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Die Erfindung betrifft einen Schichtspeicher, insbesondere für eine solarthermisch unterstützte Heizungsanlage, der mit einer als Wärmespeichermedium dienenden Flüssigkeit befüllbar ist und der durch zwei vertikal beabstandete Zwischenböden in eine untere Kammer, eine mittlere Kammer und eine obere Kammer unterteilt ist, wobei eine erste Wärmetauschereinheit in der unteren Kammer angeordnet ist und eine zweite Wärmetauschereinheit in zumindest der oberen Kammer angeordnet ist, und wobei die mittlere Kammer und die untere Kammer jeweils eine Zuführung und eine Rückführung für die Flüssigkeit aufweisen und die untere Kammer mit der mittleren Kammer hydraulisch verbunden ist und die mittlere Kammer mit der oberen Kammer hydraulisch verbunden ist.
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Schichtspeicher dienen als Wärmespeicher für Heizungs- und Warmwasseranlagen. Sie sind typischerweise in etwa zylinderförmig aufgebaut, wobei die Höhe des Zylinders seinen Durchmesser deutlich übersteigt, so dass sich im Inneren eine vertikale Schichtung der als Wärmespeichermedium dienenden Flüssigkeit einstellt, bei der die Temperatur der Flüssigkeit von unten nach oben ansteigt. Der vertikale Temperaturgradient im Schichtspeicher ermöglicht eine Ankopplung an verschiedene Wärmequellen (Therme mit Gas- oder Ölbrenner, Luft- oder Erdreichwärmepumpe, Solarthermieanlage) und Wärmesenken (Verbraucher, beispielsweise Heizkreislauf, Brauchwassererwärmung, Abtauzyklus einer Luftwärmepumpe) auf unterschiedlichen Temperaturniveaus.
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Zur Anbindung an die Wärmequellen oder -senken dienen die Flüssigkeitszuführungen und die Flüssigkeitsrückführungen des Schichtspeichers, falls die entsprechende Wärmequelle oder -senke unmittelbar oder über einen externen Wärmetauscher mit der Flüssigkeit, mit der auch der Schichtspeicher befüllt ist, betrieben wird. Dieses ist beispielsweise bei einer Gas- oder Öltherme der Fall und, indirekt über einen externen Wärmetauscher, bei einer Wärmepumpe.
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Wärmequellen oder -senken, die mit einer anderen Flüssigkeit als der im Schichtspeicher betrieben werden, sind über die im Schichtspeicher angeordneten Wärmetauscher mit diesem verbunden, beispielsweise die Solarthermieanlage und die Brauchwassererwärmung.
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Beim Ein- und Ausströmen von Flüssigkeit in den Schichtspeicher können Verwirbelungen der Flüssigkeit auftreten, die zu einer Mischung von unterschiedlich temperierter Flüssigkeit führt. Um diese möglichst gering zu halten, ist aus der Druckschrift
DE 27 12 822 A1 bekannt, einen Zwischenboden in dem Schichtspeicher anzuordnen, der den Schichtspeicher in verschiedene Kammern, die mit unterschiedlichen Temperaturbereichen assoziiert sind, unterteilt. Der Zwischenboden weist dabei Durchströmöffnungen auf, um einen Flüssigkeitsaustausch zwischen benachbarten Kammern zu ermöglichen. Die Durchströmöffnungen können mit Auf- oder Abströmrohren versehen sein, um eine günstige Strömungsführung zu erreichen und eine Abgrenzung der verschiedenen Temperaturbereiche zu unterstützen.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 030 943 A1 beschreibt einen Schichtspeicher mit zwei vertikal beabstandeten Zwischenböden, die den Schichtspeicher in drei verschiedene Kammern unterteilten, wobei die Zwischenböden Öffnungen aufweisen, um einen Flüssigkeitsaustausch zwischen benachbarten Kammern zu ermöglichen. Es entstehen eine untere Kammer, eine mittlere Kammer und eine obere Kammer, wobei üblicherweise die Solarthermieanlage ihre Wärme an die untere Kammer abgibt, die Brauchwassererwärmung ihren Wärmebedarf aus der oberen Kammer deckt und die mittlere Kammer entweder mit einem Heizkreis verbunden ist, um die von der Solarthermieanlage gelieferte Wärme einem Heizkreis zuzuführen oder mit einer Luftwärmepumpe verbunden ist, um dieser gegebenenfalls Wärme für einen Auftauzyklus zuzuführen. Durch die Zwischenböden wird von der Solarthermie gelieferte Wärme folglich nahezu ausschließlich der unmittelbar der unteren Kammer benachbarten mittleren Kammer zugeführt. Bei hoher Sonneneinstrahlung ist die Solarthermieanlage jedoch in der Lage, Wärme auf einem Temperaturniveau zu erzeugen, das effektiver für die Brauchwassererwärmung eingesetzt werden könnte, um einen Einsatz von fossiler Energie (Öl, Gas) durch die Therme zur Erwärmung der oberen Kammer auf eine zur Brauchwassererwärmung ausreichende Temperatur zu vermindern. In einer solchen Situation verhindern die Zwischenböden, dass von der Solarthermieanlage gelieferte Wärme ihrer effektivsten Nutzung zugeführt werden kann.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schichtspeicher zu schaffen, bei dem Verwirblungen zur Durchmischung unterschiedlich temperierter Flüssigkeiten effektiv verhindert sind und der gleichzeitig eine effektive Nutzung der in die untere Kammer des Schichtspeichers eingebrachten Wärme ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Schichtspeicher mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1.
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Erfindungsgemäß zeichnet sich ein Schichtspeicher der eingangs genannten Art dadurch aus, dass die Zwischenböden so angeordnet oder ausgestaltet sind, dass mindestens eine zusätzliche direkte hydraulische Verbindung vorhanden ist, durch die die untere Kammer unmittelbar mit der oberen Kammer hydraulisch verbunden ist.
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Durch die zusätzliche direkte hydraulische Verbindung wird ermöglicht, dass Solarwärme, die üblicherweise in die untere Kammer eines solchen Schichtspeichers eingebracht wird, auch unmittelbar an die obere Kammer abgegeben werden kann und dort direkt, z. B. zur Brauchwassererwärmung genutzt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Schichtspeichers ist die zusätzliche direkte hydraulische Verbindung durch mindestens zwei Rohre gebildet, die durch die Zwischenböden geführt sind und die Enden aufweisen, die jeweils in der unteren Kammer und der oberen Kammer positioniert sind. Bevorzugt reicht eines der Rohre mit seinem oberen Ende nicht oder nur unwesentlich über den oberen der Zwischenböden hinaus, wohingegen sein unteres Ende deutlich unterhalb des unteren der Zwischenböden angeordnet ist. Ebenfalls bevorzugt reicht eine anderes der Rohre mit seinem unteren Ende nicht oder nur unwesentlich unter den unteren Zwischenboden hinaus, wohingegen sein oberes Ende deutlich oberhalb des oberen Zwischenbodens angeordnet ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass ein signifikanter Flüssigkeitsaustausch über die zusätzliche direkte hydraulische Verbindung nur bei solchen Temperaturniveaus in der unteren bzw. oberen Kammer einsetzt, bei denen die Wärme der unteren in die obere Kammer effektiv nutzbar ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Schichtspeichers sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von zwei Figuren näher erläutert, die einen Schichtspeicher in unterschiedlichen Schnittansichten zeigen.
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In den 1 und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Schichtspeichers dargestellt. Die Figuren sind Schnittzeichnungen, aus denen die äußere Form des Schichtspeichers, seine Anschlüsse, mit denen der Schichtspeicher mit weiteren Komponenten einer Heizungs- und Warmwasseranlage verbunden wird, sowie die im Inneren des Schichtspeichers angeordneten und üblicher Weise nicht sichtbaren Komponenten des Schichtspeichers hervorgehen. Teilweise sind die inneren Komponenten des Schichtspeichers in den Figuren ganz oder abschnittsweise ausgeblendet, um in der Zusammenschau beider Figuren den Gesamtaufbau des Schichtspeichers deutlich darstellen zu können. Im Folgenden werden die 1 und 2 daher gemeinsam erläutert.
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Der Schichtspeicher weist einen im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Grundkörper 1 auf, auf dessen offene Enden Endkappen 2 aufgesetzt sind, die bevorzugt durch eine Hartlot oder Schweißverbindung mit dem Grundkörper 1 verbunden sind. Das innere Volumen des Schichtspeichers ist gegenüber der Umgebung vollständig hermetisch abgeschlossen und nimmt beim Einsatz des Schichtspeichers in einer Heizungs- und Warmwasseranlage im Betrieb die Flüssigkeit auf, die als Wärmespeicher- und Wärmeaustauschmedium in der Anlage eingesetzt wird. Im Folgenden wird diese Flüssigkeit der einfacheren Darstellung halber als Speicherflüssigkeit bezeichnet.
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Bevor im Herstellungsprozess der Grundkörper 1 oben mit einer der Endkappen 2 verschlossen wird, wird in den Grundkörper 1 ein Einsatz eingesetzt, der die inneren Komponenten des Schichtspeichers umfasst. Dieses sind unter anderem zwei Zwischenböden 3, 4, die im mittleren Bereich des Schichtspeichers beanstandet voneinander angeordnet sind. Die Zwischenböden 3, 4 unterteilen den Schichtspeicher in drei Bereiche oder auch Kammern genannt, eine obere Kammer 10, eine mittlere Kammer 20 und eine untere Kammer 30.
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Neben den genannten Zwischenböden 3, 4 umfasst der in den Schichtspeicher eingesetzte Einsatz einen ersten Wärmetauscher 11 und einen zweiten Wärmetauscher 31. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist der zweite Wärmetauscher 31 in der 1 nicht dargestellt. 2 zeigt aus denselben Gründen den ersten Wärmetauscher nur abschnittsweise. Beide Wärmetauscher sind durch Rohrschlangen gebildet, die jeweils zwei Anschlüsse 12, 13 bzw. 32 und 33 aufweisen, die aus dem Schichtspeicher heraus geführt sind. Die Wärmetauscher 11, 31 sind gegenüber dem inneren Volumen des Schichtspeichers vollständig abgedichtet. Zur mechanischen Stützung des ersten Wärmetauschers 11 und ggf. auch des zweiten Wärmetauschers 31 und weiterer Komponenten des Einsatzes ist ein Tragegestell 9, beispielsweise aus Kunststoff, vorgesehen.
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Der dargestellte Schichtspeicher ist insbesondere zur Verwendung mit einer Solarthermieanlage geeignet. Über einen Flüssigkeitskreislauf sind dabei Solarkollektoren der Solarthermieanlage über die Anschlüsse 32 und 33 mit dem zweiten Wärmtauscher 31 verbunden. Dieser Wärmetauscher befindet sich vollständig in der unteren Kammer 30 des Schichtspeichers. Der erste Wärmetauscher 11 ist zur Brauchwassererwärmung vorgesehen. Er ist zumindest in der oberen Kammer 10 angeordnet, im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Teil des ersten Wärmetauschers 11 auch in der unteren Kammer 30 angeordnet, wobei die Rohrschlange des ersten Wärmetauschers 11 dabei ohne weitere Schleifen möglichst direkt durch die mittlere Kammer 20 geführt ist.
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Aufgrund der unterschiedlichen Dichte einer Flüssigkeit bei verschiedener Temperatur stellt sich innerhalb des Schichtspeichers im Betrieb ein Temperaturgradient ein, bei dem grundsätzlich wärmere Speicherflüssigkeit weiter oben und kältere Speicherflüssigkeit weiter unten geschichtet ist. Der zweite Wärmetauscher 31 speist somit bei möglichst geringer Temperatur der Speicherflüssigkeit ein, was eine hohe Effektivität der Solarthermieanlage ermöglicht. Brauchwasser wird dagegen auf einem relativ hohen Temperaturniveau von ca. 55°–60° benötigt, weswegen die Rohrschlangen des ersten Wärmetauschers 11 bis in den oberen Teil der oberen Kammer 10 verlegt sind, von wo das Brauchwasser sie über den oberen Anschluss 13 zu den Verbrauchsstellen geführt wird. Der in der unteren Kammer angeordnete Teil ersten Wärmetauschers 11 dient im Wesentlichen der Vorerwärmung des über den unteren Anschluss 32 zugeführten Brauchwassers über Wärme der Solarthermieanlage.
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Zum Austausch der Speicherflüssigkeit im Schichtspeicher sind in der oberen Kammer 10 des Schichtspeichers eine Zuführung 14 und eine Rückführung 15 vorgesehen. Im Inneren des Schichtspeichers sind im Bereich der Zuführung 14 und der Rückführung 15 Prallbleche 16, 17 angeordnet, die eine übermäßige Verwirblung der innerhalb des Schichtspeichers gespeicherten Speicherflüssigkeit verhindern sollen. Die Zuführung 14 und eine Rückführung 15 sind typischerweise mit einer fossil betriebenen Therme oder einer Wärmepumpe verbunden, die bei Bedarf genutzt wird, um das geforderte hohe Temperaturniveau für die Brauchwassererwärmung zu erreichen bzw. zu halten.
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Eine weitere Zuführung 24 und eine weitere Rückführung 25 der Speicherflüssigkeit ist im Bereich der mittleren Kammer 20 angeordnet. Diese Zuführung 24 und Rückführung 25 können mit einem Heizungskreislauf, beispielsweise einer Fußbodenheizung, verbunden werden, um Wärme über die Speicherflüssigkeit auf einem mittleren Temperaturniveau zum Heizen zu verwenden. Alternativ können die Zuführung 24 und Rückführung 25 mit einer Luftwärmepumpe verbunden werden, um die Speicherflüssigkeit als Wärmequelle für einen Abtauvorgang einsetzen zu können. In dem Fall wird die mittlere Kammer 20 als Pufferspeicher eingesetzt. Innerhalb einer Heizungsanlage kann vorgesehen sein, die mittlere Kammer 20 zu beiden Zwecken einzusetzen, was beispielsweise durch Dreiwegeventile o. ä. realisiert werden kann.
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Zudem befinden sich im Bereich der oberen Kammer 10 und der mittleren Kammer 20 jeweils ein Flansch oder Gewindestutzen 18 bzw. 28, in die jeweils ein elektrischer Heizstab optional eingesetzt werden kann.
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Es versteht sich, dass die Schichtung der Speicherflüssigkeit aufgrund von Dichteunterschieden nicht zwingend zu jedem Zeitpunkt gegeben ist, sondern dass diese Schichtung durch nicht Gleichgewichtszustände bei einem Einbringen oder Entnehmen von Wärmemenge aus dem Schichtspeicher oder aufgrund von Verwirbelungen beim Austausch der Speicherflüssigkeit gestört sein kann.
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Um insbesondere eine Umschichtung aufgrund von Verwirbelungen beim Zuführen und dem Rückführen der Speicherflüssigkeit durch die Zuführung 14, 24 und die Rückführung 15, 25 zu verringern, ist der Schichtenspeicher durch die Zwischenböden 3, 4 in die genannten drei Kammern 10, 20, 30 unterteilt. Die Unterteilung ist jedoch nicht der Natur, dass ein Flüssigkeitsaustausch zwischen den verschiedenen Kammern 10, 20, 30 unterbunden wäre. Vielmehr sind definierte Möglichkeiten zum Flüssigkeitsaustausch, auch hydraulische Verbindungen, zwischen den Kammern 10, 20, 30 vorgesehen.
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Ein Austausch der Speicherflüssigkeit zwischen den Kammern 10, 20, 30 ist zum einen dadurch gegeben, dass die Zwischenböden 3, 4 in ihrem Durchmesser kleiner sind als der innere Durchmesser des hohlzylinderförmigen Grundkörpers 1. Als Folge wird ein um die Zwischenböden 3, 4 umlaufender Spalt 5, 6 gebildet. Durch den Spalt 5 kann warme Flüssigkeit aus der unteren Kammer 30 in die mittlere Kammer 20 gelangen und umgekehrt kältere Flüssigkeit aus der mittleren Kammer 20 in die untere Kammer 30. Entsprechend kann durch den oberen umlaufenden Spalt 6 wärmere Flüssigkeit aus der mittleren Kammer 20 in die obere Kammer 10 gelangen und umgekehrt kältere Flüssigkeit 10 aus der oberen Kammer 10 in die mittlere Kammer 20 gelangen. Die Breite der Spalte 5, 6 liegt im Bereich von einigen Millimetern (mm), beispielsweise zwischen 1 und 5 mm und bevorzugt zwischen 1 und 3 mm.
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Es versteht sich, dass ein Flüssigkeitsaustausch zwischen den verschiedenen Kammern 10, 20, 30 auch dadurch erreicht werden könnte, dass die Zwischenböden 3, 4 entsprechende Perforationen oder Öffnungen aufweisen. Ein Vorteil der umlaufenden Spalte 5, 6 ist jedoch, dass sie sich im Randbereich zur Wandung des Grundkörpers 1 befinden. Wenn durch ein Einströmen von Speicherflüssigkeit durch die Zufuhr 14 oder die weitere Zufuhr 24 eine Flüssigkeitsbewegung innerhalb der oberen Kammer 10 oder der mittleren Kammer 20 einsetzt, so ist diese Bewegung durch den Einfluss der Innenwand des Grundkörpers 1 in dessen unmittelbarer Nähe weniger stark, als in weiter vom Grundkörper 1 beabstandeten Bereichen. Entsprechend wird ein nicht durch Temperaturunterschiede, sondern lediglich durch eine Flüssigkeitsbewegung hervorgerufener Austausch von Flüssigkeit zwischen den Kammern 10, 20 bzw. 20, 30 durch den umlaufenden Spalt 5, 6 so klein wie möglich gehalten.
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Weiterhin sind zum Austausch der Speicherflüssigkeit zwischen verschiedenen Kammern in die Zwischenböden 3, 4 eingesetzte Rohre 7, 8 vorgesehen. Diese Rohre 7, 8 ermöglichen einen unmittelbaren Austausch von Speicherflüssigkeit zwischen der unteren Kammer 30 und der oberen Kammer 10. Die Rohre 7, 8 sind abgedichtet in entsprechende Öffnungen der Zwischenböden 3, 4 eingesetzt, beispielsweise eingeschweißt. Ihre Öffnungen enden jeweils in der oberen Kammer 10 und der unteren Kammer 30. Durch die mittlere Kammer 20 sind die Rohre 7, 8 geführt, ohne das eine hydraulische Verbindung von einer der Kammern 10, 30 in diese mittlere Kammer 20 durch die Rohre 7, 8 gebildet ist.
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Die Rohre 7, 8 sind jeweils ungefähr gleich lang, jedoch in unterschiedlichen Höhen innerhalb des Schichtspeichers angeordnet: Die Rohre 7 reichen mit einem oberen Ende nicht oder nur unwesentlich über den oberen Zwischenboden 4 hinaus, wohingegen sie mit einem unteren Ende weit unterhalb des unteren Zwischenbodens 3 enden, in etwa in einer mittleren Höhe in der unteren Kammer 30. Umgekehrt ist das Rohr 8 so angeordnet, dass ein unteres Ende bündig mit dem unteren Zwischenboden 3 ist oder nur unwesentlich nach unten über diesen Zwischenboden 3 hinaus ragt, wohingegen das obere Ende des Rohres 8 deutlich oberhalb des oberen Zwischenbodens 4 in der oberen Kammer 10 positioniert ist. Die Dimension der Rohre sollte sich im Bereich von DN 50 (Diameter Nominal – ungefährer innerer Durchmesser 50 mm) bewegen, um einen ausreichenden Flüssigkeitsaustausch für einen schnellen Temperaturwechsel zu ermöglichen.
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Über die Rohre 7, 8 setzt dann ein Flüssigkeitsaustausch zwischen der oberen Kammer 10 und der unteren Kammer 30 ein, wenn die Speicherflüssigkeit im oberen Bereich der unteren Kammer 30 eine Temperatur einnimmt, die höher ist als im unteren Bereich der oberen Kammer 10. Wie bereits erwähnt, ist vorgesehen, den zweiten Wärmetauscher 31 mit einer Solarthermieanlage zu verbinden. Falls aufgrund von hoher Sonneneinstrahlung sich im oberen Bereich der Kammer 30 eine Temperatur einstellt, die so hoch ist, dass sie die Temperatur im unteren Bereich der unteren Kammer 10 übersteigt, kann die so erwärmte Speicherflüssigkeit durch das Rohr 8 unmittelbar in die obere Kammer 10 aufsteigen, wobei im Gegenzug Flüssigkeit einer niedrigeren Temperatur aus dem unteren Bereich der oberen Kammer 10 in die untere Kammer 30 hinab sinken kann. Wenn aufgrund einer erhöhten Sonneneinstrahlung Speicherflüssigkeit im Schichtspeicher durch den zweiten Wärmetauscher 31 durch die Solarthermieanlage auf ein Temperaturniveau gebracht wird, dass zur Erwärmung von Flüssigkeit in der oberen Kammer 10 und damit zur Brauchwassererwärmung geeignet ist, so ist es sinnvoll, die Solarwärme auch für genau diesen Zweck zu nutzen. Wie zuvor angegeben, wird in der oberen Kammer 10 Speicherflüssigkeit auf einem hohen Temperaturniveau für die Brauchwassererwärmung über den ersten Wärmetauscher 11 benötigt. Eine Temperatur auf einem Niveau von etwa 55 bis 60° im oberen Bereich der Kammer 10 ist konventionell nur unter Aufbringung von Primärenergie zu erreichen. Wärmeenergie zur Aufrechterhaltung des Temperaturniveaus in der oberen Kammer 10 kann somit entweder nur solarthermisch gewonnen werden oder muss durch konventionelle Wärmeerzeuger über die Zuführung 14 der oberen Kammer 10 zugeführt werden. Wenn es das Temperaturniveau in der unteren Kammer 30 zulässt, ist die aus Gründen des Umweltschutzes und der Verringerung von Energiekosten sinnvollste Verwendung dieser Wärmeenergie die Zuführung von Wärme in die obere Kammer 10. Dieses wird durch die Anordnung der Rohre 7 und 8 erreicht. Bei passenden Temperaturbedingungen stellen die Rohre 7 und 8 eine Art thermosiphonischer Vorrangschaltung für die Zufuhr der Wärmeenergie aus der Solarthermieanlage in die obere Kammer 10 und damit zur Brauchwassererwärmung dar.
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Sollte aufgrund dieser thermosiphonischen Vorrangschaltung die Solarenergie nicht mehr für einen eventuellen Bedarf an Heizungswärme ausreichen, kann diese Heizungswärme leichter über eine Wärmepumpe bereit gestellt werden, als die Wärmemenge auf den höheren Temperaturniveau, die für die Brauchwassererwärmung benötigt wird.
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Alternativ zu den gezeigten Rohren 7, 8, die durch die mittlere Kammer 20 geführt sind, können auch extern am Schichtspeicher angeordnete Rohre als direkte hydraulische Verbindungen der oberen Kammer 10 mit der unteren Kammer 30 eingesetzt werden. Die externen Rohre können wiederum in unterschiedlichen Höhen in dem inneren Volumen des Schichtspeichers enden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Grundkörper
- 2
- Endkappe
- 3, 4
- Zwischenboden
- 5, 6
- Spalt
- 7, 8
- Rohr
- 9
- Tragegestell
- 10
- obere Kammer
- 11
- erster Wärmetauscher
- 12, 13
- Anschluss
- 14
- Zuführung
- 15
- Rückführung
- 16, 17
- Prallblech
- 18
- Flansch für elektrische Heizung
- 20
- mittlere Kammer
- 24
- Zuführung
- 25
- Rückführung
- 28
- Flansch für elektrische Heizung
- 30
- untere Kammer
- 31
- zweiter Wärmetauscher
- 32, 33
- Anschluss
