (bzw. der dünneren Platte - siehe unten) liegenden Schweißnähte oder -stellen nicht oder im Wesentlichen nicht unterbrochen bzw. geteilt, sondern es entstehen innerhalb der äußeren Schweißung der Hohlplatte (beim Aufblasen) eine Vielzahl von miteinander verbundenen Hohlräumen bzw. Taschen zwischen den beiden metallischen Platten. Anschließend wird der Hohlraum/ die Taschen zwischen den metallischen Platten mit Druck beaufschlagt bzw. aufgeblasen, beispielsweise durch Einleiten von Wasser unter einem Druck von bis zu 40 bar, 50 bar, 60, bar, 70 bar oder 80 bar. Der Hohlraum zwischen den Platten wird dadurch aufgeweitet, so dass die Platten eine durch den angelegten Druck genau festlegbare Auswölbung zueinander haben und sich nur noch an den Schweißstellen berühren bzw. miteinander verbunden sind. D.h. es entsteht eine Vielzahl von untereinander verbundener Taschen bzw. Hohlräumen in der Hohlplatte, durch die ein Medium bzw. Fluid geleitet werden kann. Durch die räumliche Beabstandung der zwei metallischen Platten im Bereich der Taschen bzw. Hohlräume und ihre gleichzeitige feste Verbindung durch die Schweißnähte und/oder -punkte ist die Hohlplatte vergleichbar mit dem bekannten „Sandwich“-Bauprinzip. Dabei steigt die Festigkeit bzw. die Steifigkeit der Hohlplatte annähernd quadratisch mit der Entfernung ihrer zwei metallischen Platten bzw. Wände. Vorzugsweise werden die Schweißnähte und/oder - punkte mittels Laserschweißung erzeugt. In Ausgestaltung werden die Schweißnähte und/oder -punkte in einer vorgegebenen Anordnung so vorgesehen, dass sich in der Hohlplatte ein vorbestimmtes Durchströmungsprofil und/oder Geschwindigkeitsprofil einstellt.
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Zum Ausbilden des Speicherbehälters wird beispielsweise eine Hohlplatte gebogen, z.B. schwenkgebogen oder rollgebogen, so dass zwei gegenüberliegende Stirnkanten der Hohlplatte miteinander verschweißt werden können. Beispielsweise wird die zumindest eine Hohlplatte zylinderförmig gebogen. Alternativ wird die Hohlplatte so gebogen, dass die Hohlplatte nach dem verschweißen der Stirnkanten ein vieleckigen, z.B. rechteckigen oder im Wesentlichen rechteckigen, Querschnitt aufweist. Die beiden offenen Enden der gebogenen und verschweißen Hohlplatte können z.B. mit metallischen Platten verschlossen werden, die an die offenen Enden der Hohlplatte geschweißt werden. Alternativ können mehrere (gebogene) Hohlplatten über ihre Stirnkanten miteinander verschweißt werden, so dass diese zumindest einen Teil der Speicherbehälterwände bilden, insbesondere den Teil der Speicherwände, der im Betrieb vertikal ausgerichtet ist.
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In Ausgestaltung sind die außen liegende Platte und die innen liegende Platte der Hohlplatte gleich stark. Beispielsweise weisen beide eine Materialstärke im Bereich von 0,6 bis 3 mm, 0,8 bis 1,8 mm oder 1 bis 2 mm auf, weiter bevorzugt ist oder liegt die Materialstärke um 1 mm. Alternativ ist die außen liegende Platte (Außenplatte) der Hohlplatte dicker als die innen liegende Platte (Innenplatte) der Hohlplatte. Dadurch wird beim Aufweiten der Hohlräume zwischen den metallischen Platten nur die Innenplatte verformt bzw. aufgeweitet, wobei sich die Außenplatte nicht verformt bzw. plan oder eben bleibt. Da die Innenplatte (die die Innenfläche des Speicherbehälters bildet) verformt bzw. Taschen ausbildet ist die Oberfläche der Innenfläche des Speicherbehälters im Vergleich zu glatten Wänden vergrößert, wodurch eine größere Oberfläche für den Wärmeaustausch bzw. die Wärmeübertragung zur Verfügung steht. Zudem wird durch die Verformung der Platte bzw. die Vorsprünge und Ausbuchtungen der Innenplatte im Inneren der Hohlplatte eine turbulente Strömung erzeugt, durch die die Effizienz der Wärmeübertragung zwischen Speichermedium und zu erwärmenden Fluid erhöht wird. Bevorzugt liegt das Verhältnis der Dicken bzw. Stärken der Außenplatte zur Innenplatte zwischen 1: 1,5 bis 1:2,5, 1:1,8 bis 1:3 oder 1:3 bis 1:5, vorzugsweise bei oder um 1:2, 1:3 oder bei mindestens 1:4. Beispielsweise ist die Außenplatte 1 mm dick und die Innenplatte 4 mm. Alternativ sind beide Platten gleich dick bzw. stark, so dass sich in der Innenplatte und in der Außenplatte Taschen bzw. Ausbuchtungen ergeben.
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Bevorzugt sind die zumindest zwei Platten der zumindest einen Hohlplatte mittels einer in vertikaler Richtung spiralförmig angeordneten Schweißnaht miteinander verbunden. Insbesondere bei Vorsehen einer Hohlplatte, die sich um den gesamten Umfang des Speicherbehälters herum erstreckt. D.h. nach dem Aufweiten der Platten entsteht ein spiralförmig nach oben verlaufender Kanal zwischen den Platten. Dadurch hat ein in diesem Kanal fließendes Fluid bei gleicher Fließgeschwindigkeit eine längere Verweildauer in einer Temperaturschicht bzw. im Speicherbehälter, d.h. es steht mehr Zeit für die Wärmeübertragung bzw. den Wärmetausch zur Verfügung.
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Vorzugsweise ist die Innenfläche des Speicherbehälters bzw. die Innenfläche der zumindest einen Hohlplatte, d.h. die Kontaktfläche für die Wärmeübertragung, vergrößert. Beispielsweise durch Anbringen von Wärmetauschelementen, wie z.B. Rippen, Aufbringen eines grobkörnigen metallischen Materials oder durch Aufrauen (z.B. Sandstrahlen, Schleifen) der Oberfläche. Alternativ oder zusätzlich ist die Wärmeübertragung verbessert durch das Aufbringen einer wärmeleitungsfördernden Beschichtung; beispielsweise wird mittels Flammspritzen eine Kupferbeschichtung aufgetragen.
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Besonders bevorzugt springt zumindest ein Ende bzw. oberer/unterer Boden eines vertikal ausgerichteten Speicherbehälters in den Speicherbehälter zurück und/oder ist nach innen gewölbt. Dadurch wird das Verhältnis von Wärmetauschfläche zu Speichervolumen größer, d.h. es steht pro Volumen eine größere Wärmeübertragungsfläche zur Verfügung.
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Gemäß Anspruch 6 weist eine Speichereinrichtung gemäß einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung einen Speicherbehälter mit einem durch Wände begrenzten Speichervolumen zur Aufnahme eines Wärmespeichermediums auf. Beispielsweise einen wie oben beschriebener Speicherbehälter. Im Speicherbehälter bzw. im Speicherbehältervolumen ist ein Rohrelement vertikal oder im Wesentlichen vertikal angeordnet, d.h. die Längsachse des Rohrelements ist in einer Betriebsposition des Speicherbehälters vertikal im Speicherbehälter ausgerichtet. Ein Rohrelement kann z.B. einen runden, ovalen oder eckigen Querschnitt haben und ist an seinen Enden offen, beispielsweise ein zylindrisches Rohr mit offenen Enden. Das Rohrelement liegt beabstandet zum Speicherbehälter. D.h. zwischen dem Rohrelement (d.h. seiner Seitenfläche und seinen Enden) und dem Speicherbehälter bzw. den Innenflächen des Speicherbehälters besteht ein Freiraum. Dabei ist die Höhe des Rohrelements größer gleich 70% der Innenhöhe des Speicherbehälters und zusätzlich oder alternativ der Querschnitt des Rohrelements größer gleich 80% des Innenquerschnitts des Speicherbehälters. Das Rohrelement ist also nahe an die Innenflächen des Speicherbehälters herangeführt, so dass im Behältervolumen ein schmaler Spalt bzw. Freiraum zwischen dem Rohrelement und der Innenfläche des Speicherbehälters entsteht, durch den ein Wärmespeichermedium fließen bzw. strömen kann.
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Das vertikal ausgerichtete Rohrelement teilt das Speicherbehältervolumen im Wesentlichen in einen Innenbereich (innerhalb des Rohrelements) und einen Außenbereich (außerhalb des Rohrelements bzw. Zwischenraum oder Spalt zwischen Rohrelement und Behälterwand). So wird im Betrieb der Speichereinrichtung eine Temperaturschichtung im Innenbereich des Behältervolumens vor einer Strömung oder Verwirbelung geschützt, die im Außenbereich des Behältervolumens auftreten kann. Eine solche Strömung kann beispielsweise durch das Einleiten eines Wärmespeichermediums auftreten oder durch das Abkühlen des Wärmespeichermediums im äußeren Bereich nahe der Behälterwand, z.B. durch einen am Umfang des Speicherbehälters angeordneten Wärmetauscher oder einem im Zwischenraum zwischen Rohrelement und Behälterwand angeordneten Wärmetauscher. Durch das Vorsehen eines wie oben beschriebenen vertikalen Rohrelements im Speicherbehälter wird eine Temperaturschichtung im zentralen Bereich des Speicherbehälters bzw. Innenbereich des Rohrelements geschützt. Da aufgrund der Abmessungen des Rohrelements der größere bzw. größte Teil des Speichervolumens innerhalb des Rohrelements liegt, wird der größte Teil des Speichervolumens und damit der größte Teil der in einer Temperaturschichtung gespeicherten Wärmeenergie geschützt. Damit wird eine einfach und kostengünstig herstellbare Speichereinrichtung mit effizienter Wärmespeicherung bereitgestellt.
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Besonders bevorzugt ist die Rohrelementhöhe größer gleich 80%, vorzugsweise größer gleich 90%, besonders bevorzugt größer gleich 94%, der Innenhöhe des Speicherbehälters und/oder der Rohrelementquerschnitt größer gleich 84%, vorzugsweise größer gleich 87%, besonders bevorzugt größer gleich 89% des Innenquerschnitts des Speicherbehälters. Beispielsweise weist ein zylinderförmiger Speicherbehälter einen Durchmesser von etwa 470 mm und eine Höhe von etwa 2000 mm auf und ein zylinderförmiges Rohrelement eine Höhe von etwa 1880 mm und einen Durchmesser von etwa 420 mm auf, so dass sich ein Ringspalt von etwa 25 mm zwischen den Seitenwänden des Rohrelements und der Behälterinnenwand und ein Abstand von jeweils etwa 60 mm zwischen den Enden des Rohrelements und der Behälterinnenwand ergibt.
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Bei Vorsehen eines wie oben beschriebenen Speicherbehälters, dessen Wände zumindest teilweise aus zumindest einer Hohlplatte ausgebildet sind, die Auswölbungen an der Innenfläche des Behälters aufweist, entspricht der Innendurchmesser des Speicherbehälters dem minimalen Innendurchmesser des Speicherbehälters.
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Vorzugsweise ist das Rohrelement aus einem schlecht wärmeleitenden Material hergestellt, wie z.B. Kunststoff. Ein Wärmeaustausch und eine dadurch entstehende Strömung zwischen dem im Rohrelement liegenden Innenbereich und dem außerhalb des Rohrelements bzw. im Zwischenraum liegenden Außenbereich wird durch die schlechte Wärmeleitung des Rohrelements verhindert bzw. vermieden. D.h. im Speichervolumen wird durch das Rohrelement die Temperaturschichtung im Innenbereich vom Außenbereich isoliert.
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Besonders bevorzugt weist das Rohrelement eine geschlossene Mantelfläche auf bzw. das Rohrelement weist keine Öffnungen in seiner Mantelfläche auf. D.h. das Rohrelement bildet im Speichervolumen des Speicherbehälters eine (vertikale) Grenzfläche für die vertikale Temperaturschichtung. Es können jedoch Öffnungen ausgebildet sein, die vorzugsweise durch Elemente ausgefüllt sind oder durch die Elemente geführt sind, die zur angrenzenden Wand des Rohrelements abgedichtet sind, so dass kein Medium durch diese ggf. vorhandenen Öffnungen fließt. Beispielsweise sind Messfühler (wie Temperaturfühler) abgedichtet durch die Mantelfläche geführt, um Messdaten vom Medium im Mantelinneren aufzunehmen.
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Vorzugsweise ist im Speicherbehälter ein Verteilerelement angeordnet, um ein in den Speicherbehälter bzw. in das Speichervolumen eintretendes Speichermedium oder ein im Speicherbehälter strömendes Speichermedium je nach Bedarf im Speichervolumen zu verteilen bzw. zu leiten. Z.B. zum Leiten eines in den Speicherbehälter eintretenden Speichermediums oder eines im Speicherbehälter strömenden Speichermediums zu den Wänden des Speicherbehälters, und zusätzlich oder alternativ zum gleichmäßigen oder im Wesentlichen gleichmäßigen Verteilen des Speichermediums über den Querschnitt des Speicherbehälters, vorzugsweise zum Leiten eines Speichermediums in den Zwischenraum zwischen den Wänden des Speicherbehälters und dem Rohrelement. Bevorzugt ist das Verteilerelement zwischen einem oberen Ende bzw. Boden des Speicherbehälters und dem vertikalen Rohrelement angeordnet, insbesondere vor einer Einleitöffnung für ein Speichermedium in den Speicherbehälter.
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Bevorzugt weist das Verteilerelement eine Vielzahl von verschließbaren Durchlässen auf, wie z.B. Löcher und/oder Schlitze, so dass ein Speichermedium im Speicherbehälter in der oben beschriebenen Weise im Speicherbehältervolumen verteilt bzw. geleitet werden kann. Beispielsweise ist das Verteilerelement zwischen einer Eintrittsöffnung im Speicherbehälter für eine Wärmespeichermedium und dem oberen Ende des Rohrelements angeordnet, wobei zur gleichmäßigen Verteilung eines in den Speicherbehälter eintretenden Speichermediums die Vielzahl von Durchlässen, die vorzugsweise gleichmäßig über die Fläche des Verteilerelements bzw. den Querschnitt des Speicherbehälters verteilt sind, geöffnet sind. Um ein Speichermedium zu den Wänden bzw. dem Zwischenraum des Speicherbehälters zu leiten können beispielsweise alle Durchlässe des Verteilerelements geschlossen werden oder nur der Teil der Durchlässe, die über dem Innenbereich des Rohrelements bzw. über dem Querschnitt des Rohrelements angeordnet sind.
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Vorzugsweise weist das Verteilerelement zumindest eine Verteilerplatte auf und die Vielzahl der Durchlässe ist spiralförmig in der Platte angeordnet. Beispielsweise spiralförmig angeordnete Löcher und/oder spiralförmig ausgebildete Schlitze. Besonders bevorzugt ist eine Vielzahl von Leitstrukturen spiralförmig an bzw. auf der zumindest einen Verteilerplatte angeordnet. Ein entlang der Leitstrukturen, wie z.B. Leitbleche, nach außen in den Zwischenraum strömendes Speichermedium erhält durch die spiralförmige Anordnung einen Drehimpuls, die eine Wärmeübertragung im Zwischenraum (außerhalb des Rohrelements) verbessert.
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In Ausgestaltung ist der Querschnitt zumindest eines Teils der Durchlässe bzw. Öffnungen verstellbar. Die Einstellung des Querschnitts kann beispielsweise durch einen im Behälter angeordneten Aktuator erfolgen, vorzugsweise durch einen selbsttätig wirkenden und/oder einen ohne Einwirkung von Außen wirkenden Aktuator. Beispielsweise werden querschnittsverändernde Elemente durch eine Bimetall-Vorrichtung temperaturabhängig vor die Durchlässe geschwenkt oder von diesen entfernt.
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Anstelle einer Verteilerplatte kann das in den Speicherbehälter zuzuführende Wärmemedium auch durch zumindest eine Öffnung oder einen Anschluss im oberen Bereich des Behälters so zugeführt werden, dass das heiße oder warme Medium in Richtung Innenseite der Decke des Behälters zugeführt wird. Beispielsweise ist ein oder sind mehrere Rohre vertikal von oben durch die Behälterdecke nach innen geführt und im Inneren des Behälters U-förmig nach oben gebogen, so dass die Rohröffnung das einströmende Wärmemedium in Richtung Decke leitet. Bei dieser Betriebsart verteilt sich das zugeführte Medium an der Decke des Behälters bzw. im obersten Behälterbereich ohne die Temperaturschichtung im Behälter zu verwirbeln und verdrängt das kältere Medium idealerweise ohne Verwirbelungen nach unten.
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Nachfolgend werden beispielhaft verschiedene Betriebsarten der Speichereinrichtung beschrieben, die beispielsweise bei einer Trinkwasser-/ Betriebswasseraufbereitungsanlage auftreten, die eine wie oben beschriebene Speichereinrichtung zum Speichern und/oder Übertragen von Wärme aufweist.
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Bei Betriebsbeginn ist das Speichervolumen der Speichereinrichtung, insbesondere der Innenbereich des Rohrelements, noch nicht oder im Wesentlichen noch nicht mit ausreichend thermischer Energie für eine effektive Wärmeübertragung auf ein zu erwärmendes Fluid beaufschlagt. Beschrieben ist der beispielhafte Betrieb bei einer Speichereinrichtung ohne Verteilerelement. In diesem Fall kann das von einer Wärmequelle kommende warme oder heiße Wärmespeichermedium zunächst in den (schmalen) Zwischenraum zwischen Rohrelement und Speicherwand geleitet werden. Wenn beispielsweise ein Wärmetauscher in diesem Zwischenraum oder an diesen Zwischenraum angrenzend (z.B. eine Hohlplatte wie oben beschrieben) vorgesehen ist, kann ein im Wärmetauscher (oder der Hohlplatte) fließendes Fluid durch das in den Zwischenraum eingeleitete (heiße) Wärmespeichermedium schnell erwärmt werden. D.h. zum Erwärmen eines im Wärmetauscher aufgenommenen Fluids ist es nicht notwendig das gesamte Speichervolumen bzw. das Speichermedium im (größeren) Innenbereich des Speicherbehälters zu erwärmen. So kann bereits bei Betriebsbeginn die von einer Wärmequelle erzeugte thermische Energie ohne oder nahezu ohne Anlauflaufzeit effektiv auf ein zu erwärmendes Fluid übertragen werden.
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Eine weitere Betriebsart betrifft den Fall der Wärmespeicherung aus einer Wärmequelle ohne dass aus der Speichereinrichtung Wärme entnommen wird, d.h. Wärmespeicherung ohne Wärmeentnahme. In diesem Fall kann das Verteilerelement so eingestellt werden, dass ein Wärmespeichermedium über den gesamten Querschnitt oder im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt geleitet bzw. verteilt wird. D.h. das warme Speichermedium wird dem Speicherbehälter bzw. Speichervolumen von oben zugeführt und sinkt langsam nach unten, wobei gleichzeitig das kalte bzw. kältere Speichermedium aus dem unteren Bereich des Speichervolumens ausgeleitet bzw. abgepumpt wird. So wird der gesamte Speicherbehälter bzw. das Speichervolumen mit thermischer Energie beladen und es bildet sich eine wie oben beschriebene Temperaturschichtung aus.
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Die nachfolgend beschriebene Betriebsart betrifft eine mit Wärme voll oder im Wesentlichen voll beladene Speichereinrichtung (d.h. ausreichend beladen für einen effektiven Wärmeaustausch) bei der eine Wärmeübertragung auf ein zu erwärmendes Fluid stattfindet aber keine Wärmezufuhr über ein Wärmespeichermedium in den Speicherbehälter erfolgt, d.h. Wärmeentnahme ohne Wärmespeicherung. Beim Wärmeaustausch bzw. bei der Wärmeübertragung über einen wie oben beschriebenen Wärmetauscher im oder am Zwischenraum zwischen Rohrelement und Speicherwand, sinkt das sich abkühlende Speichermedium im Zwischenraum nach unten bis zum unteren Ende des (vertikalen) Rohrelements und wird dann (durch die nachfolgenden nach unten sinkenden Schichten) von unten in den Innenbereich des Rohrelements gedrückt. Dadurch wird das Speichermedium (d.h. die ausgebildete Temperaturschichtung) im Inneren des Rohrelements nach oben geschoben. Durch das nach oben Schieben der Schichten in Innenbereich des Speichervolumens werden wiederum die am oberen Ende des Speicherbehälters bzw. des Rohrelements liegenden wärmeren Schichten über den oberen Rand bzw. das obere Ende des Rohrelements gedrückt und durch das Verteilerelement in den Zwischenraum zwischen Rohrelement und Speicherwand geleitet. D.h. durch die Wärmeentnahme aus dem Speicherbehälter entsteht eine Zirkulation im Speicherbehältervolumen durch den der Zwischenraum zwischen Rohrelement und Speicherwand (in dem eine Wärmeübertragung auf ein zu erwärmendes Fluid stattfindet) stetig mit warmen bzw. heißem Wärmespeichermedium aus einem zentralen Bereich des Speicherbehälters (d.h. dem Rohrelementinneren) versorgt wird. D.h. die Umwälzung des Speichermediums im Speichervolumen erfolgt selbsttätig durch die Wärmeentnahme, ohne dass z.B. eine Pumpe notwendig wäre.
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Vorzugsweise ist zur Erhöhung der Wärmespeicherung im Speicherbehälter zusätzlich zum oben beschriebenen Wärmespeichermedium ein weiteres Speichermedium angeordnet, das ein Material mit Phasenwechsel (Latentwärmespeicher oder ‚Phase Change Material‘ (PCM)) aufweist. D.h. bei einen Übergang von fest nach flüssig oder umgekehrt wird vom Material Wärmeenergie gespeichert bzw. freigegeben. Vorzugsweise ist das weitere Speichermedium plattenförmig ausgebildet oder bildet konzentrische Röhren, wobei das weitere Speichermedium im Speicherbehälter bzw. Speichervolumen so angeordnet ist, dass es die oben beschriebenen thermischen Strömungen im Speichervolumen nicht behindert. Das Material mit Phasenwechsel ist dabei in dem oben beschrieben ersten Speichermedium nicht lösbar bzw. das Material ist mit einer gut Wärme leitenden Hülle versehen. Beispiele für ein solche Materialien sind Paraffin oder Salzhydrate, die einen Phasenwechsel in einem Temperaturbereich zwischen 40 bis 80 °C aufweisen.
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Bevorzugt ist ein Leitrohr mit einer Vielzahl von Durchlässen in seinem Umfang vertikal oder im Wesentlichen vertikal im Speicherbehälter angeordnet, insbesondere koaxial oder im Wesentlichen koaxial zum Rohrelement bzw. zur vertikalen Längsachse des Speicherbehälters. Wenn ein von einer Wärmequelle kommendes Wärmespeichermedium eine geringere Temperatur aufweist als die oberste, d.h. die wärmste, Temperaturschicht des Speichermediums im Speicherbehälter, wird das Speichermedium von oben in das Leitrohr eingeleitet, insbesondere durch das Verteilerelement. Beispielsweise durch eine über dem Leitrohr angeordnete verschließbare Öffnung im Verteilerelement. Das von der Wärmequelle kommende Speichermedium kann im Leitrohr bis zu einer Temperaturschicht sinken, die seiner Temperatur entspricht, und dann durch ein oder mehrere der Vielzahl der Durchlässe im Umfang des Leitrohrs in diese (passende) Schicht austreten. Dadurch wird verhindert, dass im Verwirbelungen im Speichervolumen auftreten.
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Bevorzugt werden die verschiedenen Betriebsarten der Speicheinrichtung, insbesondere die verschiedenen Einstellungen des Verteilerelements, über eine Steuereinrichtung gesteuert, insbesondere über die Steuereinrichtung einer Trinkwasser-/ Betriebswasseraufbereitungsanlage. Alternativ oder zusätzlich wird das Verteilerelement selbsttätig durch einen selbsttätigen Aktuator eingestellt. Beispielsweise weist der Aktuator ein oder mehrere Bimetallelemente auf, die temperaturabhängig das Verteilerelement ohne Einwirkung von Außen oder ohne Steuereinrichtung verstellen. Beispielsweise kann das Verteilerelement mittels einer Bimetallvorrichtung verdreht werden.
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Eine besonders vorteilhafte und energieerhaltende Ausgestaltung einer Speichereinrichtung ergibt sich, wenn die Speichereinrichtung der ersten Ausführungsform (Anspruch 1) in jeder ihrer Ausgestaltungen mit einem, mehreren oder allen Ausgestaltungselementen der zweiten Ausführungsform (Anspruch 2) kombiniert ist. Also eine Speichereinrichtung mit zumindest einer Hohlplatte als Wandelement mit einem im Speicherbehälter angeordneten Rohrelement. Dabei können die oben beschriebenen verschiedenen Ausgestaltungen und einzelnen Merkmale der Speichereinrichtungen auf beliebige Weise miteinander kombiniert werden.
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Anhand von Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
- 1: eine Brauchwasseraufbereitungsanlage,
- Fig, 2: einen Längsschnitt durch einen Wärmespeicher gemäß einer ersten Ausgestaltung,.
- 3: die Strömungsverhältnisse im Wärmespeicher von 2 bei gleichzeitiger Wärmezufuhr und -abgabe,
- 4: die Strömungsverhältnisse im Wärmespeicher von 2 bei Wärmezufuhr,
- 5: die Strömungsverhältnisse im Wärmespeicher von 2 bei Wärmeentnahme,
- 6: eine Draufsicht auf eine obere Platte und eine untere Platte eines Strömungsverteilers,
- 7: einen Wärmespeicher gemäß einer zweiten Ausgestaltung, und
- 8: einen Wärmespeicher gemäß einer dritten Ausgestaltung mit einem zusätzlichen Speichermedium.
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1 zeigt eine beispielhafte Brauchwasseraufbereitungsanlage. Die Brauchwasseraufbereitungsanlage besteht im Prinzip aus zwei getrennten Kreisläufen: Der Primärkreis besteht aus der eigentlichen Wärmequelle 1, in unserem Beispiel einem Solarkollektor, aus dem das erwärmte Trägermedium zu einem Wärmetauscher 3 befördert wird. Dort gibt der warme Wärmeträger die Wärme an das Brauchwasser ab. Der abgekühlte Wärmeträger wird dann mit Hilfe der Pumpe 4 über die Leitungen 2 zurück zur Wärmequelle 1 transportiert. Die Pumpe 4 läuft nur wenn die Wärmequelle 1 ausreichend viel Energie liefern kann. Es versteht sich, dass an den primären Kreislauf mehrere Wärmequellen angeschlossen sein können, die gleichzeitig oder getrennt genutzt werden. Als Wärmeträger dient Wasser, im Falle einer außenstehenden Wärmequelle enthält das Wasser ein Frostschutzmittel entsprechend ca. -20°C.
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Ein weiterer Wärmeträger, vorzugsweise normales Leitungswasser, zirkuliert in einem eigenen Kreis (Sekundärkreis): Vom Wärmetauscher 3 kommend tritt der erwärmte Wärmeträger über einen Anschluss 10 in einen Wärmespeicher 6 ein und abgekühlt aus dem Speicher 6 aus einem Ausgang 16 aus, von wo aus es zum Wärmetauscher 3 zurückgeführt wird. Zur Umwälzung des Wärmeträgers im Sekundärkreis kann eine weitere Pumpe 5 vorgesehen sein. Der Wärmespeicher 6 ist gleichzeitig als Wärmetauscher ausgebildet zur Abgabe der gespeicherten oder der momentan aus dem Sekundärkreislauf zugeführten Wärme an eine Brauchwasserversorgung - wie nachfolgend weiter beschrieben ist.
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Für die Brauchwasserversorgung wird dem Wärmespeicher 6 durch den Kaltwasseranschluss 15 kaltes Wasser zugeführt, das erwärmt durch den Warmwasseranschluss 11 entnommen wird. Für den Fall, dass nicht genügend Wärme aus dem Speicher 6 zur Verfügung steht, ist im Brauchwassernetz eine konventionelle Nachheizung 7 integriert, so dass das warme Brauchwasser schließlich am Anschluss 8 zur Verfügung steht. Zusätzlich, hier aber nicht dargestellt, kann ein weiterer Pufferbehälter vorgesehen sein, der warmes oder heißes Wärmemedium des Sekundärkreises aufnimmt, wenn der im Vergleich zum Puffer normalerweise kleiner dimensionierte Wärmespeicher 6 bereits ausreichend oder vollständig mit heißem Medium gefüllt ist. Erzeugt die Wärmequelle 1 dann weniger Wärme als vom Speicher 6 abgerufen wird, kann diese aus dem Puffer abgerufen werden.
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2 zeigt den Längsschnitt durch den Wärmespeicher 6 gemäß einer ersten Ausgestaltung. Dieser wird aus einem zylindrischen Behälter mit doppelwandigen Behälterseitenwänden 13 gebildet, der an beiden Enden durch zwei vorzugsweise nach innen gewölbte Böden verschlossen ist. Der doppelwandige Mantel fungiert als ein Wärmetauscher: Durch den Zwischenraum bzw. Hohlraum der Wand 13 wird über den Eintritt 15 und den Austritt 11 das zu erwärmende Brauchwasser geleitet, das unter dem Druck des Trinkwassernetzes steht, und deshalb keine Pumpe benötigt. Die Behälterwand 13 wird vorzugsweise in einer Sandwich-Bauweise als Hohlplatte ausgebildet, die ausgezeichnete Festigkeits- und Wärmetauscheigenschaften bei relativ kleinem Gewicht ermöglicht. Als Material wird vorzugsweise Edelstahl verwendet. Die Innenwand bildet Ausbuchtungen, die die Oberfläche vergrößern und so die Wärmeübertragung begünstigen. Die innere Struktur der Wand 13 bewirkt zudem eine turbulente Strömung des Mediums, die den Wärmeaustausch noch effektiver macht.
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Um die Wärmeübertragung zusätzlich zu begünstigen, wird mindestens eine Oberfläche des Innenblechs der Behälterwand zusätzlich vergrößert, vorzugsweise durch Sandstrahlen, oder/ und durch Beschichtung mit einer dünnen, körnigen Kupferschicht. Die Behälter-Böden sind vorzugsweise nach innen gewölbt, um das Verhältnis Oberfläche zu Volumen des Speichers zu Gunsten der Oberfläche zu vergrößern. In den Böden sind die Anschlüsse 10 und 16 für den Ein- bzw. Austritt des Wärmeträgers des Sekundärkreises (s. 1). In den Strömungsweg unter dem Eintrittsanschluss 10 ist ein Strömungsverteiler 12 angebracht, der den einströmenden Wärmeträger über den Querschnitt des Behälters leitet bzw. verteilt. In dem Innenraum des Behälters befindet sich außerdem ein offener Zylinder 14, vorzugsweise aus einem schlechten Wärmeleiter wie Kunststoff oder einem geschlossen-porigen Hartschaum. Gegen Wärmeverluste ist die Anlage nach außen hin mit wirksamer thermischer Isolation verkleidet (nicht angezeichnet).
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Beim Betrieb des erfindungsmäßigen Wärmespeichers gibt es drei Möglichkeiten:
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1. Gleichzeitige Wärmezufuhr und -Entnahme - siehe Fig. 3
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Bei gleichzeitiger Wärmezufuhr von der Quelle und dem Bedarf an warmem Brauchwasser funktioniert der erfindungsmäßige Wärmespeicher de facto wie ein Wärmetauscher: Der verstellbare Strömungsverteiler 12 ist so eingestellt, dass der über den Anschluss 10 kommende heiße Wärmeträger nur zu den Wänden des Behälters geleitet wird, außerhalb des Zylinders 14, und fließt, wie die punktierten Linien mit Pfeilen andeuten, zwischen der Behälter- und der Zylinderwand nach unten, wo er, abgekühlt, über den Anschluss 16 austritt. Das kalte Brauchwasser tritt über den Anschluss 15 in den Zwischenraum bzw. Hohlraum der Behälterwand 13 ein, strömt entgegengesetzt zu dem Wärmeträger in Richtung nach oben, und tritt über den Anschluss 11 wieder aus. Der überwiegende Anteil des Wärmespeichermediums befindet sich in dem Innenraum des Zylinders 14 und nimmt an dem Wärmeaustausch kaum teil, unabhängig von seiner momentanen Temperatur. Diese Funktionsweise hat den Vorteil, dass die Anlage schnell warmes Wasser auch am Anfang eines Arbeitszyklus liefern kann, wenn der Inhalt des Speichers noch kalt oder nur mäßig warm ist, die Wärmequelle (Sonne) aber bereits genug Wärme liefert. Es muss nicht erst das gesamte Volumen des Speichers 6 zeitraubend aufgewärmt werden.
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2. Wärmezufuhr ohne Wärmeentnahme - siehe Fig. 4
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Liefert die Wärmequelle genügend Wärmeenergie, während gleichzeitig keine Entnahme des warmen Brachwassers erfolgt, wird die Wärme gespeichert. Dafür wird der Strömungsverteiler 12 in dem Speicher so umgestellt, dass der über den Anschluss 10 zufließende, warme Wärmeträger gleichmäßig über den ganzen Behälterquerschnitt verteilt und langsam und wirbelfrei nach unten gedrückt wird, wie in der 4 durch die Punktlinien mit Pfeilen dargestellt. Dadurch kommt es nur zu einer geringen Durchmischung des ankommenden, heißen Wärmeträgers mit dem kalten Behälterinhalt. Aus dem unteren Bereich des Speichers wird der kalte Wärmeträger über den Anschluss 16 und die Pumpe 5 (s. auch 1) der Wärmequelle 1 zugeführt. Auf diese Weise steigt die Temperatur des gespeicherten Wasservolumens an und die so aufgenommene Wärmeenergie kann mehrere Tage gespeichert werden. Die Wärmeverluste sind dabei nur von der Außenisolation des Behälters abhängig. Die Wärmegewinnung und Speicherung erfolgt effektiver und schneller als bei dem bekannten Stand der Technik, da aufgrund der geringen Durchmischung des warmen und kalten Wärmeträgers in dem Speicher die Schichtung und die Temperaturdifferenzen lange erhalten bleiben, so dass die Nutzung der Wärmequelle, und die Wärmeaufnahme in dem Speicher sehr effektiv verlaufen.
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3. Wärmeentnahme ohne Wärmezufuhr - siehe Fig. 5
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Bei der Wärmeentnahme ohne gleichzeitige Wärmezufuhr tritt das kalte Brauchwasser durch den Anschluss 15 in den Zwischenraum bzw. Hohlraum des doppelwandigen Behältermantels ein, steigt nach oben und tritt aus der Öffnung bzw. dem Anschluss 11 wieder aus. Dabei erwärmt sich das Brauchwasser durch den heißen Inhalt des Speichers. In dem Behältervolumen wird das Speichermedium, das sich zwischen dem Innenzylinder 14 und dem Mantel befindet, bei der Wärmeübertragung abgekühlt. Das kalte Speicherwasser hat höhere Dichte, sinkt zum Boden und drückt das leichtere Warmwasser in dem Innenzylinder 14 nach oben, wo es von dem Strömungsverteiler 12 nach unten in den Zwischenraum bzw. Spalt zwischen den Zylinder 14 und die Behälterwand geleitet wird, wie die punktierten Kurven mit den Pfeilen andeuten. Dabei erteilen die an der Unterseite des Strömungsverteilers 12 angebrachten Leitbleche 17 (6) dem sinkenden Wasser einen leichten Drehimpuls. Durch dieses Verfahren fungiert der Wärmespeicher wie ein wirksamer Wärmetauscher, wobei das abgekühlte Speicherwasser überwiegend in dem Innenzylinder angehäuft wird und dem Wärmeaustausch stetig frisches Warmwasser von der Zylinderoberseite zugeführt wird.
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Die 6 zeigt eine mögliche Ausführung des Strömungsverteilers 12. Dieser besteht aus zwei eng aneinander liegenden Scheiben 12A, 12B, deren Durchmesser etwas größer als derjenige des Innenzylinders 14 ist. Die obere Scheibe 12A trägt an der Oberseite eine Anzahl gebogener Leitleisten bzw. Leitbleche 17 und ist mit Löchern 18 durchsetzt, deren Durchmesser vorzugsweise mit der Entfernung vom Zentrum kontinuierlich zunimmt. Die untere Scheibe 12B besitzt identisch angeordnete Löcher 19 wie die obere Scheibe 12A, die allerdings etwas größer im Durchmesser sind. Anstatt der einzelnen Löcher kann die Scheibe mit langen Schlitzöffnungen versehen werden. An der Unterseite der Scheibe 12B befinden sich Leitleisten wie an der oberen Scheibe.
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Funktion: Die beiden Scheiben 12A, 12B sind in der Mitte verbunden und um einen bestimmten Winkel gegeneinander drehbar. Wird dem Speicher nur Wärme zugeführt, ohne gleichzeitiger Wärmeentnahme, sind die Scheiben so angeordnet, dass ihre Löcher übereinander stehen. Dadurch wird das zugeführte Warmwasser gleichmäßig über den ganzen Querschnitt des Speichers verteilt und nach unten gedrückt, begünstigt durch die gleichzeitige Kaltwasserentnahme über den Anschluss 16 von der Pumpe 5, wie bei der Beschreibung der 1 und 4 erklärt. Wird dagegen dem Speicher Wärme entnommen und gleichzeitig zugeführt, werden die Scheiben des Strömungsverteilers 12 gegeneinander so verdreht, dass die Löcher 18, 19 verschlossen bleiben. Das zugeführte Warmwasser strömt dann in Richtung Außenwand, wie bei der Erläuterung der 3 beschrieben. Die Bewegung der beiden gegeneinander bzw. die Drehung nur einer der Scheiben wird vorzugsweise mit einem Bimetall-Aktuator bewerkstelligt.
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In hier nicht dargestellter Ausgestaltung ist der Strömungsverteiler 12 weggelassen und stattdessen ist das Einleitungsrohr des Anschlusses 10 (vgl. z.B. 2) durch den oberen Boden bzw. die Decke des Speichers 6 hindurchgeführt. Im Inneren des Behälters ist der Rohrstutzen dann U-förmig oder Schwanenhals-förmig nach oben gebogen und richtet die Strömung des zugeführten warmen Wärmemediums gegen die Decke bzw. den oberen Bereich des Speichers. Dort kann sich das zugeführte warme Medium flächig horizontal ausbreiten und das vorhandene kältere Medium ohne Wirbelbildung nach unten in Richtung Auslass 16 verdrängen.
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7 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Wärmespeicher gemäß einer zweiten Ausgestaltung. Er besteht aus einem doppelwandigen Behälter wie unter 2 bis 5 beschrieben, zusätzlich befindet sich in dem Zentralzylinder 14 ein Leitrohr 21, das mit zahlreichen Öffnungen 22 versehen ist. Unterhalb des Eintrittsanschlusses 10 befindet sich außerdem in dem Strömungsverteiler 12 die verschließbare Öffnung 20.
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Beim praktischen Betrieb der Anlage ist mit schwankenden Temperaturen des ankommenden Wärmeträgers zu rechnen. Fällt seine Temperatur unter den Wert des oberen Speicherbereiches, wird die Öffnung 20 freigegeben, der kühlere Wärmeträger sinkt aufgrund seiner höheren Dichte in dem Leitrohr 21 bis auf sein Dichteniveau und tritt dort aus den Öffnungen 22 in den Speicherbehälter über. Damit kann die Wärmequelle in einem breiteren Temperaturbereich genutzt werden ohne den Temperaturgradienten in dem Speicher zu zerstören.
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Eine weitere Maßnahme zur Erhaltung des Temperaturgradienten bei schwankender Wärmezufuhr ist die Steuerung des Wärmeträgerflusses: Die transportierte Wärmemenge ist ein Produkt aus der Temperatur und dem Durchfluss des Wärmeträgers. Wenn die Wärmequelle weniger Energie liefert, wird der Fluss des Wärmeträgers so reduziert, dass seine Temperatur nicht unter die des oberen Speicherbereiches absinkt.
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8 zeigt einen Wärmespeicher 6 gemäß einer dritten Ausgestaltung, der zusätzlich zu den Elementen eines Speicherbehälters wie in 2 bis 6 beschrieben zur Erhöhung der Speicherkapazität in dem Behälter ein zweites Speichermedium 23 angeordnet ist. Es handelt sich dabei um ein Material mit Phasenwechsel (PCM; Phasenwechsel: Fest/flüssig) in einem Temperaturbereich zwischen ca. 40 und 80°C, das vorzugsweise in Plattenform oder als konzentrische Röhren in dem Speicher so angeordnet sind, dass sie die in 3 - 5 beschriebenen thermischen Strömungen nicht behindern. Das PCM ist dabei in dem Speichermedium nicht lösbar bzw. mit einer gut Wärme leitenden Hülle versehen. Die unter 7 und 8 beschriebenen Maßnahmen ermöglichen eine effizientere Nutzung der Wärmequelle auch bei niederen Temperaturen, eine effektivere Ausnutzung auch geringer Temperaturdifferenzen innerhalb des Speichers und eine höhere Volumen bezogene Wärmespeicherkapazität als die heutigen, bekannten Lösungen auf diesem Gebiet. In weiterer Ausgestaltung ist das Speichermedium 23 als stabförmige Elemente verteilt über den Querschnitt im Zylinderinneren angeordnet, wobei sich die stabförmigen Elemente parallel oder im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Wärmespeichers 6 erstrecken. Beispielsweise erstrecken sich räumlich verteilt mehrere unten geschlossene und oben offene Rohre von der Decke bzw. dem oberen Boden des Speichers 6 etwa bis zur Hälfte oder bis zum mittleren Bereich des Speichers. Die Rohre sind mit dem PCM-Medium gefüllt und oben (in Höhe der Behälterdecke) verschlossen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmequelle
- 2
- Leitungen
- 3
- Wärmetauscher
- 4
- Pumpe
- 5
- Pumpe
- 6
- Wärmespeicher/-tauscher
- 7
- Warmwassernetz
- 8
- Brauchwasserausgang
- 10
- Eintrittsanschluss Wärmeträger, Anschluss
- 11
- Austrittsanschluss Brauchwasser, Austritt, Anschluss, Warmwasseranschluss
- 12
- Strömungsverteiler
- 13
- Behälterseitenwand, Wand, Behälterwand, Hohlplatte
- 14
- offener Zylinder, Innenzylinder, Zylinder, Zentralzylinder
- 15
- Eintrittsanschluss Brauchwasser, Anschluss
- 16
- Austrittsanschluss Wärmeträger, Ausgang, Anschluss
- 17
- Leitbleche
- 18
- Löcher obere Scheibe
- 19
- Löcher untere Scheibe
- 20
- verschließbare Öffnung
- 21
- Leitrohr
- 22
- Öffnung
- 23
- zweites Speichermedium
- 12A
- obere Scheibe
- 12B
- untere Scheibe
