DE102013219151A1

DE102013219151A1 - Schichtspeicher

Info

Publication number: DE102013219151A1
Application number: DE102013219151.0A
Authority: DE
Inventors: Michael Seidel; Werner Hube; Ulrich Kohler; Corinna Laipple
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2015-03-26
Also published as: WO2015043893A1; EP3049746A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schichtspeicher zum Speichern von Wärmeenergie, aufweisend einen Schichteinsatz und einen Speicherbehälter, wobei der Speicherbehälter eine erste Zuführöffnung, eine zweite Zuführöffnung, eine erste Abführöffnung und wenigstens eine zweite Abführöffnung aufweist, wobei mittels der ersten und der zweiten Zuführöffnung ein Wärmeträgermedium in den Speicherbehälter zuführbar und mittels der ersten und der zweiten Abführöffnung aus dem Speicherbehälter abführbar ist, wobei der Schichteinsatz in dem Speicherbehälter angeordnet ist und ein erstes Trennelement umfasst, wobei das erste Trennelement den Speicherbehälter in eine erste Kammer und wenigstens eine zweite Kammer trennt, wobei das der Schichteinsatz sich im Wesentlichen vollständig horizontal durch den Speicherbehälter erstreckt, so dass das die erste Kammer oberhalb der zweiten Kammer angeordnet ist, wobei an der ersten Kammer die erste Zuführöffnung und die erste Abführöffnung und an der zweiten Kammer die zweite Zuführöffnung und die zweite Abführöffnung angeordnet ist, wobei mittels der ersten Zuführöffnung und der ersten Abführöffnung die erste Kammer mit einem ersten Energieerzeuger und mittels der zweiten Zuführöffnung und der zweiten Abführöffnung mit einem zweiten Energieerzeuger verbindbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schichtspeicher gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2012 100 423 B3 ist ein Schichtspeicher zum Speichern von Wärmeenergie, aufweisend einen Schichteinsatz und einen Speicherbehälter, bekannt. Der Speicherbehälter ist mittels Rohrleitungen mit mindestens einem Energieerzeuger sowie mindestens einem Energieverbraucher verbunden. Der Speicherbehälter weist zwei Zuführöffnungen und zwei Abführöffnungen auf, wobei mindestens eine Zuführöffnung mit dem Energieerzeuger und mindestens eine Zuführöffnung mit dem Energieverbraucher verbunden sind. Ferner sind eine Abführöffnung mit dem Energieerzeuger und mindestens eine Abführöffnung mit dem Energieverbraucher verbunden. Mittels der Zuführöffnungen wird dem Schichtspeicher ein Wärmeträgermedium zugeführt und mittels der Abführöffnung das Wärmeträgermedium aus dem Schichtspeicher abgeführt. Der Schichtspeicher weist eine Zuführkammer, eine Beruhigungskammer und eine Abführkammer auf, die in horizontaler Richtung betrachtet nebeneinander angeordnet sind und sich jeweils vertikal erstrecken. Die Zuführöffnungen sind mit der Zuführkammer und die Abführöffnungen sind mit der Abführkammer verbunden. Die Zuführkammer, die Beruhigungskammer und die Abführkammer sind in einer Fließrichtung des Wärmeträgers ausgehend von einer jeweiligen Zuführöffnung hin zu einer jeweiligen Abführöffnung betrachtet in Reihe hintereinander geschaltet. Zwischen jeweils zwei aneinandergrenzenden Kammern ist ein Trennelement vorgesehen, das die Kammern hydraulisch voneinander trennt. Ferner sind in dem Trennelement Durchgangsöffnungen vorgesehen, um einen Übertritt von den einzelnen Kammern in Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums zu ermöglichen. Durch die Ausgestaltung des Schichtspeichers werden einzelne Bereiche mittels Wärmeträgermediums leicht durchmischt.
Es ist daher wünschenswert, einen verbesserten Schichtspeicher bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Dies wird mittels der Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein verbesserter Schichtspeicher dadurch bereitgestellt werden kann, dass der Schichtspeicher einen Schichteinsatz und einen Speicherbehälter aufweist. Der Schichtspeicher ist dabei zum Speichern von Wärmeenergie ausgebildet. Der Speicherbehälter weist eine erste Zuführöffnung, eine zweite Zuführöffnung, eine erste Abführöffnung und wenigstens eine zweite Abführöffnung auf. Mittels der ersten und der zweiten Zuführöffnung ist ein Wärmeträgermedium in den Speicherbehälter zuführbar und mittels der ersten und zweiten Abführöffnung aus dem Speicherbehälter abführbar. Der Schichteinsatz ist in dem Speicherbehälter angeordnet und umfasst ein erstes Trennelement. Das erste Trennelement trennt den Speicherbehälter in eine erste Kammer und wenigstens eine zweite Kammer. Der Schichteinsatz erstreckt sich im Wesentlichen vollständig horizontal durch den Speicherbehälter, sodass die erste Kammer oberhalb der zweiten Kammer angeordnet ist. An der ersten Kammer sind die erste Zuführöffnung und die erste Abführöffnung und an der zweiten Kammer die zweite Zuführöffnung und die zweite Abführöffnung angeordnet. Mittels der ersten Zuführöffnung und der ersten Abführöffnung ist die erste Kammer mit einem ersten Energieerzeuger und mittels der zweiten Zuführöffnung und der zweiten Abführöffnung mit einem zweiten Energieerzeuger verbindbar.
Auf diese Weise kann der Schichtspeicher in einem Mehrquellen- und Mehrsenkensystem eingesetzt werden, wobei die Quellen bzw. Energieerzeuger unterschiedlich stark erwärmtes Wärmeträgermedium bereitstellen können, welches in dem Schichtspeicher gespeichert wird. Durch die Eignung des Schichtspeichers für ein Mehrquellen- und Mehrsenkensystem kann das Mehrquellenund Mehrsenkensystem besonders effizient arbeiten. Insbesondere ist dadurch ein paralleles Verschalten der Mehrquellen an dem Schichtspeicher möglich.
In einer weiteren Ausführungsform ist das erste Trennelement plattenförmig ausgebildet und umfasst einen ersten Bereich und wenigstens einen zweiten Bereich. Der erste Bereich ist ausgebildet, eine hydraulische Trennung zwischen den beiden an das erste Trennelement angrenzenden Kammern bereitzustellen. In dem zweiten Bereich ist wenigstens eine erste Durchgangsöffnung vorgesehen, wobei die erste Durchgangsöffnung ausgebildet ist, eine hydraulische Verbindung zwischen dem jeweils an das erste Trennelement angrenzenden Kammern bereitzustellen. Der erste Bereich ist vorzugsweise ringförmig ausgebildet. Vorzugsweise ist der erste Bereich umfangsseitig im Wesentlichen vollständig abgedichtet mit dem Speicherbehälter verbunden. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass ein Austausch des Wärmeträgermediums zwischen den beiden Kammern ermöglicht wird und gleichzeitig der Austausch definiert durch die gezielte Anordnung der ersten Durchgangsöffnung im zweiten Bereich gesteuert werden kann. Dadurch können beispielsweise Sensoren, die im Speichergehäuse angeordnet sind und beispielsweise eine Temperatur des Wärmeträgermediums erfassen, aus der Strömung des Austausches zwischen den beiden Kammern herausgehalten werden und so ein verbessertes Messergebnis der Sensoren bereitgestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Schichtspeicher eine Längsachse auf, wobei das erste Trennelement einen dritten Bereich und einen vierten Bereich umfasst. Der dritte Bereich ist ausgebildet, eine hydraulische Trennung zwischen den beiden an das erste Trennelement angrenzenden Kammern bereitzustellen. Im vierten Bereich sind mehrere zweite Durchgangsöffnungen vorgesehen. Die zweiten Durchgangsöffnungen sind ausgebildet, die beiden an das erste Trennelement angrenzenden Kammern hydraulisch zu verbinden. Der vierte Bereich ist radial innenliegend bezogen auf die Längsachse zu dem dritten Bereich angeordnet. Der dritte Bereich ist zwischen dem zweiten und dem vierten Bereich angeordnet. Durch das Vorsehen des vierten Bereichs kann eine Austauschgeschwindigkeit zwischen den beiden Kammern des Wärmeträgermediums erhöht werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist der vierte Bereich im Wesentlichen ringförmig ausgebildet, wobei im vierten Bereich die zweiten Durchgangsöffnungen in einer Reihe spiralförmig um die Längsachse verteilt nebeneinander angeordnet sind. Durch die spiralförmige Ausgestaltung können diese in einem Fertigungsprozess besonders einfach mittels spanendem Fertigungsverfahren in das erste Trennelement eingebracht werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist das erste Trennelement einen fünften Bereich und einen sechsten Bereich auf. Der fünfte Bereich ist ausgebildet, die an das erste Trennelement angrenzenden Kammern hydraulisch voneinander zu trennen. Im sechsten Bereich sind mehrere dritte Durchgangsöffnungen angeordnet, wobei die dritten Durchgangsöffnungen ausgebildet sind, die an das erste Trennelement angrenzenden Kammern hydraulisch miteinander zu verbinden. Der fünfte Bereich ist radial innenseitig zu dem dritten Bereich angeordnet, wobei der sechste Bereich durch den fünften Bereich umschlossen ist. Der sechste Bereich weist vorzugsweise eine kreisförmige Ausgestaltung auf und/oder ist vorteilhafterweise exzentrisch zu der Längsachse angeordnet. Diese Ausgestaltung hat sich als besonders strömungsgünstig für den Schichtspeicher herausgestellt.
In einer weiteren Ausführungsform weist das erste Trennelement einen siebten Bereich auf. Im siebten Bereich sind mehrere vierte Durchgangsöffnungen zur hydraulischen Verbindung korrespondierend an das erste Trennelement angrenzenden Kammern vorgesehen. Der siebte Bereich ist radial innenseitig angrenzend an den ersten Bereich angeordnet. Der siebte Bereich weist vorzugsweise eine im Wesentlichen rechteckförmige Ausgestaltung auf. Insbesondere ist besonders vorteilhaft, wenn der siebte Bereich gegenüberliegend bezogen auf die Längsachse zum sechsten Bereich angeordnet ist. Dadurch kann eine gezielte Wirbelschleppe in einer der beiden Kammern erzeugt werden, wenn aus der jeweils anderen Kammer das Wärmeträgermedium in die Kammer einströmt.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Schichteinsatz ein zweites Trennelement. Das zweite Trennelement ist im Wesentlichen horizontal sich erstreckend durch den Speicherbehälter ausgebildet und begrenzt zumindest teilweise eine dritte Kammer gegenüber der ersten und/oder zweiten Kammer. An der dritten Kammer ist eine dritte Zuführöffnung und eine dritte Abführöffnung angeordnet. Mittels der dritten Zuführöffnung und der dritten Abführöffnung ist die dritte Kammer mit einem dritten Energieerzeuger verbindbar. Dadurch ist der Schichtspeicher zusätzlich zum ersten und zweiten Energieerzeuger beispielsweise mit einem Solarkollektor verbindbar, der zusätzlich kostengünstige Wärmeenergie zur Erwärmung des Wärmeträgermediums, bereitzustellen.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die erste Kammer oberhalb der zweiten Kammer und die zweite Kammer oberhalb der dritten Kammer angeordnet ist. Dadurch können unterschiedliche Temperaturniveaus des Wärmeträgermediums in den Kammern des Schichtspeichers gespeichert und für die Wärmesenken bereitgestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine erste Wärmesenkenzuführöffnung und eine erste Wärmesenkenabführöffnung vorgesehen. Die erste Wärmesenkenabführöffnung ist an der ersten Kammer angeordnet und die Wärmekammerzuführöffnung an der dritten Kammer. Die erste Wärmesenkenzuführöffnung und/oder die zweite Wärmesenkenabführöffnung sind ausgebildet, eine Verbindung zu einem Frischwasserwärmetauscher für eine Trinkwasserversorgung bereitzustellen. Dadurch kann mittels des Schichtspeichers zusätzlich die Energie zur Erwärmung von Warmwasser in der Trinkwasserversorgung bereitgestellt und gespeichert werden.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die erste Wärmesenkenabführöffnung oberhalb der ersten Zuführöffnung an der ersten Kammer angeordnet ist. Ebenso ist von Vorteil, wenn die erste Wärmesenkenzuführöffnung vertikal, bezogen auf die Längsachse zwischen der dritten Zuführöffnung und der dritten Abführöffnung angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine zweite Wärmesenkenabführöffnung vorgesehen, wobei die zweite Wärmesenkenabführöffnung im Wesentlichen horizontal auf gleicher Höhe zu der zweiten Zuführöffnung an der zweiten Kammer angeordnet und ausgebildet ist, eine Verbindung zu einem Energieverbraucher, insbesondere einem Heizkreislauf, bereitzustellen. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass ein warmes Wärmeträgermedium kommend vom zweiten Energieerzeuger mit ähnlicher Temperatur in den Heizkreislauf gefördert werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist wenigstens eine Einströmeinrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, eine Zuführöffnung zur Bereitstellung einer Verbindung mit einem der Energieerzeuger mit einer Wärmesenkenabführöffnung der jeweiligen Kammer zu verbinden. Die Einströmeinrichtung umfasst einen ersten Rohrabschnitt, einen zweiten Rohrabschnitt und einen Austauschabschnitt. Der erste Rohrabschnitt ist ausgebildet, das über die Zuführöffnung der jeweiligen Kammer bereitgestellte Wärmeträgermedium von der Zuführöffnung an den Austauschabschnitt zu führen. Der Austauschabschnitt ist ausgebildet, das durch den ersten Rohrabschnitt bereitgestellte Wärmeträgermedium in die jeweilige Kammer aus- und/oder einzuleiten. Der zweite Rohrabschnitt ist dem Austauschabschnitt zugeordnet. Der zweite Rohrabschnitt ist ausgebildet, das durch den Austauschabschnitt bereitgestellte Wärmeträgermedium und/oder das in der jeweiligen Kammer anordenbare Wärmeträgermedium an die Wärmesenkenabführöffnung zu führen. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass ein Kurzschluss zwischen dem Energieerzeuger und dem Verbraucher ermöglicht wird und gleichzeitig, falls der Energieerzeuger weniger Wärmeträgermedium bereitstellt, als ihn der Verbraucher benötigt, das Wärmeträgermedium aus dem Schichtspeicher entnommen werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Einströmeinrichtung rohrförmig und bogenförmig ausgebildet, wobei der Austauschabschnitt zwischen den Rohrabschnitten angeordnet ist. Diese stellt eine zuverlässige Kurzschlussverbindung zwischen der Zuführöffnung und der jeweiligen Abführöffnung bereit.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der erste Rohrabschnitt ein festes Ende und ein freies Ende, wobei an dem festen Ende der erste Rohrabschnitt mit der Zuführöffnung verbunden ist. An dem freien Ende des ersten Rohrabschnitts ist wenigstens eine Austrittsöffnung vorgesehen. Der zweite Rohrabschnitt umfasst ein festes Ende und ein freies Ende, wobei das feste Ende des zweiten Rohrabschnitts an der Wärmesenkenabführöffnung angeordnet ist. Ferner ist an dem freien Ende des zweiten Rohrabschnitts der Austauschabschnitt angeordnet, wobei der Austauschabschnitt wenigstens eine Austauschöffnung umfasst.
Die Austrittsöffnung ist im Wesentlichen gegenüberliegend zu der Austauschöffnung angeordnet, wobei der Austauschabschnitt ausgebildet ist, zumindest teilweise das aus der Austrittsöffnung austretende Wärmeträgermedium aufzufangen und zumindest teilweise aus der Kammer auszuleiten und in den zweiten Rohrabschnitt einzuleiten. Auf diese Weise kann ebenso die Kurzschlussfunktion, wie oben beschrieben, zum Kurzschließen des Energieerzeugers mit dem Energieverbraucher ebenso gewährleistet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Systemhydraulik mit einem Schichtspeicher;
2 eine perspektivische Ansicht eines Schichtspeichers;
3 eine Seitenansicht des in 2 gezeigten Schichtspeichers;
4 eine Schnittansicht durch eine Einführhilfe des in den 2 und 3 gezeigten Schichtspeichers;
5 eine Seitenansicht auf die in 4 gezeigte Einführhilfe;
6 eine perspektivische Ansicht auf eine Einschichthilfe des in den 2 und 3 gezeigten Schichtspeichers;
7 eine perspektivische Ansicht in einen Speicherbehälter des Schichtspeichers gemäß 2 bis 3;
8 eine perspektivische Ansicht einer Einströmeinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform für den in 2 bis 4 gezeigten Schichtspeicher;
9 eine Draufsicht auf die in 5 gezeigte Einströmeinrichtung; und
10 eine Einströmeinrichtung für den in den 2 bis 4 gezeigten Schichtspeicher gemäß einer zweiten Ausführungsform.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Systemhydraulik 10 mit einem Schichtspeicher 15. Die Systemhydraulik 10 ist als Mehrquellen- und Senkensystem ausgebildet und umfasst neben dem Schichtspeicher 15 einen Solarkollektor 20, einen Frischwasserwärmetauscher 25 sowie eine Wärmepumpe 30. Ferner umfasst die Systemhydraulik 10 einen Heizkreislauf 35. Der Heizkreislauf 35 ist wie der Frischwasserwärmetauscher 25 jeweils ein Energieverbraucher bzw. eine Wärmesenke, während hingegen der Solarkollektor 20 und die Wärmepumpe 30 jeweils ein Energieerzeuger bzw. eine Wärmequelle sind.
Die Wärmepumpe 30 weist einen ersten Anschluss 36 und einen zweiten Anschluss 37 auf. Die Wärmepumpe 30 stellt am ersten Anschluss 36 Wärmeenergie zur Erwärmung von Warmwasser in einer Trinkwasserversorgung bereit. Am zweiten Anschluss 37 stellt die Wärmepumpe 30 Wärmeenergie für den Heizkreislauf 35 bereit.
Die Wärmepumpe 30 ist über eine erste Leitung 135 und eine zweite Leitung 140 am ersten Anschluss 36 mit dem Schichtspeicher 15 verbunden. Am zweiten Anschluss 37 ist die Wärmepumpe 30 über eine dritte Leitung 175 und einer vierten Leitung 180 mit dem Schichtspeicher 15 verbunden. Der Solarkollektor 20 ist über eine fünfte Leitung 200 und eine sechste Leitung 205 mit den Schichtspeicher 15 verbunden. Der Frischwasserwärmetauscher 25 zur Erwärmung von Trinkwasser für Warmwasser ist über eine siebte Leitung 215 und eine achte Leitung 220 mit dem Schichtspeicher 15 verbunden. Über eine neunte Leitung 230 und eine zehnte Leitung 240 ist der Heizkreislauf 35 mit dem Schichtspeicher 15 verbunden.
Zur Übertragung von Wärmeenergie ist ein Wärmeträgermedium 60 vorgesehen, das beispielsweise Wasser umfassen kann. Das Wärmeträgermedium 60 ist ausgebildet, Wärmeenergie zwischen dem Schichtspeicher 15 und dem Solarkollektor 20 bzw. Wärmepumpe 35 bzw. Frischwasserwärmetauscher 25 bzw. Heizkreislauf 35 zu transportieren.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht des in 1 gezeigten Schichtspeichers 15. 3 zeigt eine Seitenansicht des in 2 gezeigten Schichtspeichers 15. 4 zeigt eine perspektivische Schnittansicht entlang einer in 3 gezeigten Schnittebene A-A. 4 zeigt eine Schnittansicht durch eine Einführhilfe 150 des in den 2 und 3 gezeigten Schichtspeichers 15 und 5 eine Seitenansicht auf die in 4 gezeigte Einführhilfe 150. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht auf eine Einschichthilfe 245 des in den 2 und 3 gezeigten Schichtspeichers 15. Nachfolgend sollen die 2 bis 6 gemeinsam erläutert werden.
Der Schichtspeicher 15 umfasst einen Speicherbehälter 65 der im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet ist. Der Speicherbehälter 65 ist oberseitig mit einem oberen Deckel 90 und unterseitig mit einem unteren Deckel 115 verschlossen, um einen Austritt des Wärmeträgermediums 60 aus dem Speicherbehälter 65 zu verhindern. Der Speicherbehälter 65 ist im Wesentlichen vollständig mit dem Wärmeträgermedium 60 geflutet. In dem Speicherbehälter 65 ist ein Schichteinsatz 70 vorgesehen, der ein erstes Trennelement 75 und ein zweites Trennelement 80 aufweist.
Die Trennelemente 75, 80 sind dabei plattenförmig ausgebildet und sind umfangsseitig im Wesentlichen vollständig abdichtend mit dem Speicherbehälter 65 verbunden. Die Trennelemente 75, 80 erstrecken sich dabei im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse 120 des Speicherbehälters 65, wobei die Längsachse 120 im Wesentlichen parallel zu einer Gravitationskraft ausgerichtet ist. Die Trennelemente 75, 80 sind in der Ausführungsform identisch zueinander ausgebildet. Selbstverständlich können die Trennelement 75, 80 auch unterschiedlich ausgebildet sein.
Das erste Trennelement 75 begrenzt dabei unterseitig eine erste Kammer 100, die sich vom ersten Trennelement 75 nach oben hin bis zum oberen Deckel 90 erstreckt. Ferner begrenzt das erste Trennelement 75, nach unten hin oberseitig, eine zweite Kammer 105. Unterseitig wird die zweite Kammer 105 durch das zweite Trennelement 80 begrenzt. Das zweite Trennelement 80 begrenzt oberseitig eine dritte Kammer 110, wobei die dritte Kammer 110 unterseitig durch den unteren Deckel 115 des Speicherbehälters 65 begrenzt wird.
Die Trennelemente 75, 80 weisen einen ersten Bereich 81 und einen zweiten Bereich 82 auf. Der erste Bereich 81 ist ringförmig ausgebildet und radial außenseitig bezogen auf die Längsachse 120 zu dem zweiten Bereich 82 angeordnet. In dem zweiten Bereich 82 ist beispielhaft eine Vielzahl von gleichmäßig in konzentrischen Kreisen angeordneten Durchgangsöffnungen 85 vorgesehen. Der erste Bereich 81 weist keine Durchgangsöffnungen 85 auf und trennt die an das Trennelement 75, 80 angrenzenden Kammern 100, 105, 110 hydraulisch voneinander. Der erste Bereich 81 ist umfangsseitig dichtend mit dem Speicherbehälter 65 verbunden um einen Übertritt des Wärmeträgermediums 60 zwischen dem Speicherbehälter 65 und dem ersten Bereich 81 zu verhindern.
Ferner kann durch das umfangsseitige Verbinden der Trennelemente 75, 80 mit dem Speicherbehälter 65 vermieden werden, dass, wenn über eine der Zuführöffnungen 125, 165, 210, 225 eingeführtes Wärmeträgermedium 60 nicht aufgrund der Strömungsenergie des eingeführten Wärmeträgermediums 60 dieses seitlich an den Trennelementen 75, 80 vorbei in die nächstliegende Kammer 100, 105, 110 strömt. Dadurch wird eine ungewollte Vermischung des in den Kammern 100, 105, 110 angeordneter Wärmeträgermediums 60 vermieden. Außerdem wird auch ein zuverlässiger Schichtaufbau des Wärmeträgermediums 60 in den einzelnen Kammern 100, 105, 110 gewährleistet.
Die Durchgangsöffnungen 85 sind als Bohrungen mit kreisförmigem Querschnitt ausgeführt. Selbstverständlich sind auch andere Ausgestaltungen denkbar. So ist beispielsweise denkbar, dass nur eine einzige Durchgangsöffnung 85 z.B. in zentraler Anordnung vorgesehen ist. Alternativ ist denkbar, dass die Trennelemente 75, 80 die Kammern 100, 105, 110 vollständig hydraulisch trennen und ein Wärmeaustausch des Wärmetauschermediums 60 in den einzelnen Kammern 100, 105, 110 dadurch erreicht wird, dass die Trennelemente 75, 80 ein wärmeleitfähiges Material für einen Wärmetransport von einer Kammer 100, 105, 110 zu einer an das Trennelement 75, 80 angrenzenden Kammer 100, 105, 110 aufweist. Die Durchgangsöffnung 85 kann unterschiedlicher Ausgestaltung sein. So ist beispielsweise eine kreisförmige, schlitzförmige oder langlochförmige Ausgestaltung denkbar. Auch ist denkbar, dass unterschiedliche geometrische Ausgestaltungen der Durchgangsöffnungen 85 miteinander kombiniert werden.
An dem Speicherbehälter 65 sind auf vertikaler Höhe der ersten Kammer 100, im Folgenden von oben nach unten beschrieben, eine erste Wärmesenkenabführöffnung 120, die oberhalb einer ersten Zuführöffnung 125 angeordnet ist. Ferner ist unterhalb der ersten Zuführöffnung 125 eine erste Abführöffnung 130 vorgesehen. Die erste Zuführöffnung 125 ist mit der ersten Leitung 135 verbunden. Die erste Abführöffnung 130 ist mit der zweiten Leitung 140 verbunden. Auf diese Weise ist die erste Kammer 100 mit dem ersten Anschluss 36 der Wärmepumpe 30 über das in den Leitungen 135, 140 angeordneten Wärmeträgermedium 60 hydraulisch verbunden. Mittels einer wird das Wärmeträgermedium 60 aus dem Schichtspeicher 15 bzw. aus der ersten Kammer 100 über die erste Abführöffnung 130 aus der ersten Kammer 100 mittels der zweiten Leitung 140 zur Wärmepumpe 30 gefördert. Die Wärmepumpe 30 erwärmt das Wärmeträgermedium 60. Das erwärmte Wärmeträgermedium 60 wird über die erste Leitung 135 zurück in Richtung der ersten Kammer 100 des Schichtspeichers 15 gefördert. Dabei tritt das Wärmeträgermedium 60 über die erste Zuführöffnung 125 und mittels einer an der ersten Zuführöffnung 125 angeordneten Einführhilfe 150 oberseitig in der ersten Kammer 100 ein.
Die Einführhilfe 150 (vgl. 4 und 5) ist geradlinig und rohrförmig ausgebildet und erstreckt sich in einer Ebene senkrecht zu der Längsachse 120 des Schichtspeichers 15. Die Einführhilfe 150 umfasst mehrere Auslassöffnungen 151, die beispielhaft in gleichmäßigem Abstand über die gesamte Erstreckungsrichtung eines Rohrabschnitts 152 der Einführhilfe 150 angeordnet sind. Die Auslassöffnungen 151 sind seitlich und/oder auf einer dem ersten Trennelement 75 zugewandten Umfangsseite der Einführhilfe 150 angeordnet, um bei Einführen des Wärmeträgermediums 60 in die erste Kammer 100, das oberhalb der Einführhilfe 150 angeordnete Wärmeträgermedium 60 nicht in Bewegung zu versetzen. Der Rohrabschnitt 152 ist an einem ersten Ende 153 mit der der ersten Zuführöffnung 125 verbunden. An einem gegenüberliegenden zweiten Ende 154 des Rohrabschnitts 152 ist der Rohrabschnitt 152 mit einem Verschluss 156 stirnseitig abgeschlossen, so dass das Wärmeträgermedium 60 ausschließlich über die Austrittsöffnungen 151 in die erste Kammer 100 einströmen kann. Dies führt zu einer beruhigten Einströmung und eine bessere Schichtung des Wärmeträgermediums 60 im Speicherbehälter 65. Dadurch kann ein gleichmäßig erwärmtes Wärmeträgermedium 60 über die erste Abführöffnung 120 aus der ersten Kammer 100 entnommen werden. Die geometrische Ausgestaltung der Auslassöffnungen 151 ist frei, so dass beispielsweise die Auslassöffnung 151 kreisförmig, elliptische, schlitzförmig oder langlochförmig ist. Auch ist denkbar, dass nur eine Auslassöffnung 151 vorgesehen ist.
Die erste Abführöffnung 130 ist unterhalb der ersten Zuführöffnung 125 angeordnet, um ein kälteres Wärmeträgermedium 60 aus der ersten Kammer 100 zu fördern und erwärmt oberhalb des kälteren Wärmeträgermediums 60 über die erste Zuführöffnung 125 wieder in die erste Kammer 100 einzulagern. Dadurch bildet sich auch in der ersten Kammer 100 eine erste Wärmeträgermediumschicht 155 aus, die eine höhere Temperatur aufweist als eine unterhalb der ersten Wärmeträgermediumschicht 155 angeordneten zweiten Wärmeträgermediumschicht 160 (vgl. 2). Die erste Abführöffnung 130 ist dabei auf Höhe der zweiten Wärmeträgermediumschicht 160 angeordnet.
Auf vertikaler Höhe der zweiten Kammer 105 ist eine zweite Zuführöffnung 165 und eine zweite Abführöffnung 170, die unterhalb der zweiten Zuführöffnung 165 angeordnet ist, vorgesehen. Die zweite Zuführöffnung 165 ist mit der dritten Leitung 175 verbunden. Die zweite Abführöffnung 170 ist mit der vierten Leitung 180 verbunden. Über die vierte Leitung 180 wird aus der zweiten Kammer 105 abgekühltes Wärmeträgermedium 60 aus der zweiten Kammer 105 in Richtung der Wärmepumpe 30 über die vierte Leitung 180 zur Wärmepumpe 30 gefördert. Die Wärmepumpe 30 erwärmt das mit der vierten Leitung 180 bereitgestellte Wärmemedium 60 und fördert dies über die dritte Leitung 175 und die zweite Zuführöffnung 165 wieder zurück in die zweite Kammer 105. Die Wärmepumpe 30 ist dabei beispielhaft ausgebildet, das für die zweite Kammer 105 bestimmte Wärmeträgermedium 60 auf eine geringere Temperatur als das für die erste Kammer 100 bestimmte Wärmeträgermedium 60 zu erwärmen.
In der dritten Kammer 110 ist ein zweiter Wärmetauscher 185 vorgesehen, der schraubenförmig ausgebildet ist. Auf den zweiten Wärmetauscher 185 könnte auch verzichtet werden. Auch ist denkbar, dass der zweite Wärmetauscher 185 andersartig ausgebildet ist. Das Wärmeträgermedium 60 ist in der dritten Kammer 110 angeordnet und wird im Gegensatz zu den anderen Kammern 100, 105 bei Verwendung des zweiten Wärmetauschers 185 nicht über eine dritte Abführöffnung 190 aus der dritten Kammer 110 gefördert. Die dritte Abführöffnung 190 ist unterhalb einer dritten Zuführöffnung 195 angeordnet. Die dritte Zuführöffnung 195 und die dritte Abführöffnung 190 sind mit dem zweiten Wärmetauscher 185 hydraulisch verbunden. Der zweite Wärmetauscher 185 sorgt dafür, dass ein weiteres Wärmeträgermedium 196, das in dem zweiten Wärmetauscher 185 angeordnet ist, nicht mit dem Wärmeträgermedium 60, das in der dritten Kammer 110 angeordnet ist, vermischt wird. Wird auf den zweiten Wärmetauscher 185 verzichtet, so ist in einer weiteren Variante denkbar, dass die dritte Zuführöffnung 190 und die dritte Abführöffnung 190 mit der dritten Kammer 110 verbunden sind. Dann ist eine direkte Beförderung des Wärmeträgermediums 60 über die dritte Zuführöffnung 185 bzw. dritte Abführöffnung 190 möglich.
Die dritte Zuführöffnung 195 ist dabei mit der sechsten Leitung 205 verbunden. Die dritte Abführöffnung 190 ist dabei mit der fünften Leitung 200 verbunden. Mittels der fünften bzw. sechsten Leitung 200, 205 wird eine Verbindung zu dem Solarkollektor 20 bereitgestellt, der das in dem zweiten Wärmetauscher 185 angeordnete weitere Wärmeträgermedium 196 erwärmt. Das weitere Wärmeträgermedium 196 gibt seinen Energieinhalt über den Wärmetauscher 185 an das in der dritten Kammer 110 angeordnete Wärmeträgermedium 60 ab und erwärmt dieses.
Ferner ist eine erste Wärmesenkenzuführöffnung 210 angrenzend an den unteren Deckel 115 etwa auf Höhe der dritten Abführöffnung 190 an dem Speicherbehälter 65 angeordnet. Die erste Wärmesenkenzuführöffnung 210 ist mittels der achten Leitung 220 verbunden. Ferner ist der Frischwasserwärmetauscher 25 mittels der siebten Leitung 215 mit der oberseitig am Speicherbehälter 65 angeordneten erste Wärmesenkenabführöffnung 120 verbunden. Der Frischwasserwärmetauscher 25 dient dazu, Trinkwasser zu erwärmen, um so eine Warmwasserversorgung in einem Gebäude bereitzustellen.
Oberseitig an der dritten Kammer 110 etwa auf vertikaler Höhe der dritten Zuführöffnung 195 ist angrenzend unterhalb des zweiten Trennelements 80 eine zweite Wärmesenkenzuführöffnung 225 angeordnet. Die zweite Wärmesenkenzuführöffnung 225 könnte alternativ auch oberhalb des zweiten Trennelements 80 an der zweiten Kammer 105 angeordnet sein. Die zweite Wärmesenkenzuführöffnung 225 ist mittels der zehnten Leitung 240 beispielhaft mit dem Heizkreislauf 35 verbunden. Unterhalb des ersten Trennelements 75 ist an der zweiten Kammer 105 etwa auf vertikaler Höhe der zweiten Zuführöffnung 165 die zweite Wärmesenkenabführöffnung 235 am Speicherbehälter 65 angeordnet. Die zweite Wärmesenkenabführöffnung 235 ist mittels der neunten Leitung 230 mit dem Heizkreislauf 35 verbunden. Dabei wird aus der zweiten Kammer 105 über die zweite Wärmesenkenabführöffnung 235 das in der zweiten Kammer 105 befindliche Wärmeträgermedium 60 über neunte Leitung 230 in den Heizkreislauf 35 gefördert. Der Heizkreislauf 35 dient dabei als Energieverbraucher und gibt die über das Wärmeträgermedium 60 bereitgestellte Wärmeenergie an Räume eines Gebäudes ab. Das über den Heizkreislauf 35 abgekühlte Wärmeträgermedium 60 wird über die zehnte Leitung 240 wieder zurück zum Schichtspeicher 15 gefördert und tritt dort über die zweite Wärmesenkenzuführöffnung 225 in die dritte Kammer 210 ein.
Durch die Durchgangsöffnungen 85 wird ein Austausch des in den Kammern 100, 105, 110 angeordneten Wärmeträgermediums 60 ermöglicht, sodass eine Durchmischung des in den Kammern 100, 105, 110 angeordneten Wärmeträgermediums 60 ermöglicht wird. Dadurch wird insbesondere möglich, dass, wenn der Solarkollektor 20 einen besonders hohen Energieeintrag über den zweiten Wärmetauscher 185 in das Wärmeträgermedium 60 liefert, das in der dritten Kammer 110 angeordnete Wärmeträgermedium 60 über die zweite Kammer 105 in die erste Kammer 100 aufsteigen kann und so auf einfache Weise die Energie zur Erwärmung von Frischwasser über den Solarkollektor 20 bereitgestellt wird. Die Durchgangsöffnungen 85 sind dabei so dimensioniert, dass zwar ein Austausch des Wärmeträgermediums 60 zwischen den Kammern ermöglicht wird, andererseits wird ein ungehemmter Austausch des Wärmeträgermediums 60 zwischen den Kammern 100, 105, 110 vermieden, so dass sich in jeder Kammer 100, 105, 105 Wärmeträgermediumschichten, wie oben bereits für die erste Kammer 100 erläutert, ausbilden können. Dadurch können die Energieverbraucher 25, 35 und Energieerzeuger 20, 30 aneinander angepasst an dem Schichtspeicher 15 angeschlossen werden. Dadurch kann der Schichtspeicher 15 flexibel für ein Mehrquellen und Mehrsenkensystem genutzt werden.
Die Wärmepumpe 30 ist in der Ausführungsform mit der ersten Kammer 100 und der zweiten Kammer 105 verbunden. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass die Wärmepumpe 30 nur mit einer der beiden Kammern 100, 105 verbunden ist. Dadurch, dass die Wärmepumpe 30 mit beiden Kammern 100, 105 verbunden ist, wird gewährleistet, dass im Heizbetrieb durch den Heizkreislauf 35 über die Wärmepumpe 30 und der zweiten Kammer 105 genügend Energie für den Heizkreislauf 35 bereitgestellt wird. Die erste Kammer 100 dient im Wesentlichen dazu, einen hohen Energiepuffer mit hoher Energiereserve um eine schnelle Erwärmung des Frischwassers durch den Frischwasserwärmetauscher 25 bereitzustellen. Diese Energie wird ebenso durch die Wärmepumpe 30 bereitgestellt, wobei üblicherweise kaum ein gleichzeitiger Betrieb der Wärmepumpe und des Frischwasserwärmetauschers 25 erfolgt. Aus diesem Grunde ist die erste Kammer 100 in vertikaler Erstreckung länger ausgebildet, als die zweite Kammer 105. Ferner ist die zweite Kammer 105 in vertikaler Erstreckung geringer ausgebildet als die dritte Kammer 110. Die dritte Kammer 110 weist eine größere Erstreckung auf, als die zweite Kammer 105, um genügend Pufferspeicher zur Aufnahme der durch den Solarkollektor 20 bereitgestellten Energie in der dritten Kammer 60 bereitzuhalten.
Um das aus dem Heizkreislauf 35 rückfliesende Wärmeträgermedium 60 entsprechend seiner Temperatur in dem Schichtspeicher einzuschichten ist, kann ferner eine Einschichthilfe 245 vorgesehen sein (vgl. 3), die detailliert in 7 dargestellt ist. Die Einschichthilfe 245 erstreckt sich parallel zur Längsachse 120 über die gesamte dritte Kammer 110 und einen unteren Teil der zweiten Kammer 105. Dafür ist in dem zweiten Trennelement 80 eine Einschichthilfenöffnung 246 vorgesehen (vgl. 3), die korrespondierend zu der Ausgestaltung der Einschichthilfe 245 ausgebildet ist. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass sich die Einschichthilfe nur über eine Kammer 100, 105, 110 erstreckt oder über alle drei Kammern 100, 105, 110. Die Einschichthilfe 245 ist teilringförmig ausgebildet und erstreckt sich beispielhaft in der Ausführungsform über ein Winkelsegment von 90°. Die Einschichthilfe 245 ist radial, bezogen auf die Längsachse 120, zwischen dem zweiten Wärmetauscher 185 und dem Speicherbehälter 65 angeordnet. Selbstverständlich ist auch denkbar, die Einschichthilfe 245 an einer anderen Stelle im Speicherbehälter 65 anzuordnen und/oder an einer anderen Zuführöffnung 125, 165, 195 anzuschließen. Die Einschichthilfe 245 ist oberseitig und unterseitig sowie an einer Seitenfläche 247 verschlossen. Die Seitenfläche 247 ist dabei der zweiten Senkenzuführöffnung 225 zugewandt. Auf einer der Seitenfläche 247 gegenüberliegenden Seite der Einschichthilfe 150 ist eine Einschichtöffnung 248 vorgesehen, die sich über die gesamte Höhe der Einschichthilfe 245 erstreckt. Ein Innenraum 249 der Einschichthilfe 245 ist dabei mit der zweiten Senkenzuführöffnung 225 verbunden. Wird das Wärmeträgermedium 60 über die zweiten Senkenzuführöffnung 225 in den Innenraum 249 eingeleitet, so ordnet sich das Wärmeträgermedium 60 in Abhängigkeit seiner Temperatur auf einer entsprechenden Höhe in dem Innenraum 248 ein und strömt nach dem Einordnen in einer Ebene senkrecht zur Längsachse 120 in Richtung der Einschichtöffnung 248. Über die Einschichtöffnung 248 tritt das eingeschichtete Wärmeträgermedium 60 je nach Einschichtung in die zweite oder dritte Kammer 105, 110 ein.
7 zeigt eine Schnittansicht durch den in den 2 und 3 gezeigten Schichtspeicher 15 entlang einer in 3 gezeigten Schnittebene A-A.
Der Schichtspeicher 15 ist identisch zu dem in den 2 und 3 gezeigten Schichtspeicher 15 ausgebildet. Abweichend dazu weist der Schichtspeicher 15 ein erstes Trennelement 300 auf, das andersartig als in den 2 und 3 gezeigt, ausgebildet ist. Das erste Trennelement 300 ist in der Ausführungsform identisch zu dem zweiten Trennelement (in 7 nicht dargestellt), ausgebildet. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass die in 7 gezeigte Ausführungsform des ersten Trennelements 300 mit einer in 2 und 3 gezeigten Ausgestaltung des zweiten Trennelements 80 kombiniert wird. Auch ist denkbar, dass das in den 2 und 3 gezeigte erste Trennelement 75 mit einem zweiten Trennelement kombiniert ist, das wie in 7 gezeigte erste Trennelement 300 ausgestaltet ist.
Das erste Trennelement 300 ist kreisförmig ausgebildet und weist eine im Wesentlichen plane Ausgestaltung auf. Das erste Trennelement 300 ist mit einer inneren Umfangsseite 305 des Speicherbehälters 65 verbunden. Dabei ist eine äußere Umfangsfläche 310 des ersten Trennelements 300 im Wesentlichen derart ausgestaltet, dass sie dichtend an der inneren Umfangsfläche 305 des Speicherbehälters 65 anliegt. Zusätzlich kann die Dichtfunktion dadurch verstärkt werden, dass ein Dichtelement (nicht dargestellt) zusätzlich zwischen der inneren Umfangsfläche 305 und der äußeren Umfangsfläche 310 des ersten Trennelements 300 angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist auch denkbar, dass eine Verbindung 315 zur Fixierung des ersten Trennelements 300 an dem Speicherbehälter 65 die Dichtfunktion übernimmt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Verbindung 315 als stoffschlüssige Verbindung, insbesondere als Schweißverbindung, ausgebildet ist. Besonders vorteilhaft ist hierbei, wenn die Verbindung 315 im Wesentlichen umfangsseitig vollständig das erste Trennelement 300 mit dem Speicherbehälter 65 verbindet.
Ferner ist, in 7 vor dem ersten Trennelement 300 verlaufend gezeigt, in der ersten Kammer 100 die Einführhilfe 150 angeordnet, die sich im Wesentlichen über den kompletten Durchmesser des Speicherbehälters 65 erstreckt. Die Einführhilfe 150 ist dabei stoffschlüssig mit der ersten Zuführöffnung 125 und dem Speicherbehälter 65 verbunden. Dadurch wird eine zuverlässige Fixierung über die Lebensdauer des Schichtspeichers 15 der Einführhilfe 150 gewährleistet.
Das Trennelement 300 weist mehrere Bereiche auf, die im Folgenden von radial außen nach radial innen bezogen auf die Längsachse 120 beschrieben werden sollen. Zur erleichterten Erkennbarkeit sind die einzelnen Bereiche mittels strichlierter Linien in 7 voneinander abgegrenzt.
Radial außenseitig weist das erste Trennelement 300 einen ersten Bereich 321 auf. Der erste Bereich 321 ist ringförmig ausgestaltet und grenzt an die äußere Umfangsfläche 310 des ersten Trennelements 300 an. Der erste Bereich 321 trennt die an das Trennelement 300 angrenzenden Kammern 100, 105, 110 hydraulisch voneinander.
Angrenzend an den ersten Bereich 321 ist radial innenseitig ein zweiter Bereich 320 vorgesehen. Im zweiten Bereich 320 sind zahlreiche erste Durchgangsöffnungen 325 angeordnet. Die ersten Durchgangsöffnungen 325 weisen dabei umfangsseitig den gleichen Abstand zueinander auf. Ferner haben die ersten Durchgangsöffnungen 325 den gleichen Durchmesser und verbinden hydraulisch die oberseitig an das erste Trennelement 300 angrenzende erste Kammer 100 mit der unterseitig an das erste Trennelement 300 angrenzenden zweiten Kammer 105. Die ersten Durchgangsöffnungen 325 sind dabei einreihig angeordnet und weisen den gleichen Abstand zu der Längsachse 120 auf.
Angrenzend an den zweiten Bereich 320 ist radial innenseitig ein dritter Bereich 330 vorgesehen. Im dritten Bereich 330 sind gegenüber dem zweiten Bereich 320 keine Durchgangsöffnungen vorgesehen, sodass der dritte Bereich 330 die erste Kammer 100 von der zweiten Kammer 105 hydraulisch trennt. Der dritte Bereich 330 ist im Wesentlichen ebenso ringförmig ausgebildet.
Radial innenliegend zu dem dritten Bereich 330 ist ein vierter Bereich 335 an dem ersten Trennelement 300 vorgesehen, wobei der vierte Bereich 335 im Wesentlichen ebenso ringförmig ausgeführt ist. Der vierte Bereich 335 weist hier jedoch abweichend zu dem ersten bis dritten Bereich 321, 320, 330 eine in Umfangsrichtung variierende Breite auf. Dies liegt darin begründet, dass im vierten Bereich 335 zahlreiche zweite Durchgangsöffnungen 340 vorgesehen sind, die im Umfangsrichtung im Wesentlichen mit gleichem Abstand voneinander beabstandet angeordnet sind. Die zweiten Durchgangsöffnungen 340 sind dabei in einer Reihe umlaufend um die Längsachse 120 spiralförmig angeordnet. Durch die spiralförmige Anordnung weist in 7 der vierte Bereich 335 beispielhaft eine vierlagige Anordnung der Durchgangsöffnung 340 und auch eine dreilagige Anordnung der zweiten Durchgangsöffnungen 340 auf. Selbstverständlich sind auch andersartige Lagenanordnungen der zweiten Durchgangsöffnungen 340 denkbar. Die zweiten Durchgangsöffnungen 340 sind ebenso wie die ersten Durchgangsöffnungen 325 ausgebildet, die erste Kammer 100 hydraulisch mit der zweiten Kammer 105 zu verbinden.
Das erste Trennelement 300 weist radial innenseitig zu dem vierten Bereich 340 einen fünften Bereich 345 auf, wobei im fünften Bereich 345 ebenso wie im dritten Bereich 330 keine Durchgangsöffnungen vorgesehen sind, sodass der fünfte Bereich 335 die erste Kammer 100 hydraulisch von der zweiten Kammer 105 trennt. Der fünfte Bereich 345 wird umfangsseitig durch den vierten Bereich 335 umschlossen.
Ferner umfasst das erste Trennelement 300 einen sechsten Bereich 350, der im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet ist. Im sechsten Bereich 350 sind mehrere dritte Durchgangsöffnungen 355 vorgesehen, die ebenso wie die ersten und zweiten Durchgangsöffnungen 325, 340 die erste Kammer 100 mit der zweiten Kammer 105 hydraulisch verbinden. Die dritten Durchgangsöffnungen 355 sind im Wesentlichen in konzentrischen Kreisen im sechsten Bereich 355 angeordnet. Der sechste Bereich 355 ist ferner exzentrisch zu der Längsachse 120 angeordnet. Der sechste Bereich 355 wird ferner durch den fünften Bereich 345 umfangsseitig umgriffen.
Das erste Trennelement 300 weist fakultativ ferner einen siebten Bereich 360 auf, der im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet ist. Der siebte Bereich 360 grenzt dabei radial innenseitig an den zweiten Bereich 320 an und erstreckt sich radial nach innen zur Längsachse 120 hin. Im siebten Bereich 360 sind mehrere vierte Durchgangsöffnungen 365 vorgesehen, die zweireihig in Umfangsrichtung mit gleichem Abstand voneinander angeordnet sind. In radialer Richtung sind die vierten Durchgangsöffnungen 365 mit einem geringeren Abstand als in Umfangsrichtung voneinander beabstandet. Die vierten Durchgangsöffnungen 365 sind dabei parallel zueinander verlaufend angeordnet. Der siebte Bereich 365 ist dabei gegenüberliegend bezogen zur Längsachse 120 zu dem sechsten Bereich 350 angeordnet. Selbstverständlich wäre auch eine andere Ausrichtung des siebten Bereichs 360 zu dem sechsten Bereich 350 denkbar.
Die Durchgangsöffnungen 325, 340, 355, 365 sind als Bohrungen mit kreisförmigem Querschnitt ausgeführt. Selbstverständlich sind auch andere Ausgestaltungen denkbar.
Durch die gewählte Ausgestaltung des ersten Trennelements 300 wird eine definierte Trennung des in den beiden Kammern 100, 105 angeordneten Wärmeträgermediums 60 gewährleistet, wobei gleichzeitig der Übertritt des Wärmeträgermediums 60 von der ersten Kammer auf die zweite Kammer 105 und umgekehrt, zuverlässig gewährleistet ist, wenn eine hinreichend große Temperaturdifferenz des Wärmeträgermediums 60 angrenzend an das erste Trennelement 300 vorliegt. Ferner wird vermieden, dass Messsensoren, die üblicherweise direkt angrenzend an die innere Umfangsfläche 305 des Speicherbehälters 65 angeordnet sind, durch eine Querströmung zwischen den Kammern 100, 105, 110 negativ beeinflusst werden und so ein Messergebnis der Messsensoren ggf. durch die Querströmung zwischen den beiden Kammern 100, 105, 110 verfälscht wird.
8 zeigt eine perspektivische Ansicht auf eine Einströmeinrichtung 400 gemäß einer ersten Ausführungsform. 9 zeigt eine Draufsicht auf die Einströmeinrichtung 400 in eingebautem Zustand in den Schichtspeicher 15.
Die Einströmeinrichtung 400 ist in der Ausführungsform in der zweiten Kammer 105 angeordnet. Selbstverständlich ist auch eine Anordnung in einer der anderen Kammern 100, 110 denkbar. Die Einströmeinrichtung 400 ist dabei mit einem ersten Ende 410 mit der zweiten Zuführöffnung 165 verbunden. Ein zweites Ende 415 der Einströmeinrichtung 400 ist dabei mit der zweiten Wärmesenkenabführöffnung 235 verbunden. Die Einströmeinrichtung 400 ist zweiteilig ausgebildet und weist einen ersten Rohrabschnitt 420 und einen zweiten Rohrabschnitt 425 auf. Die beiden Rohrabschnitte 420, 425 sind beabstandet zueinander auf einer gleichen Ebene senkrecht zur Längsachse 120 im Schichtspeicher 15 angeordnet. Sowohl der erste Rohrabschnitt 420 als auch der zweite Rohrabschnitt 425 sind hohlzylindrisch und sind ausgebildet, das Wärmeträgermedium 60 innenseitig zu führen.
Der erste Rohrabschnitt 420 ist mit einem festen Ende 430, das mit dem ersten Ende 410 übereinstimmt mit der zweiten Zuführöffnung 165 verbunden. An einem festen Ende 465, das mit dem zweiten Ende 415 der Einströmeinrichtung 400 übereinstimmt, ist der zweite Rohrabschnitt 425 mit der zweiten Wärmesenkenabführöffung 235 verbunden.
Ferner umfasst die Einströmeinrichtung 400 einen Austauschabschnitt 435, wobei der Austauschabschnitt 435 an einem freien Ende 440 des zweien Rohrabschnitts 425 angeordnet ist.
Der Austauschabschnitt 435 weist eine Austauschöffnung 445 auf, die auf einer dem ersten Rohrabschnitt 420 zugewandten Seite des Austauschabschnitts 435 angeordnet ist. Der Austauschabschnitt 435 ist etwa halbhohlzylindrisch ausgebildet ist. Der Austauschabschnitt 435 weist auf einer dem zweiten Rohrabschnitt 425 abgewandten Seite eine Prallplatte 450 auf, die ausgebildet ist, das auf den Austauschabschnitt 435 zuströmende Wärmeträgermedium 60 in eine Richtung parallel zur Ausrichtung des zweiten Rohrabschnitts 425 abzulenken.
Der erste Rohrabschnitt 425 weist an einem freien Ende 455 eine Austrittsöffnung 460 auf, die gegenüberliegend zur Austauschöffnung 445 angeordnet ist. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass das aus der Austrittsöffnung 465 austretende Wärmeträgermedium 60 leicht über die Austauschöffnung 460 aufgefangen und in den zweiten Rohrabschnitt 425 eintreten kann. Der zweite Rohrabschnitt 425 führt das über die Austauschöffnung 445 eintretende Wärmeträgermedium 60 hin zur zweiten Wärmesenkenabführöffnung 235.
Dadurch, dass die Austauschöffnung 445 und die Austrittsöffnung 460 auf einer gleichen Ebene senkrecht zur Längsachse 120 im Schichtspeicher 15 angeordnet sind, wird ein Strom des Wärmeträgermediums 60 aus der Wärmepumpe 30 direkt in den Heizkreislauf 45 überführt, so dass der Schichtspeicher 15 dabei hydraulisch überbrückt wird und der Heizkreislauf 35 mit der Wärmepumpe 30 kurzgeschlossen wird. Ferner wird gewährleistet, dass, wenn die Wärmepumpe 30 einen für den Heizkreislauf 35 zu geringen Wärmeträgermediumstrom bereitstellt, über die Austauschsöffnung 460 das in der zweiten Kammer 105 aufgewärmte Wärmeträgermedium 60 über die Austauschöffnung 445 und dem zweiten Rohrabschnitt 425 aus der zweiten Kammer 105 gefördert werden kann.
Die in den 8 und 9 gezeigte Ausgestaltung der Einströmeinrichtung 400 hat den Vorteil, dass sie durch ihre einfache Ausgestaltung besonders kostengünstig gefertigt werden kann. Ferner kann Die Einstromeinrichtung 400 besonders einfach in der zweiten Kammer 105 montiert werden.
In den 8 und 9 sind der erste Rohrabschnitt 420 und der zweite Rohrabschnitt 425 in spitzem Winkel, vorzugsweise in einem Winkel kleiner 45 Grad zu einander ausgerichtet. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass der erste Rohrabschnitt 420 zu dem zweiten Rohrabschnitt 425 in einem andersartigen Winkel ausgerichtet ist. Auch ist denkbar, dass die beiden Rohrabschnitte 420, 425 auf unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind. Auch ist denkbar, die Prallplatte 450 abweichend zu der senkrechten Ausrichtung gegenüber dem ersten Rohrabschnitt 420 geneigt zu dem ersten Rohrabschnitt 420 ausgerichtet ist, um das Wärmeträgermedium 60 in Richtung der Einströmöffnung 460 zu lenken.
Auch ist denkbar, dass einer oder beide Rohrabschnitte 420, 425 anstatt der in den 8 und 9 gezeigten geradlinigen Ausgestaltung zumindest teilweise gekrümmt ausgebildet sind.
10 zeigt eine Draufsicht auf eine Einströmeinrichtung 500 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die Einströmeinrichtung 500 ist einstückig und materialeinheitlich aus einem Rohr gefertigt und weist eine bogenförmige Ausgestaltung mit einem U-förmigen Querschnitt (senkrecht zur Längsachse 120) auf. Die Einströmeinrichtung 500 weist einen ersten Rohrabschnitt 505 und einen zweiten Rohrabschnitt 510 auf. Zwischen den beiden Rohrabschnitten 505, 510 ist ein Austauschabschnitt 515 vorgesehen. Sowohl der erste Rohrabschnitt 505 als auch der zweite Rohrabschnitt 510 führen das Wärmeträgermedium 60 von der zweiten Zuführöffnung 165 zur zweiten Wärmesenkenabführöffnung 235.
Im Austauschabschnitt 115 sind eine Vielzahl von Austauschöffnungen 520 vorgesehen, die in der Ausführungsform als Durchgangsbohrungen ausgebildet sind. Auf eine Austrittsöffnung, wie in den 8 und 9 gezeigt, kann in der Ausführungsform verzichtet werden. Die Funktion der in den 8 und 9 gezeigten Austrittsöffnung wird in der in 10 gezeigten Ausführungsform durch die Austauschöffnungen 520 mit übernommen. Die Austauschöffnungen 520 dienen hierbei dazu das Wärmeträgermedium 60 sowohl aus der zweiten Kammer 105 in die Einströmeinrichtung 500 einzuleiten oder aus der Einströmeinrichtung 500 in die zweite Kammer 105 einzuleiten. Um diese Funktionalität bereitzustellen, weist die Einströmeinrichtung 500 eine im Wesentlichen u-förmig ausgestaltete Kontur auf.
Je nach Betriebszustand wird von der Wärmepumpe kommend über die zweite Zuführöffnung 165 ein erwärmtes Wärmeträgermedium 60 bereitgestellt. Das erwärmte Wärmeträgermedium 60 strömt über den ersten Rohrabschnitt 505 in den Speicherbehälter 65 ein. Wird von dem Heizkreislauf 35 das Wärmeträgermedium 60 benötigt, strömt das Wärmeträgermedium 60 durch den Austauschabschnitt 515 in den zweiten Rohrabschnitt 510 ein und verlässt den Schichtspeicher 15 an der zweiten Wärmesenkenabführöffnung 235 in Richtung dem Heizkreislauf 35. Wird von anderen Energieverbrauchern ein Wärmeträgermedium 60 benötigt und/oder ist der Wärmeträgermediumstrom von der Wärmepumpe 30 kommend größer als der von dem Heizkreislauf 35 benötigte Wärmeträgerstrom, so tritt das Wärmeträgermedium 60 an den Austauschöffnungen 520 aus der Einströmeinrichtung 500 in den Speicherbehälter 65 aus und wird dort gespeichert und/oder an den Energieverbraucher weitergeleitet.
In der Ausführungsform ist die Einströmeinrichtung 500 U-förmig ausgebildet. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass die Einströmeinrichtung 500 eine andersartige Kontur aufweist. Auch ist denkbar, dass die Einströmeinrichtung geradlinig ausgebildet ist.
Die in den 1 bis 10 gezeigten Ausführungsformen der verschiedenen Komponenten des Schichtspeichers 15 können selbstverständlich auch untereinander ausgetauscht und kombiniert werden. So ist beispielsweise auch denkbar, dass die Einströmeinrichtung 400, 500 auch in der ersten Kammer 100 oder der dritten Kammer 110 angeordnet wird.
Auch ist denkbar, dass auf das zweite Trennelement 80 verzichtet wird und der Schichtspeicher 15 nur zwei Kammern 100, 105 aufweist. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass zusätzliche weitere Trennelemente vorgesehen sind, um eine Anzahl der Kammern 100, 105, 110 im Schichtspeicher 15 zu erhöhen. Wesentlich dabei ist jedoch, dass der Schichtspeicher 15 ausgebildet ist, parallel mehrere Energieerzeuger 20, 30 und mehrere Energieverbraucher 25, 35 mit der für den Energieverbraucher 25, 35 korrespondierenden Temperatur des Wärmeträgermediums 60 versorgen zu können.
Selbstverständlich ist auch denkbar, dass, anders als in den 1 bis 10 gezeigt, die Wärmepumpe 30 nur ausgebildet ist, Energie für den Heizungskreislauf 35 oder den Frischwasserkreislauf für den Frischwasserwärmetauscher 25 bereitzustellen. Insbesondere ist in diesem Fall denkbar, dass die erste Kammer 100 und die zweite Kammer 105 zusammen ausgebildet sind und somit auf das erste Trennelement 75 verzichtet wird. Des Weiteren ist denkbar, einen anderen Wärmeerzeuger als eine Wärmepumpe 30 an den Schichtspeicher 15 anzuschließen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012100423 B3 [0002]

Claims

Schichtspeicher (15) zum Speichern von Wärmeenergie, – aufweisend einen Schichteinsatz (70) und einen Speicherbehälter (65), – wobei der Speicherbehälter (65) eine erste Zuführöffnung (125), eine zweite Zuführöffnung (165), eine erste Abführöffnung (130) und wenigstens eine zweite Abführöffnung (170) aufweist, – wobei mittels der ersten und der zweiten Zuführöffnung (125, 165) ein Wärmeträgermedium (60) in den Speicherbehälter (65) zuführbar und mittels der ersten und der zweiten Abführöffnung (130, 170) aus dem Speicherbehälter (65) abführbar ist, – wobei der Schichteinsatz (70) in dem Speicherbehälter (65) angeordnet ist und ein erstes Trennelement (75, 80; 300) umfasst, – wobei das erste Trennelement (75, 80; 300) den Speicherbehälter (65) in eine erste Kammer (100) und wenigstens eine zweite Kammer (105) trennt, dadurch gekennzeichnet, dass – der Schichteinsatz (70) sich im Wesentlichen vollständig horizontal durch den Speicherbehälter (65) erstreckt, so dass die erste Kammer (100) oberhalb der zweiten Kammer (105) angeordnet ist, – wobei an der ersten Kammer (100) die erste Zuführöffnung (125) und die erste Abführöffnung (130) und an der zweiten Kammer (105) die zweite Zuführöffnung (165) und die zweite Abführöffnung (170) angeordnet sind, – wobei mittels der ersten Zuführöffnung (125) und der ersten Abführöffnung (130) die erste Kammer (100) mit einem ersten Energieerzeuger (30) und mittels der zweiten Zuführöffnung (165) und der zweiten Abführöffnung (170) mit einem zweiten Energieerzeuger (30) verbindbar ist.
Schichtspeicher (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Trennelement (75, 80; 300) plattenförmig ausgebildet ist und einen ersten Bereich (81, 321) und wenigstens einen zweiten Bereich (82, 320) umfasst, – wobei der erste Bereich (81, 321) ausgebildet ist, eine hydraulische Trennung zwischen den beiden an das erste Trennelement (75, 80; 300) angrenzenden Kammern (100, 105) bereitzustellen, – wobei in dem zweiten Bereich (82, 320) wenigstens eine erste Durchgangsöffnung (85, 325) vorgesehen ist, – wobei die erste Durchgangsöffnung (85, 325) ausgebildet ist, eine hydraulische Verbindung zwischen den jeweils an das erste Trennelement (75, 80; 300) angrenzenden Kammern (100, 105, 110) bereitzustellen, – wobei der erste Bereich (81, 321) vorzugsweise ringförmig ausgebildet ist, – wobei vorzugsweise der erste Bereich (81, 320) umfangsseitig im Wesentlichen vollständig abgedichtet mit dem Speicherbehälter (65) verbunden ist.
Schichtspeicher (15) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtspeicher (15) eine Längsachse (120) aufweist, – wobei das erste Trennelement (300) einen dritten Bereich (330) und einen vierten Bereich (335) umfasst, – wobei der dritte Bereich (330) ausgebildet ist, eine hydraulische Trennung zwischen den beiden an das erste Trennelement (300) angrenzenden Kammern (100, 105) bereitzustellen, – wobei im vierten Bereich (335) mehrere zweite Durchgangsöffnungen (340) vorgesehen sind, – wobei die zweiten Durchgangsöffnungen (340) ausgebildet sind, die beiden an das erste Trennelement (300) angrenzenden Kammern (100, 105) hydraulisch zu verbinden, – wobei der vierte Bereich (335) radial innenliegend bezogen auf die Längsachse (120) zu dem dritten Bereich (330) angeordnet ist, – wobei der dritte Bereich (330) zwischen dem zweiten und dem vierten Bereich (320, 335) angeordnet ist.
Schichtspeicher (15) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vierte Bereich (335) im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist, wobei im vierten Bereich (335) die zweiten Durchgangsöffnungen (340) in einer Reihe spiralförmig um die Längsachse (120) verteilt nebeneinander angeordnet sind.
Schichtspeicher (15) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Trennelement (75, 80; 300) einen fünften Bereich (345) und einen sechsten (350) Bereich umfasst, – wobei der fünfte Bereich (345) ausgebildet ist, die an das erste Trennelement (300) angrenzenden Kammern (100, 105) hydraulisch voneinander zu trennen, – wobei im sechsten Bereich (350) mehrere dritte Durchgangsöffnungen (355) angeordnet sind, – wobei die dritten Durchgangsöffnungen (355) die an das erste Trennelement (75, 80; 300) angrenzenden Kammern (100, 105, 110) hydraulisch miteinander verbinden, – wobei der sechste Bereich (350) radial innenseitig zu dem fünften Bereich (345) angeordnet ist, – wobei der sechste Bereich (350) durch den fünften Bereich (345) umschlossen ist, – wobei der sechste Bereich (350) vorzugsweise eine im Wesentlichen kreisförmige Ausgestaltung aufweist und/oder vorteilhafterweise exzentrisch zu der Längsachse (120) angeordnet ist.
Schichtspeicher (15) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Trennelement (75, 80; 300) einen siebten Bereich (360) umfasst, – wobei im siebten Bereich (360) mehrere vierte Durchgangsöffnungen (365) zur hydraulischen Verbindung der korrespondierend an das erste Trennelement (300) angrenzenden Kammern (100, 105) vorgesehen sind, – wobei der siebte Bereich (360) radial innenliegend angrenzend an den ersten Bereich (320) angeordnet ist, – wobei der siebte Bereich (360) vorzugsweise eine im Wesentlichen rechteckförmige Ausgestaltung aufweist, – wobei insbesondere der siebte Bereich (360) gegenüberliegend bezogen auf die Längsachse (120) zum sechsten Bereich (350) angeordnet ist.
Schichtspeicher (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichteinsatz (70) ein zweites Trennelement (75, 80; 300) umfasst, – wobei das zweite Trennelement (75, 80; 300) sich im Wesentlichen vollständig horizontal durch den Speicherbehälter (65) erstreckt und zumindest teilweise eine dritte Kammer (110) gegenüber der ersten und/oder zweiten Kammer (100, 105) zu begrenzen, – wobei an der dritten Kammer (110) eine dritte Zuführöffnung (195) und eine dritte Abführöffnung (190) angeordnet sind, – wobei mittels der dritten Zuführöffnung (195) und der dritten Abführöffnung (190) die dritte Kammer (110) mit einem dritten Energieerzeuger (20) verbindbar ist.
Schichtspeicher (15) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kammer (100) oberhalb der zweiten Kammer (105) und die zweite Kammer (105) oberhalb der dritten Kammer (110) angeordnet ist.
Schichtspeicher (15) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Wärmesenkenzuführöffnung (210) und eine erste Wärmesenkenabführöffnung (120) vorgesehen sind, – wobei die erste Wärmesenkenabführöffnung (120) an der ersten Kammer (100) angeordnet ist und die erste Wärmesenkenzuführöffnung (210) an der dritten Kammer (110) angeordnet ist, – wobei die erste Wärmesenkenzuführöffnung (210) und/oder die erste Wärmesenkenabführöffnung (120) ausgebildet sind, eine Verbindung zu einem Frischwasserwärmetauscher (25) für eine Trinkwasserversorgung bereitstellen.
Schichtspeicher (15) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmesenkenabführöffnung (120) oberhalb der ersten Zuführöffnung (125) an der ersten Kammer (100) angeordnet ist.
Schichtspeicher (15) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmesenkenzuführöffnung (210) vertikal bezogen auf die Längsachse (120) zwischen der dritten Zuführöffnung (195) und der dritten Abführöffnung (190) angeordnet ist.
Schichtspeicher (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Wärmesenkenabführöffnung (235) vorgesehen ist, wobei die zweite Wärmesenkenabführöffnung (235) im Wesentlichen horizontal auf gleicher Höhe zu der zweiten Zuführöffnung (165) an der zweiten Kammer (105) angeordnet und ausgebildet ist, eine Verbindung zu einem Energieverbraucher, insbesondere einem Heizkreislauf (35), bereitzustellen.
Schichtspeicher (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einströmeinrichtung (400; 500) vorgesehen ist, die ausgebildet ist, eine Zuführöffnung (125, 165, 195) zur Bereitstellung einer Verbindung mit einem der Energieerzeuger (20, 30) mit einer Wärmesenkenabführöffnung (120, 235) der jeweiligen Kammer (100, 105) zu verbinden, – wobei die Einströmeinrichtung (400; 500) einen ersten Rohrabschnitt (420; 505), einen zweiten Rohrabschnitt (425; 510) und einen Austauschabschnitt (435; 515) umfasst, – wobei der erste Rohrabschnitt (420; 505) ausgebildet ist, das über die Zuführöffnung (125, 165, 195) der jeweiligen Kammer (100, 105, 110) bereitgestellte Wärmeträgermedium (60) von der Zuführöffnung (125, 165, 195) an den Austauschabschnitt (435; 515) zu führen, – wobei der Austauschabschnitt (435; 515) ausgebildet ist, das durch den ersten Rohrabschnitt (420; 505) bereitgestellte Wärmeträgermedium (60) in die jeweilige Kammer (100, 105, 110) aus- und/oder einzuleiten, – wobei der zweite Rohrabschnitt (425; 510) dem Austauschabschnitt (435; 515) zugeordnet ist, – wobei der zweite Rohrabschnitt (425; 510) ausgebildet ist, das durch den Austauschabschnitt (435; 515) bereitgestellte Wärmeträgermedium (60) und/oder das in der jeweiligen Kammer (100, 105, 110) anordenbare Wärmeträgermedium (60) an die Wärmesenkenabführöffnung (120, 235) zu führen.
Schichtspeicher (15) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmeinrichtung (500) rohrförmig und bogenförmig ausgebildet ist, wobei der Austauschabschnitt (515) zwischen den Rohrabschnitten (505, 510) angeordnet ist.
Schichtspeicher (15) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rohrabschnitt (420) ein festes Ende (430) und ein freies Ende (455) umfasst, – wobei an dem festen Ende (430) der erste Rohrabschnitt (420) mit der Zuführöffnung (125, 165, 195) verbunden ist, – wobei an dem freien Ende (455) des ersten Rohrabschnitts (420) wenigstens eine Austrittsöffnung (460) vorgesehen ist, – wobei der zweite Rohrabschnitt (425) ein festes Ende (465) und ein freies Ende (455) umfasst, – wobei das feste Ende (465) des zweiten Rohrabschnitts (425) an der Wärmesenkenöffnung (120, 235) angeordnet ist, – wobei an dem freien Ende (440) des zweiten Rohrabschnitts (425) der Austauschabschnitt (435) angeordnet ist, – wobei der Austauschabschnitt (435) wenigstens eine Austauschöffnung (445) umfasst, – wobei die Austrittsöffnung (460) im Wesentlichen gegenüberliegend zu der Austauschöffnung (445) angeordnet, – wobei der Austauschabschnitt (445) ausgebildet ist, zumindest teilweise das aus der Austrittsöffnung (445) austretende Wärmeträgermedium (60) aufzufangen und zumindest teilweise aus der Kammer (100, 105, 110) auszuleiten sowie in den zweiten Rohrabschnitt (425) einzuleiten.