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Es ist bekannt, Warmwasserspeicher,
die in Warmwasserversorgungssysteme eingebunden sind, zur Beladung
mit internen Rohrschlangen-Wärmeübertragern
auszurüsten
(beliebiges Fachbuch der Heizungs- und Sanitärtechnik). Dabei erfolgt die Erwärmung des
Wassers im Speicher von unten nach oben, so dass erst am Ende der
Beladung die gewünschte
Speichertemperatur zur Verfügung steht.
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Um dieses Problem zu umgehen, ist
es ferner bekannt, zur Beladung die internen Rohrschlangen-Wärmeübertrager
mit einer sie umhüllenden Leiteinrichtung
auszustatten, die bis unter den oberen Speicherboden reicht (deutsches
Gebrauchsmuster
DE
296 12 894 U1 ; deutsche Offenlegungsschrift
DE 100 00 352 A1 ; Europäische Patentanmeldung
0 578 126 A2). Leiteinrichtungen ermöglichen, dass mit Ladungsbeginn
durch den Dichteunterschied sofort warmes Wasser unter den oberen Speicherboden
steigt und zur Zapfung zur Verfügung steht.
Jedoch geht mit Anstehen des warmen Wassers an der Oberkante der
unten im Speicher eingebauten Rohrschlangen-Wärmeübertrager die Ladeleistung
zurück
und die Rücklauftemperatur
des Heizmediums steigt an, wenn der Speicher vollständig durchgeladen
werden soll, was aus hygienischen Gründen wünschenswert ist. In dieser
Phase verkalkt die Rohrschlange durch die steigende Mitteltemperatur
stärker.
Eine auf der Außenseite
verkalkte Rohrschlange muss zu ihrer Reinigung aus dem Speicher ausgebaut
werden. Dies ist technisch nicht immer vorgesehen bzw. sehr aufwendig
und mit einer Entleerung des Speichers verbunden.
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Zur Umgehung dieses Problems ist
es ferner bekannt, diese Warmwasserspeicher mit externen Speicherladesets
zu beladen (deutsches Gebrauchsmuster
DE 296 12 894 U1 ; deutsche
Offenlegungsschrift
DE
100 00 352 A1 ). Mit einer Pumpe oder per Schwerkraft wird
kaltes Wasser aus dem Speicher entnommen, in einem externen leicht
spülbaren
Wärmeübertrager
indirekt erwärmt
und unter dem oberen Speicherboden oder in einer Speicherschicht
mit entsprechender Temperatur wieder in den Speicher eingeschichtet.
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Über
die gesamte Zeit des Ladungsvorganges herrschen gleichbleibende
Temperaturverhältnisse
im externen Wärmeübertrager.
Umwälzpumpen
sind jedoch bedeutende Energieverbraucher, ihre Funktion hängt von
einer zuverlässigen
Energieversorgung ab, sie unterliegen einem Verschleiß, sind
im Frischwasser angeordnet korrosionsgefährdet und als Spaltmotorpumpen
durch die Kühlung
mit dem umgewälzten
Medium an ihren heißen
Oberflächen
verkalkungsgefährdet.
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Bei freier Konvektion und Anordnung
der Wärmeübertrager
unmittelbar unter dem Wasserspeicher ergeben sich sehr große Strömungsquerschnitte,
um den geringen aus dem Naturumtrieb zur Verfügung stehenden Differenzdruck
nicht zu überschreiten.
Es sind Wärmeübertrager
mit sehr großen Querschnitten
erforderlich, die eine spezielle Berippung oder eine große Anzahl
an Rohren aufweisen. Diese sind preisintensiv, erfordern einen großen Bauraum
und führen
nicht immer zu einer befriedigenden Abkühlung des Wärmeträgermediums.
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Aus der Solartechnik ist bekannt,
Warmwasserspeicher auf dem Dach aufzustellen, und schräg darunter
einen Solarkollektor zu seiner Beladung zu installieren (deutsche
Patentschrift 38 07 605). Im Solarkollektor zirkuliert Brauchwasser
durch freie Konvektion und steigt bei Erwärmung durch Solareinstrahlung
in den – meist
auch aus optischen Gründen liegend
angeordneten Warmwasserspeicher. Eine Umwälzpumpe wird deshalb nicht
benötigt.
Liegende Wärmespeicher
haben jedoch eine vergleichsweise schlechte Wärmeschichtung. Bei einigen
Modellen kann der Speicherinhalt durch eine eingebaute elektrische
Heizpatrone nachgeheizt werden, wenn die Solareinstrahlung den Warmwasserverbrauch
nicht deckt. Elektroheizungen sind jedoch meist in den Betriebskosten
spezifisch teurer, als andere Wärmequellen
wie Erdgaskessel oder Wärmepumpen.
Der Vorteil der fremdenergiefreien Speicherbeladung wird damit wieder
aufgehoben. Mit der Installation im Freien sind hohe Wärmeverluste
verbunden, die durch eine sehr gute Wärmedämmung zwar verzögert, jedoch
nicht verhindert werden können.
In nördlichen
Breiten haben diese solaren Warmwassersysteme keine Verbreitung
gefunden, da die Solareinstrahlung vergleichsweise gering ist und deshalb
im Winter negative Außentemperaturen
auftreten, so dass nicht auszuschließen ist, dass das Brauchwasser
gefriert, was dann durch eine an sich unwirtschaftliche elektrische
Nachheizung oder durch Entleerung des Systems verhindert werden
muss. In letzterem Fall steht Warmwasser im Winter nur zur Verfügung, wenn
ein zweites System dieses bereitet, was hohe Investitionskosten
verursacht.
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Allen beschriebenen Systemen gemein
ist die meist separate Installation der trinkwasserseitig erforderlichen
Absperrarmaturen, des Rückflussverhinderers
von erwärmtem
Wasser in die Kaltwasseranschlussleitung, des Ausdehnungsgefäßes zur Kompensation
der thermischen Ausdehnung bei Erwärmung, des Sicherheitsventils
zur Druckabsicherung, der oft erforderlichen Zirkulationspumpe zur
Erhöhung
des Warmwasserkomforts, des thermostatischen Mischventils zur genauen
Einstellung der Warmwasserzapftemperatur bereits ab Speicher usw.
Die separate Installation dieser Elemente bedingt einen größeren Platzbedarf,
sie ist optisch weniger ansprechend und erfordert einen größeren Bedarf
an Montagezeit vor Ort.
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Der Erfindung liegt deshalb das Problem
zugrunde, ein optisch ansprechendes kompaktes vormontiertes System
zur Warmwasserspeicherung auch für
nördliche
Breiten wartungs- und instandhaltungsfreundlicher und verschleißärmer und
ohne Bedarf an Fremdenergie bei geringen Wärmeverlusten wirtschaftlich
und sicher betreibbar zu gestalten.
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Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbaren
Vorteile bestehen gemäß Anspruch
1 darin, dass insbesondere in nördlichen
Breiten für
die Warmwasserbereitung im Schichtspeicher weder unbedingt ein Solarkollektor
oder eine elektrische Heizpatrone noch eine gesonderte Brauchwasserumwälzpumpe
oder ein interner Wärmeübertrager
erforderlich sind, der Warmwasserspeicher mit jeder üblichen
Wärmequelle
beheizt werden kann, die Wärmeverluste
gering sind und im Winter indirekt genutzt werden, ein serienmäßiger Wärmeübertrager
verwendet werden kann, alle trinkwasserseitig erforderlichen Armaturen
unter einer schützenden
formschönen
Hülle verdeckt
vormontiert sind, eine geringe Stellfläche benötigt wird und deshalb die oben
beschriebenen Nachteile der Systeme des bekannten Standes der Technik
an der erfindungsgemäßen Vorrichtung
nicht auftreten.
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Die Ausgestaltung nach Anspruch 2
ermöglicht
es, die trinkwasserseitig erforderlichen Elemente preiswert und
dauerhaft untereinander zu verbinden, ohne dass ein größerer hydraulischer
Widerstand entsteht.
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Mit der Ausgestaltung nach den Ansprüchen 3 oder
4 wird es möglich,
dass die in den Speicher eintretenden Wasserströme – das Kaltwasser, das Warmwasser
aus dem Wärmeübertrager
und die Zirkulation keine größeren Verwirbelungen
erzeugen, die die Schichtung im Speicher zerstören.
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Mit der Ausgestaltung nach Anspruch
5 ist es möglich,
den Wasserspeicher bereits bei Zapfbeginn zu beladen und dadurch
klein zu halten.
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Die Ausgestaltung nach Anspruch 6
ermöglicht
die Ausrüstung
des Wasserspeichers mit serienmäßigen Wärmeübertragern,
die preiswerter sind, als Sonderanfertigungen.
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Die Ausgestaltung nach Anspruch 7
ermöglicht
die wirtschaftliche verlustarme Fertigung des Speichergestells.
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Die Ausgestaltung gemäss Anspruch
8 reduziert die Wärmeverluste
des Speicherbehälters
auf ein Minimum.
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Bei der Nutzung der Merkmale des
Anspruches 9 kann die Korrosion von Speicherbehälter und Wärmeübertrager verhindert oder zumindest
minimiert werden.
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Die Ausgestaltung gemäss Anspruch
10 reduziert die Wärmeverluste
der Anschlussarmaturen per Wärmeleitung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
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Die 1 zeigt
einen Warmwasserspeicher, bestehend aus einem separaten wärmegedämmten Speicherbehälter 1,
einem darunter leicht schräg
mit dem Warmwasserstutzen nach oben angeordneten Wärmeübertrager 2,
verbindenden Rohrleitungen 3, Anschlussrohrleitungen 4,
thermisch entkoppelten Anschlussarmaturen 5, einem Rückflussverhinderer 6,
einem Druckausdehnungsgefäß 7,
einem Sicherheitsventil 8, sowie optional einer Zirkulationspumpe 9 und
einem thermostatischen Mischventil 10. Vorschriftgemäß ist auch
ein Erdungsanschluss 11 vorgesehen. Bei Ausführung des
Speicherbehälters 1 aus
emailliertem Stahl wird zusätzlich
ein elektrochemischer Korrosionsschutz, zum Beispiel mit einer Magnesium-Opferanode 12 erforderlich,
die vorteilhafterweise von unten in den Speicherbehälter 1 eingebracht
wird. Im Speicherbehälter 1 ist
ein Prallblech 13 und im oder am Speicherbehälter 1 die
Hülse für einen
Temperaturfühler 14 befestigt.
Alle Elemente 1 bis 11 sind an einem Speichergestell 15 befestigt
und von ihm getragen und von einer schützenden optisch ansprechenden
Hülle 16 umgeben.
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Der isolierte Speicherbehälter 1 und
das mit allen zusätzlichen
Elementen 2 bis 11 ausgerüstete Speichergestell 15 werden
gegebenenfalls getrennt transportiert und erst vor Ort miteinander
verbunden. Dann werden die zuführenden
Rohrleitungen für
Heizungsvor- und Rücklauf,
Warm- und Kaltwasser und Warmwasserzirkulation an die Anschlussarmaturen 5.1 bis 5.5 entsprechend
angeschlossen und der Warmwasserspeicher mit Trink- und Heizungswasser
befüllt.
Anschließend
ist der Warmwasserspeicher betriebsbereit und arbeitet folgendermaßen:
Ein
Wärmeträgermedium,
zum Beispiel Heizungswasser wird über die Anschlussarmatur 5.1 und
entsprechende Anschlussrohrleitung 4 dem Wärmeübertrager 2 zugeführt, durchströmt dessen
Wärmeträgerkanäle und erwärmt das
in den gegenüberliegenden
Kanälen
befindliche Kaltwasser. Dieses nimmt durch die Erwärmung eine
geringere Dichte beziehungsweise ein größeres spezifisches Volumen an
und steigt über
die verbindende Rohrleitung 3 auf, die bis in den oberen
Bereich des Speicherbehälters 1 reicht.
Dadurch kommt es zu einer sauberen Schichtung des Warmwassers im
Speicherbehälter 1,
mit Ladungsbeginn steht Warmwasser der gewünschten Temperatur zur Verfügung. Zur
Gewährleistung
einer gleichmäßigen Durchströmung aller Wärmeträgerkanäle des Wärmeübertragers 2 sind die
Anschlussrohrleitungen 4 jeweils an diametral gegenüberliegenden
Stutzen angeschlossen. Die Höhe des
Speichergestells 15 und die Temperaturdifferenz des Speicherwassers
bestimmen die Stärke
des natürlichen
Schwerkraftumtriebs. Innerer Durchmesser und Rauhigkeit sowie die
Verlegung der verbindenden Rohrleitungen 3 mit einer möglichst
geringen Anzahl an Rohrbögen
und die Konfiguration und schräge
Anordnung des Wärmeübertragers 2 bestimmen deren
hydraulischen Widerstand. Hydraulischer Widerstand und Schwerkraftumtrieb
führen
zu einem Gleichgewichtszustand, der den gewünschten Wasserdurchsatz im
Ladekreislauf ermöglicht.
Die am Wärmeübergang
beteiligte Oberfläche
des Wärmeübertragers 2,
ihre Konfiguration, der sich ergebende Wasserdurchsatz im Ladekreislauf
und die Parameter des Wärmeträgers bedingen
dann die gewünschte
Warmwassertemperatur im Speicher und die erwartete thermische Ladeleistung.
Mit Ladungsbeginn steht sofort warmes Wasser zur Verfügung. Der
Speicher 1 wird von oben nach unten vollständig durchgeladen.
Dabei bleibt die Rücklauftemperatur
an der Anschlussarmatur 5.2 über den gesamten Ladungsvorgang
fast gleichbleibend niedrig. Der externe Wärmeübertrager 2 kann ohne
Demontage bei Verkalkung gespült
werden. Externe Wärmeübertrager 2 können kompakt
ausgeführt
werden. Bei einer großen
Oberfläche
sind kleine Temperaturdifferenzen und niedrige Vorlauftemperaturen
realisierbar.
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Der in der zuführenden Rohrleitung 4 eingebundene
Rückflussverhinderer 6 verhindert
das rückwärtige Strömen von
erwärmtem
Wasser in den Kaltwasseranschluss 5.4, das am Speichergestell 15 befestigte
Ausdehnungsgefäß 7 kompensiert
die durch die Erwärmung
bedingte Ausdehnung des Speicherinhaltswassers, so dass es im Normalfall
nicht zu einem Ansprechen des Sicherheitsventils 8 kommt. Die
ebenfalls am Speichergestell 15 befestigte Zirkulationspumpe 9 fördert warmes
Wasser durch ein spezielles nicht näher bezeichnetes an der Anschlussarmatur 5.5 angeschlossenes
Rohrsystem in dem zu versorgenden Objekt, so dass bereits bei Zapfbeginn
an den Zapfstellen warmes Wasser anliegt. Ein thermostatisches Mischventil 10 mischt dem
gespeicherten Wasser bei Zapfung soviel Kaltwasser bei, dass bereits
die eingestellte Warmwasserwunschtemperatur, zum Beispiel 45°C am Warmwasserspeicher
an der Anschlussarmatur 5.3 entnommen wird. Die im Speicherbehälter 1 herrschende
Warmwassertemperatur kann deshalb durchaus über der Zapftemperatur liegen.
Dies spart Speicherraum und erhöht
die Wasserhygiene durch die thermische Abtötung von im Trinkwasser lebenden
Keimen und Keimwirten. Ebenso werden durch das thermostatische Mischventil 10 geringe
Ungleichmäßigkeiten
der Warmwassertemperatur im Speicherbehälter 1 ausgeglichen.
Die verbindenden und/oder die Anschlussrohrleitungen 3 und/oder 4 bestehen zumindest
zum Teil aus vorisoliertem Kunststoff, zum Beispiel aus vernetztem
Polyethylen, aus biegsamem Edelstahl-, Edelstahlwell- oder Kupferrohr,
so dass sie leicht zu verarbeiten sind und geringe Wärme- und
Druckverluste aufweisen. Das kalte Wasser, das warme Wasser aus
dem Wärmeübertrager 2 und die
Zirkulation treten über
durch den jeweiligen Speicherboden und das Prallblech 13 beziehungsweise
einem Diffusor ähnlich
geformte Enden der Steigrohre gebildete horizontale Spalte in den Speicherbehälter 1 mit
einer Geschwindigkeit von ca. 1 cm/s so langsam ein, dass sie keine
wesentliche Verwirbelung in dem Speicherwasser verursachen und die
Schichtung aufrecht erhalten bleibt.
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Die 2 zeigt
das Prinzipschema des Warmwasserspeichers mit den Elementen 1 bis 16.
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- 1
- Speicherbehälter
- 2
- Wärmeübertrager
- 3
- verbindende
Rohrleitungen
- 4
- Anschlussrohrleitung
- 5
- Anschlussarmaturen
- 5.1
- Heizungsvorlauf
- 5.2
- Heizungsrücklauf
- 5.3
- Warmwasser
- 5.4
- Kaltwasser
- 5.5
- Zirkulation
- 6
- Rückflussverhinderer
- 7
- Ausdehnungsgefäß
- 8
- Sicherheitsventil
- 9
- Zirkulationspumpe
- 10
- thermostatisches
Mischventil
- 11
- Erdungsanschluss
- 12
- Magnesium-Opferanode
- 13
- Prallblech
- 14
- Hülse für Temperaturfühler
- 15
- Speichergestell
- 16
- Hülle