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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Warmwasserspeicher, insbesondere einen Schichtenspeicher,
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bislang waren sogenannte Schichtenspeicher
nur aus dem Solarbereich bekannt und dienten als Pufferspeicher
ab ca. 500 Liter Wasserinhalt, bei denen Warmwasser mit unterschiedlichen
Temperaturniveaus exakt in die entsprechende Schicht eingeführt wird.
Mittels einer mit Hilfe von Sonnenkollektoren aufgefangenen bzw.
erzeugten Wärme
wird Wasser erwärmt
und gespeichert und steht als solaraufgeheiztes Speicherwasser sofort
der Warmwasserbereitung oder auch der Heizungsunterstützung zur Verfügung. Die
Schichtenleittechnik bewirkt hierbei eine Effektivitätssteigerung
gegenüber
herkömmlichen
Speichern mit Durchlaufrohrwendeln, so daß aus einem Schichtenspeicher
die doppelte bis dreifache Menge an Warmwasser entnommen werden kann.
Bei einem Schichtenspeicher wird eine Temperaturschichtung des Wärmeträgermediums – hier des Wassers – ausgebildet,
wobei sich im oberen Bereich des Schichtenspeichers das Wärmeträgermedium mit
der höchsten
Temperatur befindet und sich am Boden des Schichtenspeichers das
Wärmeträgermedium
mit der tiefsten Temperatur sammelt. Problematisch bei diesen bekannten
Schichtenspeichern ist eine Durchmischung des Wärmeträgermediums, was zu einer erheblichen
Effektivitätsminderung
führt.
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Zwar sind seit einiger Zeit kleine
Schichtenspeicher, teilweise in Kombination mit einem Brennwertgerät bekannt.
Nachteilig bei den dortigen Schichtenspeichern ist jedoch, daß bereits
bei geringen Warmwasserzapfmengen die angegebenen Leistungsdaten
nicht erreicht werden. Der Grund dafür ist eine Durchmischung von
warmem mit kaltem Wasser, wodurch eine Effizienz- bzw. Effektivitäts- und
Komforteinbuße
entsteht. Der ungünstigen Durchmischung
und der Störung
der Thermoschichtung wurde versucht, mittels entsprechender Leit- und
Verteileinrichtungen zu begegnen, die zumeist sehr aufwendig konstruiert
sind.
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Die deutsche Gebrauchsmusterschrift
G 83 10 136.5 zeigt zur
Lösung
dieses Problems einen Warmwasserschichtenspeicher, bei dem bei Zuführung größerer Wassermengen
durch ein Eintrittsrohr eine Störung
der Schichtung von warmem und kaltem Wasser in dem Speicherbehälter verhindert
wird. Dies wird dadurch erreicht, daß das offene Ende eines Eintrittsrohrs
in einen Topf ragt. Der horizontale Boden des Topfes ist mit einem
Abstand von dem offenen Ende des Eintrittsrohrs angeordnet und dessen
Rand erstreckt sich nach oben über
die Höhe
des offenen Endes des Eintrittsrohrs. Dadurch wird eine im wesentlichen
vertikal nach oben, d.h. in Richtung oberer Behälterwand, gerichtete Strömung erzeugt, die
an der oberen Behälterwand
quasi abprallt und zu einer Durchmischung eines Hauptvolumens des
dortigen Schichtenspeichers führt.
Dieser Effekt tritt umso nachteiliger in Erscheinung, je höher die
Strömungsgeschwindigkeit
von in den Schichtenspeicher strömendem
Wärmeträgermedium
ist. Diesem Problem kann zwar dadurch begegnet werden, daß der Topf
in einem größeren Abstand
von der zugeordneten Behälterwand
angeordnet wird; in nachteiliger Weise wird hiermit jedoch eine
verstärkte
unmittelbare Vermischung des Hauptvolumens des Schichtenspeichers
in Kauf genommen. Eine temperaturmäßige Durchmischung des in dem
Schichtenspeicher befindlichen Wassers ist somit allenfalls unmittelbar unter
dem Topfboden minimiert; eine tatsächliche Verhinderung einer
ungewollten Durchmischung des Wasservolumens ist mittels der dort
vorgestellten Vorrichtung jedoch nicht zu erreichen. Darüber hinaus
schlägt
die dortige Gebrauchsmusterschrift keinerlei Maßnahme vor, um eine Schichtenstörung im unteren
Bereich des Speicherbehälters,
nämlich
an dem Einlauf des Kaltwasserabzugsrohres zu verhindern, so daß, insbesondere
bei einem hohen Zapfvolumen, zwangsläufig eine die Schichtung störende Strömung entsteht,
die sich in das gesamte Hauptvolumen des Schichtenspeichers hinein
auswirkt.
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Ein weiterer Nachteil, der sich als
problematisch bei der Entwicklung von schichtenstörungsfreien
bzw. -minimierten Schichtenspeichern stellt, ist die, insbesonder
im Haushaltsbereich, üblichen Raumhöhen angepaßte Abmessung
von Warmwasserschichtenspeichern, wobei das Verhältnis von Speicherhöhe zu Speicherdurchmesser
bei etwa 1:1,1 liegt. Angesichts dieser Geometrie müssen besondere
Maßnahmen
getroffen werden, die eine unerwünschte
Vermischung von Kalt- und Warmwasser wirkungsvoll verhindern. Solche
Maßnahmen
sind aus dem Stand der Technik bislang noch nicht bekannt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen Warmwasserschichtenspeicher zur Verfügung zu
stellen, bei dem mit möglichst
geringem konstruktivem Aufwand auch bei hohen Zapfvolumina keine
nennenswerte Vermischung von Kalt- und Warmwasser stattfindet, so
daß eine
höchstmögliche Verfügbarkeit
von Warmwasser gewährleistet
ist.
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Diese Aufgabe wird mit einem Warmwasserspeicher,
insbesondere Schichtenspeicher, gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Insbesondere wird die Aufgabe durch
einen Warmwasserspeicher, insbesondere Schichtenspeicher, mit einem
Kaltwasserzulauf, einer Brauchwasserentnahmeleitung und einem aus
einem unteren Bereich desselben wegführenden Kaltwasserabzug, im
Verlauf dessen eine Umwälzpumpe
angeordnet ist und der zu einer Wärmequelle führt, von der aus eine Warmwasserleitung
in einen oberen Bereich des Schichtenspeichers mündet, gelöst, wobei dem Einlaß der in
den oberen Bereich des Schichtenspeichers mündenden Warmwasserleitung und/oder
dem Einlauf des aus dem unteren Bereich des Schichtenspeichers wegführenden
Kaltwasserabzugs eine obere bzw. eine untere Wasserleit- und -verteileinrichtung
zugeordnet sind.
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Ein wesentlicher Punkt der Erfindung
besteht darin, daß mittels
der Wasserleit- und -verteileinrichtung im Boden- und Deckelbereich
des Schichtenspeichers Störungen
im Temperaturprofil des in dem Schichtenspeicher enthaltenen Wassers
auf ein Minimum reduziert werden können. In vorteilhafter Weise ist
somit im Speicherladebetrieb, d.h. beim Zuführen von Warmwasser, eine temperaturgenaue
Einschichtung des Warmwassers von oben nach unten gewährleistet.
Darüber
hinaus ist gewährleistet,
daß auch
durch den Abzug von Kaltwasser keine sich in das Hauptvolumen des
Schichtenspeichers auswirkende Strömung, welche die Temperaturschichtung innerhalb
des Schichtenspeichers stören
würde,
verursacht wird. Zudem ist unter Verwendung der erfin dungsgemäßen Wasserleit-
und -verteileinrichtung sichergestellt, daß eine Aufheizung aus dem kalten Zustand
keine merklichen Temperaturschwankungen während der Zapfung auslöst, so daß abgezogenes Trink-
oder Brauchwasser bis hin zu hohen Zapfvolumina von beispielsweise
15 l/min bis 25 l/min im wesentlichen immer die gleiche Temperatur
aufweist.
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Es sei betont, daß die erfindungsgemäße Wasserleit-
und -verteileinrichtung sowohl im Boden- als auch im Deckelbereich
des Schichtenspeichers einzeln oder in Kombination miteinander,
je nach gewünschter
und/oder vorgegebener Geometrie des Schichtenspeichers vorgesehen
sind.
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Gemäß einer Ausführungsform
weist die obere Wasserleit- und -verteileinrichtung eine sich etwa
horizontal erstreckende, als Prallplatte wirkende Verteilplatte
auf, auf die das einzuspeichernde Warmwasser so gelenkt wird, daß sich zustromseitig der
Verteilplatte eine im wesentlichen horizontal verlaufende Strömung ausbildet.
In bevorzugter Weise ist so gewährleistet,
daß einzuspeicherndes
und in den Schichtenspeicher einströmendes Warmwasser nicht strahlförmig in
das Hauptvolumen des Schichtenspeichers einströmt und zu einer Durchmischung der
Schichten und einer damit einhergehenden Störung der Temperaturschichtung
des in dem Schichtenspeicher bereits enthaltenen Wassers führt.
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Durch die als Prallplatte wirkende
Verteilplatte wird das einströmende
Warmwasser oberhalb des Niveaus der Verteilplatte so umgelenkt,
daß es
im wesentlichen horziontal strömt
und oberhalb der Verteilplatte eine im wesentlichen ringförmige Strömung ausbildet,
die sich nur allmählich
in Richtung Kaltwasser ausbreitet und letzteres quasi nach unten wegsiebt,
ohne jedoch eine Vermischung mit dem Kaltwasser zu bewirken.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn das
erfindungsgemäße Leit-
und Verteilsystem eine relativ große Dimensionierung der Verteilplatte
vorsieht, um eine optimierte Strömungsführung zu
gewährleisten.
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Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung ist ein einer Wandung des Schichtenspeichers zugewandtes
Ende der Verteilplatte in Richtung einer Zustromseite so abgewinkelt,
daß sich
dort eine in Richtung der Zustromseite wirkende Strömung ausbildet.
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Auf diese Weise ist gewährleistet,
daß an
der Verteilplatte eine gleichmäßige homogene
Strömung in
im wesentlichen horizontaler Ebene mit einem geringen Anteil nach
oben entsteht. Somit werden in den Schichtenspeicher einlaufende
Strömungen durch
die erfindungsgemäße Wasserleit-
und -verteileinrichtung in vorteilhafter Weise so umgelenkt, daß diese
auf den obersten Volumenbereich des Schichtenspeichers eingegrenzt
sind. Temperaturschwankungen, auch zu Beginn des Ladevorgangs, werden somit
ausgeglichen, da eine Durchmischung des Schichtenspeicherinhalts
von vorneherein ausgeschlossen ist.
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Erfindungsgemäß findet eine Warmwasserzapfung
im Deckelbereich des Schichtenspeichers statt. Dadurch, daß einströmendes Warmwasser
strömungstechnisch
so umgelenkt wird, daß es zunächst nur
im obersten Volumenbereich des Schichtenspeichers vorhanden ist,
ist eine Warmwasserzapfung auch bei einem völlig entladenen Speicher praktisch
unmittelbar möglich,
da eine Abkühlung
des einströmenden
Warmwassers mit einem schichtenmäßig darunter
befindlichen Kaltwasser nicht stattfindet.
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Erfindungsgemäß ist die dem Kaltwasserabzug
zugeordnete Wärmequelle
ein Wärmetauscher, der
Teil eines gesonderten Heizungsmoduls ist. Die Verwendung eines
gesonderten Heizungsmodul ist deshalb besonders vorteilhaft, da
auf diese Weise eine aufwendige Integration einer Wärmequelle
in den Warmwasserspeicher nicht notwendig ist. Der Warmwasserspeicher
läßt sich
im Gegenteil universell an nahezu jede mögliche Wärmequelle anschließen. Hierbei
sei an übliche
Heizungsmodule, jedoch auch an Fernwärmemodule, an Sonnenkollektoren mit
zugeordneten Heizungsmodulen oder an separate Gas- oder Ölbrenner
gedacht. Prinzipiell ist der Einsatz eines jeden mit einem Wärmetauscher
versehbaren wärmeerzeugenden
Moduls möglich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist der Warmwasserspeicher ein Teil eines gesonderten
Schichtenspeichermoduls, der mit einem Heizungsmodul kombinierbar
ist, wobei die energetische Verbindung der beiden Module lediglich über die
in den oberen Bereich des Schichtenspeichers mündende Warmwasserleitung einerseits
und den aus dem unteren Bereich des Schichtenspeichers wegführenden
Kaltwasserabzug andererseits erfolgt. Durch eine solche Minimierung
der Anschlüsse
ist eine besonders einfache Verbindung bzw. leichte Montage an dem
Aufstellungsort möglich. Darüber hinaus
läßt sich
der erfindungsgemäße Schichtenspeicher
besonders einfach an, insbesondere schon bestehenden, Heizungsmodulen
anbringen. Im aufwendigsten Falle ist lediglich die Nachrüstung eines
entsprechenden Wärmetauschers
im Primärkreislauf
des Heizungsmoduls notwendig, wobei ein solcher, beispielsweise
bei Solarkollektorsystemen, im allgemeinen bereits vorhanden ist.
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Im allgemeinen ist in vorteilhafter
Weise lediglich die Anbringung von zwei Rohr- bzw., insbesonder
temperaturresistenten, Schlauchverbindungen notwendig, um das Heizungsmodul
mit dem Schichtenspeichermodul zu verbinden. Eine im Verlauf des
Kaltwasserabzugs angeordnete Umwälzpumpe
kann alternativ sowohl in dem Schichtenspeichermodul als auch in
dem Heizungsmodul vorgesehen sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind die beiden Module jeweils innerhalb gesonderter Gehäuse angeordnet.
Auf diese Weise kann eine räumliche
Entkopplung des Heizungsmoduls von dem Schichtenspeichermodul stattfinden,
wobei diese lediglich über
einen Kaltwasserabzug und eine Warmwasserzuleitung von bzw. zu dem
Schichtenspeichermodul verbunden sind. Eine effektive Platzausnutzung,
beispielsweise im Keller eines Hauses, ist auf diese Weise möglich. Darüber hinaus
sind die jeweils innerhalb gesonderter Gehäuse angeordneten Module jeweils
für sich genommen
relativ handlich und deshalb einfach zu transportieren und aufzustellen.
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Alternativ zu dieser Ausführungsform
sind die beiden Module innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses, vorzugsweise übereinander,
angeordnet. Die Verwendung eines gemeinsamen Gehäuses erfordert einen geringeren
Materialaufwand und bietet optimierte Anschlußmöglichkeiten der beiden Module aneinander.
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Die Kombination eines Heizungsmoduls
mit einem integrierten Schichtenspeicher ist insbesondere für Ein- oder
Zweifamilienhäuser
eine besonders effektive Lösung
mit einem geringen Platzbedarf. Bei Geräten üblicher Größe kann die Stellfläche auf
bis zu etwa 50 cm × 50
cm bei einer Bauhöhe
von etwa 140 cm bis 150 cm reduziert werden. Mit einer solchen Höhe kann
die komplette Baueinheit aus beiden Modulen beispielsweise auch
unter Dachschrägen problemlos
untergebracht werden.
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Erfindungsgemäß ist für einen sogenannten „kleine
Schichtenspeicher" vorzugsweise
ein in einem Heizungsmodul eingebauter Plattenwärmetauscher vorgesehen, mittels
dem das Warmwasser erzeugt wird. Ein solcher „kleiner Schichtenspeicher" weist eine in dem
Heizungsmodul angeordnete, vorzugsweise korrosionsbeständige und
mehrstufige Umwälzpumpe
auf, mittels derer der „Schichtenspeicher-Wasserkreislauf" betrieben wird.
Die Umwälzpumpe
kann als Trinkwasserpumpe ausgeführt
sein.
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Wie bereits vorerwähnt, findet
eine Warmwasserzapfung vorzugsweise im Deckelbereich des Schichtenspeichermoduls
statt. Um quasi einen Kurzschluß zwischen
Warmwassereinlaß und Brauchwasserauslaß, der ebenfalls
im Deckelbereich des Schichtenspeichermoduls stattfindet, zu vermeidet,
weist die obere Wasserleit- und -verteileinrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zwischen dem Warmwassereinlaß und dem Brauchwasseraulaß einen
sich vertikal erstreckenden Plattenschenkel auf, der eine direkte
Strömungsverbindung
zwischen dem Warmwassereinlaß und dem
Brauchwasserauslaß verhindert.
Die Warmwasserentnahme ist dadurch vor direkter Zuströmung abgeschirmt,
womit ebenfalls Temperaturschwankungen zu Beginn des Ladevorgangs
am Brauchwasserauslaß unterbunden
werden. Auch dadurch wird bei gleichzeitiger Warmwasserzapfung eine
gleichmäßige Zapftemperatur
sichergestellt.
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Von Vorteil ist es, wenn die obere
Wasserleit- und -verteileinrichtung durch eine L-förmige
Platte gebildet wird, die so angeordnet ist, daß die offene Seite dem Brauchwasserauslaß abgewandt
ist. Dadurch ist lediglich ein einziges integriertes Bauteil notwendig,
welches die genannten Vorteile in sich vereinigt und konstruktiv
einfach aufgebaut sowie leicht zu fertigen und zu montieren ist.
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Bevorzugt mündet der Warmwassereinlaß in einem
geringen Abstand, vorzugsweise im Bereich von 2 mm bis 80 mm, bevorzugt
im Bereich von 5 mm bis 50 mm und besonders bevorzugt im Bereich
zwischen 10 mm und 30 mm vor der Verteilplatte. Dadurch wird die
Wirkung der oberen Wasserleit- und -verteileinrichtung erhöht und eine
Aus weitung des Strömungseinflusses
auf die Temperaturschichtung unterhalb des Niveaus der Verteilplatte
ausgeschlossen.
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Von Vorteil ist es, wenn der Kaltwasserabzug ein
Tauchrohr umfaßt,
an das der Kaltwasserzulauf anschließbar ist. Grundsätzlich ist
ein Kaltwasserabzug auch am unteren Teil des Schichtenspeichers, beispielsweise
nach unten, möglich,
wodurch allerdings eine leichte Montage eines Heizungsmoduls über einem
Schichtenspeichermodul erschwert ist. Durch die Ausbildung des Kaltwasserabzugs
mit einem Tauchrohr durch den Deckelbereich des Schichtenspeichers,
an dem auch eine Warmwasserleitung und eine Brauchwasserentnahmeleitung
angeordnet sind, liegen alle wesentlichen Anschlüsse für den Betrieb des Schichtenspeichers
an einer Energiequelle konstruktiv so nahe beieinander, daß eine leichte Kopplung
eines Heizungsmoduls mit einem Schichtenspeichermodul unter Inanspruchnahme
der vorstehend genannten Vorteile möglich ist.
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Von Vorteil ist weiterhin, wenn die
untere Wasserleit- und -verteileinrichtung eine Verteilplatte aufweist,
die sich in dem unteren Bereich des Schichtenspeichers in im wesentlichen
horizontaler Richtung erstreckt und mit einer Öffnung versehen ist, durch
welche sich der Kaltwasserabzug hindurch erstreckt. Das kalte Leitungswasser
wird über
den Kaltwasserabzug, der bevorzugt ein Tauchrohr umfaßt, von
oben zum Bodenbereich des Schichtenspeichers geführt und strömt dabei unterhalb der Verteilplatte
in einen Kaltwasserbereich. Dies bewirkt eine räumliche Begrenzung der Strömung nach
oben, da die Mündung
des Tauchrohrs unterhalb des Verteilplattenniveaus liegt, wobei
sich unterhalb der Verteilplatte eine Horizontalströmung ausbildet.
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Bevorzugt weist die untere Wasserleit-
und -verteileinrichtung eine in einem Abstand zu der Mündung des
Schichtenspeichers angeordnete vertikale Leitplatte auf. Durch die
vertikale Leitplatte bilden sich zwei Teilströmungen, die im Bereich des
Behälterbodens
verlaufen. Eine Strömung
nach oben und damit eine Zerstörung
der Schichtung auch bei einer hohen Zapfmenge wird durch die im
wesentlichen horizontal verlaufende Verteilplatte wirkungsvoll verhindert.
Der Warmbereich bleibt damit ungestört und gewährleistet eine gleichmäßige Abzapftemperatur.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn
die untere Wasserleit- und -verteileinrichtung durch eine, insbesondere
L-förmige,
Platte gebildet wird, deren freie Schenkel so an der Wandung des
Schichtenspeichers anliegen, daß zumindest
eine seitwärtige Öffnung entsteht,
durch die eine Fluidverbindung eines Kaltwasserbereichs mit einem
Hauptvolumen des Schichtenspeichers ermöglicht ist. Damit ist lediglich ein
integriertes Bauteil notwendig, um die vorstehend genannten Vorteile
zu erhalten, wie sie auch bei einer derart geformten Platte der
oberen Wasserleit- und -verteileinrichtung ersichtlich sind.
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Von Vorteil ist es, wenn der erfindungsgemäße Warmwasserspeicher
einen Temperaturfühler aufweist,
der etwa auf Höhe
des Einlaufs des Kaltwasserabzugs angeordnet ist und dessen gemessene
Speichertemperatur bei Überschreiten
einer Differenz zu einer vorgegebenen Speicherladetemperatur das
Einspeichern von Warmwasser in den Schichtenspeicher auslöst. Damit
ist eine schnelle Reaktion bei Speicherladung durch die Positionierung
des Temperaturfühlers
im Bodenbereich des Schichtenspeichers und dort auf der angegebenen
Höhe gewährleistet,
da eine Temperaturabweichung von der gewünschten Warmwassertemperatur
als erstes im unteren, also Kaltwasser-Bereich, des Schichtenspeichers
auftritt. Versuche haben gezeigt, daß mit der Erfindung eine hohe
Leistungskennzahl von 2,1 und mehr erzielbar ist, was ein Indiz
für einen
effizienten und komfortablen Speicherbetrieb ist. Die Speicherladetemperatur
wird üblicherweise
an der Warmwasserleitung, d.h. am Warmwasserausgang des Wärmetauschers
im sekundären
Kreislauf abgenommen.
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Bevorzugt liegt die Differenz zwischen
der gemessenen Speichertemperatur und der vorgegebenen Speicherladetemperatur
in einem Bereich zwischen 1 K und 50 K, vorzugsweise zwischen 3
K und 10 K. Dadurch wird eine relativ rasche Reaktion auf einen
Temperaturabfall der Speicherschicht im Bodenbereich des Schichtenspeichers
sichergestellt, welche einen entsprechenden Ladevorgang erfordert.
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Bevorzugt liegt ein Volumenstrom
einzuspeichernden Warmwassers zwischen 1 l/min und 50 l/min, vorzugsweise
2 l/min und 25 l/min und besonders bevorzugt 3 l/min und 8 l/min,
womit hohe bis durchschnittliche Zapfvolumina abgedeckt sind, die sich
gemäß dem Stand
der Technik als problematisch und nicht effektiv realisierbar erwiesen
haben.
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Von Vorteil ist es, wenn in der Warmwasserleitung
ein Rückschlagventil
angeordnet ist, das ein Ausströmen
eingespeicherten Warmwassers aus dem Schichtenspeicher, insbesondere
außerhalb des
Ladebetriebs, verhindert. Dadurch wird das Warmwasser im oberen
Bereich des Schichtenspeichers nicht durch nachströmendes Kaltwasser
aus dem Schichtenspeicher verdrängt
und damit die Funktion des Speichers beeinträchtigt.
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Ein weiterer Vorteil entsteht dadurch,
wenn zum Unterbinden sowie zum Detektieren von Korrosion eine in
den Schichtenspeicher hineinragende Magnesiumschutzanode vorgesehen
ist. Dadurch werden die üblicherweise
in Edelstahl ausgeführten Bauteile
eines Warmwasserschichtenspeichers nicht von Rost angegriffen und
das Brauchwasser (Trinkwasser) in seiner Qualität nicht beeinträchtigt.
Je nach dem Grad der Korrosion der Magnesium-Schutzanode läßt sich
auf einfache Weise feststellen, ob in dem Schichtenspeicher eine
Korrosion stattfindet.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird
im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Gasbrennwertzentrale, mit einem erfindungsgemäßen Schichtenspeicher in einem Schichtenspeichermodul,
welcher mit einem Heizungsmodul kombiniert ist; und
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2 das
abgetrennte Schichtenspeichermodul der 1.
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Die 1 zeigt
eine Gasbrennwertzentrale, bestehend aus einem Schichtenspeichermodul 22 mit
integriertem Schichtenspeicher 18, welcher mit einem Heizungsmodul 21 kombiniert
ist. Das Heizungsmodul 21 zeigt einen Primärheizkreislauf
mit einem gasbetriebenen Heizwasserwärmetauscher 10, dem über eine
Heizkreispumpe 8 Wasser aus dem Heizungsrücklauf zugeführt wird.
Das dann im Heizwasserwärmetauscher 10 erhitzte
Wasser verläßt diesen
wieder über
ein Dreiwegeumschaltventil 11 in den Heizungsvorlauf. Zur
Sicherung des Heizungsvorlaufs ist ein Überströmventil 14 zwischen diesem
und dem Heizungsrücklauf
vorgesehen. Zur energetischen Versorgung des Schichtenspeichermoduls 22 und
des darin integrierten Schichtenspeichers 18 ist auf Seiten
des Heizungsmoduls 21 ein parallel durchströmter Plattenwärmetauscher 9 vorgesehen.
Dieser ist mit seinem Heißwasserzulauf über das
Dreiwegeumschaltventil 11 an den Heizungsvorlauf und mit
seinem Kaltwasserablauf an den Heizungsrücklauf angeschlossen und so
in den Primärheizkreislauf
integriert.
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Ein Sekundärheizkreis des Schichtenspeichermoduls 22 besteht
aus einer Kaltwasserleitung 15, über die dem Plattenwärmetauscher 9 über eine im
Heizungsmodul 21 angeordnete Umwälzpumpe 7 aufzuwärmendes
Kaltwasser zugeführt
wird. Weiterhin umfaßt
der Sekundärheizkreis
eine von dem Plattenwärmetauscher 9 abgehende
Warmwasserleitung 17, in welcher ein Rückschlagventil 13 angeordnet ist,
und über
die Warmwasser dem oberen Bereich des Schichtenspeichers 18 zugeführt wird.
Schließlich
wird der sekundäre
Heizkreislauf durch eine vom oberen Bereich des Schichtenspeichers 18 abgehende
Brauchwasserentnahmeleitung 16 vervollständigt. Weiterhin
ist ein mit dem Kaltwasserzulauf 15 verbundener Kaltwasserabzug 4 vorgesehen,
dessen Einlauf im unteren Bereich des Schichtenspeichers 18 liegt.
Eine Magnesium-Schutzanode 6 beugt Korrosion der üblicherweise
aus Metall gefertigten Teile des Schichtenspeichermoduls 22 vor.
Die Speichertemperatur Tsp im unteren Bereich des Schichtenspeichers 18 wird über einen
dort angeordneten Temperaturfühler 12 gemessen.
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Zum Verhindern einer Vermischung
von Kalt- und Warmwasser im oberen und im unteren Bereich des Schichtenspeichers 18 sind
jeweils L-förmig
ausgebildete obere bzw. untere Wasserleit- und -verteil-einrichtungen 19, 20 vorgesehen.
Ein Brauchwasserauslaß der
Brauchwasserentnahmeleitung 16 ist im oberen Bereich des
Schichtenspeichers 18 durch die obere Wasserleit- und -verteileinrichtung von
einem Warmwassereinlaß 1 der
Warmwasserleitung 17 abgeschirmt. Die untere Wasserleit-
und -verteileinrichtung 20 liegt mit ihren Schenkeln an Seiten-
und Bodenwandungen 25 des Schichtenspeichers 18 an,
wobei der Einlauf 3 des Kaltwasserabzugs 4 (und
der Temperaturfühler 12)
in dem durch die untere Wasserleit- und -verteileinrichtung 20 und die
Wandung 25 begrenzenden Raum liegt.
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Die gezeigte Gasbrennwertzentrale
mit Heizungsmodul 21 und Schichtenspeichermodul 22 kann
in verschiedenen möglichen
Betriebsarten gefahren werden. Im Speicherladebetrieb sind dabei drei
Betriebsarten möglich:
- 1. In dem Fall, in dem keine Warmwasserzapfung vorgenommen
wird und eine Temperaturanforderung durch den Temperaturfühler 12 vorliegt (Temperaturdifferenz
zur Speicherladetemperatur 3K bis 10K) läuft die Umwälzpumpe 7 an und der Heizwasserwärmetauscher 10 geht
in Betrieb oder schaltet aus dem Heizbetrieb um. Aus dem unteren
Bereich des Schichtenspeichers 18 wird über den Kaltwasserabzug 4 Wasser
angesaugt, in dem Plattenwärmetauscher 9 erwärmt und über die
Warmwasserleitung 17 in den Schichtenspeicher 18 eingeschichtet,
bis die am Temperaturfühler 12 eingestellte
Speicherladetemperatur erreicht ist.
- 2. In dem Fall, in dem über
die Warmwasserentnahmeleitung 16 gezapft wird und eine
Temperaturanforderung durch den Temperaturfühler 12 vorliegt,
gehen die Umwälzpumpe 7 und
der Heizwasserwärmetauscher 10 in
Betrieb. Liegt dabei die Zapfmenge unter dem geforderten Volumenstrom
der Umwälzpumpe 7,
wird kein Wasser über
den Kaltwasserabzug 4 entnommen. Es wird nur Kaltwasser
aus dem Kaltwasserleitungsnetz erwärmt. Der Schichtenspeicher 18 wird
aufgeheizt, bis die eingestellte Speicherladetemperatur am Temperaturfühler 12 erreicht
ist.
- 3. In dem Fall, in dem über
den Warmwasserablauf gezapft wird und eine Temperaturanforderung durch
den Temperaturfühler 12 vorliegt,
gehen die Umwälzpumpe 7 und
der Heizwasserwärmetauscher 10 in
Betrieb. Liegt dabei die Zapfmenge über dem geforderten Volumenstrom
der Umwälzpumpe 7,
fließt
auch Leitungswasser über
den Kaltwasserabzug 4 nach unten in den Schichtenspeicher 18.
Das Kaltwasservolumen im Schichtenspeicher 18 nimmt in
diesem Fall von unten nach oben zu, wobei dieser trotz Nachladung mehr
oder weniger schnell entladen wird.
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2 zeigt
das Schichtenspeichermodul 22 mit integriertem Schichtenspeicher 18 der 1. Neben den schon beschriebenen
Komponenten sind insbesondere die obere und untere Wasserleit- und -verteileinrichtung 19, 20 zu
erkennen. Die obere Wasserleit- und
-verteileinrichtung 19 besteht aus einer L-förmigen Platte
mit einem vertikalen Plattenschenkel 24 und einer horizontalen
Verteilplatte 23, deren offenes Ende nach oben abgewinkelt
ist. Das über
die Warmwasserleitung 17 und das Rückschlagventil 13 einzuspeichernde
Warmwasser trifft nahezu senkrecht auf die Verteilplatte 23 auf
und wird in horizontaler Richtung abgelenkt. Der vertikale Plattenschenkel 24 verhindert
dabei, daß der
Brauchwasserauslaß 2 direkt
angeströmt
wird, wodurch Temperaturschwankungen beim Zapfen von Warmwasser über die
Warmwasserentnahmeleitung 16 ausgeschlossen sind. Das abgewinkelte
Ende der Verteilplatte 23 bewirkt im Zusammenspiel mit
dieser und dem vertikalen Plattenschenkel 24, daß sich zwei
im wesentlichen horizontal ringförmig
verlaufende Teilströmungen
oberhalb des Niveaus der Verteilplatte 23 im Schichtenspeicher 18 ausbilden.
Eine Beeinflussung des Temperaturprofils unterhalb der Verteilplatte 23 ist
nahezu ausgeschlossen. Eine entsprechend nahe Positionierung des
Warmwassereinlasses an der Verteilplatte 23 bewirkt eine
besonders effiziente Ausbildung dieser Strömungen.
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Die untere Wasserleit- und -verteileinrichtung 20 ist
ebenfalls L-förmig
ausgebildet und liegt mit ihren Schenkeln an der Seiten- und Bodenwandung 25 des
Schichtenspeichers 18 an. Die Wasserleit- und -verteileinrichtung 20 besteht
dabei aus einer horizontalen Verteilplatte 26 und einer
dazu vertikal verlaufenden Leitplatte 27. Der Kaltwasserabzug 4 erstreckt
sich durch die Verteilplatte 26 von oben kommend hindurch,
so daß die
Mündung 3 des
Kaltwasserabzugs 4 in dem durch die untere Wasserleit- und
-verteileinrichtung 20 und der Wandung 25 gebildeten
Raum zu liegen kommt. Durch die so getroffene Anordnung wird das über den
Kaltwasserabzug 4 eingeleitete Kaltwasser in zwei horizontale
und ringförmig
verlaufende Teilströmungen
aufgeteilt. Die Verteilplatte 26 verhindert durch ihre
entsprechend große
Dimensionierung eine Störung
des darüber
liegenden Temperaturprofils im Schichtenspeicher 18, genauso,
wie dies die Verteilplatte 23 der oberen Wasserleit- und
-verteileinrichtung 19 hinsichtlich des darunter liegenden
Bereiches bewirkt. Beide Wasserleit- und -verteileinrichtungen 19, 20 können in
Kombination oder auch einzeln eingesetzt werden, wobei keine nennenswerte
Vermischung von Kalt- und Warmwasser in dem entsprechenden Bereich
stattfindet und somit ein hoher Warmwasserkomfort mit geringem konstruktivem
Aufwand erreicht ist.
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An dieser Stelle sei darauf hingwiesen,
daß alle
oben beschriebenen Teile für
sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die
in den Zeichnungen dargestellten Details als erfindungswesentlich
beansprucht werden. Abänderungen
hiervon sind dem Fachmann geläufig.
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- 1
- Warmwassereinlass
- 2
- Brauchwasserauslass
- 3
- Einlauf
des Kaltwasserabzugs
- 4
- Kaltwasserabzug
- 5
- Kaltwasserbereich
- 6
- Magnesium-Schutzanode
- 7
- Umwälzpumpe
- 8
- Heizkreispumpe
- 9
- Plattenwärmetauscher
- 10
- Heizwasserwärmetauscher
- 11
- 3-Wege-Umschaltventil
- 12
- Temperaturfühler
- 13
- Rückschlagventil
- 14
- Überstromventil
- 15
- Kaltwasserzulauf
- 16
- Brauchwasserentnahmeleitung
- 17
- Warmwasserleitung
- 18
- Schichtenspeicher
- 19
- Obere
Wasserleit- und verteileinrichtung
- 20
- Untere
Wasserleit- und verteileinrichtung
- 21
- Heizungsmodul
- 22
- Schichtenspeichermodul
- 23
- Verteilplatte
- 24
- vertikaler
Plattenschenkel
- 25
- Wandung
- 26
- Verteilplatte
- 27
- Leitplatte
- 28
- Hauptvolumen
des Schichtenspeichers
- Tvl
- Vorlauftemperatur
- Trl
- Rücklauftemperatur
- Tsp
- Speichertemperatur