DE19510152A1 - Warmwasserspeicher für Solaranlagen - Google Patents

Description

Bei der zentralen Warmwasserversorgung, mit fossilen Brennstoffen als Energiequelle, ist es üblich, im oberen Volumen eines Speichers eine bestimmte Menge heißen Wassers bereit­ zuhalten. Bei der Entnahme heißen Wassers strömt dieses aus einem oben liegenden Ausgang in das Rohrleitungsnetz. Besteht ein Bedarf nach körpergerecht warmem Wasser, wird das heiße Wasser mit kaltem gemischt und so die gewünschte Temperatur eingestellt.

Ebensoviel kaltes Wasser, wie heißes entnommen wird, strömt in den Speicher nach.

Es bildet sich eine Mischzone, die beim Zustrom kalten Wassers nach oben wandert. Sobald diese einen an geeigneter Stelle angebrachten Temperaturfühler erreicht, schaltet sich die Heizung ein und heizt das Wasser so lange, bis nahezu das gesamte Volumen auf eine bestimmte, in der Regel bei etwa 60° C liegenden Temperatur, aufgeheizt ist. Dieses Verfah­ ren ist vernünftig, weil eine fossile Energiequelle mengenmäßig unbegrenzt Energie liefern kann und zu jedem Zeitpunkt verfügbar ist.

Die Übertragung dieser traditionellen Technik auf die solare Warmwasserversorgung hat erhebliche nachteilige Folgen für den jährlichen Nutzungsgrad solcher Anlagen. Da alle Anwendungen mit hohem Energie- und Wasserverbrauch bei Körpertemperatur erfolgen, können technische Maßnahmen eingeführt werden, mit deren Hilfe das energetische Potential der Sonnenenergie weitgehend ausschöpfbar ist.

Erfindungsgemäß ist eine technische Maßnahme einzuführen, mit deren Hilfe das warme Wasser immer aus der Temperaturzone des Speichers entnommen wird, in der etwa die Körpertemperatur vorliegt.

Ebensoviel kaltes Wasser, wie warm es entnommen wird, strömt in den Speicher nach.

Die zuströmende Kaltwassermenge kann in bestimmten Fällen doppelt so groß sein wie sie nach der alten Kalt-Heiß-Methode ist. Damit ist die Fähigkeit des Speichers, aus einem Sonnenkollektor Energie zu beziehen, optimiert.

Eine solche Vorrichtung wird bereits in dem Buch von Karlheinz Raetz: Die reale Utopie - Vom energieautarken Wohnhaus zur solaren Zivilisation, Kuhle-Verlag Braunschweig 1993, ISBN 3-923 696-56-6, beschrieben. Raetz beschreibt einen Speicher, in den, von einem Flansch ausgehend, ein bewegliches Rohr ragt, das einen Halbkreis beschreiben kann. Am Ende dieses Rohres ist eine Hohlkugel als Schwimmer befestigt, die eine Dichte hat, die etwa der des körpergerecht warmem Wassers entspricht und so in der Lage ist, den Wasserauslauf immer in der warmen Zone zu halten. Dieses Verfahren ist technisch schwer zu beherrschen. Auch ist es nur unter großem Aufwand möglich, die Auslauftemperatur zu verändern.

Der an der Küchenspüle und an der Wanne gelegentlich auftretende Bedarf an heißem Was­ ser kann mit der in dem Patent DE P 26 64 102 beschriebenen Methode befriedigt werden. Diese ist inzwischen unter der Bezeichnung "Parallelerwärmung" bekannt.

Jeder solare Warmwasserspeicher wird heute mit fossilen Brennstoffen aufgeheizt, sobald der Heißwasservorrat ein bestimmtes Volumen unterschritten hat. Erfolgt die Aufheizung am Tage, kurz bevor die Wolkendecke sich öffnet, kann der gerade erwärmte Wasseranteil keine Sonnenenergie mehr aufnehmen. Da kein Computer lokale Wetteränderungen voraussagen kann, müssen dem Betreiber Möglichkeiten gegeben werden, selber regelnd in das System einzugreifen.

Da mit der beschriebenen technischen Maßnahme eine Möglichkeit geschaffen wurde, den Warmwasserstand stufenlos abzutasten, können hieraus weitere anwendungstechnische Vorteile gezogen werden.

Erfindungsgemäß ist daher eine Kontrolleinrichtung vorzusehen, die aus einer im Wohnbe­ reich befindlichen Anzeige- und Bedienungsvorrichtung und einer am Speicher befindlichen elektronischen Steuerung besteht. Die Kontrolleinrichtung erlaubt es dem Betreiber, verschie­ dene Betriebszustände des Warmwasserspeichers vorzugeben und so die Energieernte zu optimieren.

Die Erfindung wird in den Figuren dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 Schema eines erfindungsgemäßen solaren Warmwasserspeichers.

Fig. 2 Regelungsmechanismus am Warmwasserausgang in Aufsicht.

Fig. 3 Anzeige- und Regelungsvorrichtung.

Nach Fig. 1 ist der solare Warmwasserspeicher 1 mittels eines Wärmetauschers 2 an den Son­ nenkollektor 3 angeschlossen. Der Wärmetauscher 2 kann bei Bedarf mittels eines 3-Wege­ Ventils 4 an eine Zusatzheizung 5 angeschlossen werden. Eine im oberen Teil perforierte Konvektionsröhre 6 sorgt dafür, daß das nach oben steigende, erwärmte Wasser, erst dann aus der Konvektionsröhre 6 austritt, wenn es die Schicht gleicher Temperatur erreicht hat. Die Konvektionsröhre 6 soll ein Mischen des erwärmten Wassers im unteren Teil des Speichers 1 verhindern und so für einen besseren Aufbau der Temperaturschichtung sorgen. Etwa in mittlerer Höhe ragt ein Auslaufrohr 7 in den Speicher 1, das auf einer drehbaren Hohlachse 8 sitzt und daher einen Halbkreis beschreiben kann. Das Auslaufrohr 7 wird von außen so gesteuert, daß sich der Rohreinlauf 9 bei der Wasserentnahme immer innerhalb einer Zone befindet, deren Temperatur nahe der Körpertemperatur liegt. Die Drehbewegung wird mittels eines Stellantriebes 10 an die Hohlachse 8 übertragen. Der Stellantrieb 10 wird von einer elektronischen Steuerung 11 angesteuert, die den Istwert der Temperatur von einem Temperaturfühler 12 erhält. Mittels einer Anzeige- und Bedienungsvorrichtung 13, die vor­ teilhafterweise im Wohnbereich installiert ist, können der Sollwert der Systemtemperatur eingestellt und der Ladezustand des Speichers 1 überprüft und geregelt werden.

Fig. 2 zeigt schematisch in Aufsicht eine Ausführung der Regelung. Das Auslaufrohr 7 sitzt fest verschweißt auf der vertikal drehbaren Hohlachse 8, durch die das warme Wasser in die Hausleitung 14 strömen kann. Die Hohlachse 8 wird über ein kegeliges Zahnradpaar 15 über die Achse 16 mittels des Stellantriebes 10 von außen angetrieben. Die Bauteile sind an einem Flansch 17 befestigt, bzw. werden durch diesen fest oder drehbar geführt.

Die weiteren Funktionselemente werden am Beispiel eines Funktionsablaufes beschrieben: An der Hausleitung 14 befindet sich in einem geeigneten Abstand vom Flansch 17 der Tem­ peraturmeßfühler 12 (z. B. ein Thermistor), der die Auslauftemperatur mißt. Der Abstand zwischen dem Flansch 17 und dem Temperaturmeßfühler 12 ist vorteilhafterweise so zu bemessen, daß die Wärmeleitung des Rohrmaterials nicht zu einem merklichen Wärmekon­ takt zwischen dem Flansch 17 und dem Temperaturmeßfühler 12 führt. Der Temperaturmeß­ wert wird der elektronischen Steuerung 11 eingegeben, die den Stellantrieb 10 steuert. Wird kein Warmwasser entnommen, kühlt sich der Temperaturmeßfühler 12 auf eine niedri­ gere Temperatur ab. Dadurch wird eine niedrigere Auslauftemperatur simuliert, als bedarfs­ gemäß eingestellt ist. Die Steuerung 11 regelt über den Stellantrieb 10 das Auslaufrohr so, daß es sich in den oberen, in der Regel heißen Bereich des Speichers 1 bewegt. Wird in der Wohnung ein Wasserhahn geöffnet, strömt zunächst heißes Wasser in die Hausleitung 14. Das hat den Vorteil einer schnelleren Erwärmung der Hausleitung. Sobald die Temperatur am Temperaturmeßfühler 12 den Sollwert überschreitet, wird das Auslaufrohr 7 nach unten bewegt, bis die Auslauftemperatur dem Sollwert entspricht.

Der optimale Sollwert kann nicht für jeden Anwendungsfall gleichzeitig definiert werden. So kann es beispielsweise in einem Haushalt, in dem nur geduscht wird, optimal sein, die zentra­ le Warmwasserversorgung mit 39°C zu betreiben. Wird dagegen eine Wanne gefüllt, sinkt die Temperatur anfangs, weil die Wanne aufzuwärmen ist und während des Füllvorganges Transmissions- und Verdampfungsverluste zur Abkühlung beitragen. Damit nicht sofort nach dem Einfüllen elektrisch nacherwärmt werden muß, ist es zweckmäßig, die Einfülltemperatur zentral um einige Grad zu erhöhen.

Zu diesem Zweck ist eine Anzeige- und Bedienungsvorrichtung 13 vorgesehen, von der Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel zeigt. In der rechten Hälfte befindet sich eine Temperatur­ skala 18. Es erscheint vernünftig, diese mit 35°C bis 45°C festzulegen. Es können natürlich auch andere Temperaturintervalle gewählt werden. Mittels eines Temperaturschiebers 19 kann die gewünschte Warmwassertemperatur, je nach Bedürfnis und Anwendungsfall, einge­ stellt werden. So kann der Temperaturschieber 19 immer auf beispielsweise 39°C stehen und nur in Ausnahmefällen (vor dem Füllen einer Wanne) hochgestellt werden. Nach der Anwen­ dung sollte er wieder in die "Normalstellung" gebracht werden.

Die linke Skala der Anzeige- und Bedienungsvorrichtung 13, die sog. Ladeskala 20, zeigt den energetischen Ladezustand des Speichers 1 an. Damit die Ladeskala 20 für jede Speicher­ größe gilt, ist es zweckmäßig, den Ladezustand in Prozent des Gesamtvolumens anzugeben. Hinter den einzelnen Strichmarken befinden sich Leuchtdioden. Leuchten alle Leuchtdioden, weiß der Betreiber, daß mindestens 50% des Speichervolumens eine bestimmte Mindesttem­ peratur haben. Im vorliegenden Fall wurde 45°C gewählt. Das ist sinnvoll, weil die Tempe­ raturskala 18 diese Temperatur als oberen Wert hat. Leuchten beispielsweise die Leuchtdio­ den hinter den obersten beiden Strichmarken, weiß der Betreiber, der einen 500 Liter fassen­ den Speicher besitzt, daß noch mindestens 62 Liter 45gradigen Wassers verfügbar sind. Auch hier muß eine Möglichkeit geschaffen werden, sinnvoll in das System einzugreifen. Die Anzeige- und Regelvorrichtung 13 besitzt zwei Schalter, die in Fig. 3 als Druckschalter ausgebildet sind. Welcher der beiden eingeschaltet sind, zeigt eine Beleuchtung an. Ist der obere Druckschalter, der Sonnenschalter 21 geschaltet, ist die Zusatzheizung 5 außer Betrieb, d. h. die Anlage arbeitet ausschließlich mit Sonnenenergie, unabhängig vom Ladezustand des Speichers 1. Das wird dazu führen, daß im Herbst die Leuchtdioden der Ladeskala 20 von unten beginnen zu erlöschen. Der Betreiber kann dann den Ladeschalter 22 drücken. Die Zusatzheizung 5 ist dann betriebsbereit und heizt ein bestimmtes Volumen des Speichers 1 auf 45°C auf. Dieses Volumen kann der Betreiber mittels des Ladeschiebers 23 auf der Ladeskala 20 selbst bestimmen. Er hat so die Möglichkeit, eine kleine Warmwassermenge zu bevorraten und eine große Kaltwassermenge zur Ernte der Sonnenenergie verfügbar zu halten. Im Normalbetrieb wird es daher immer von Nutzen sein, nur einen kleinen Warm­ wasservorrat zu halten und nur bei voraussehbarem höheren Bedarf, z. B. bei Wannenbädern am Wochenende, den Ladeschieber 23 zum unteren Anschlag bringen.

Die Beschränkung der Anzeige auf die obere Speicherhälfte erscheint sinnvoll, weil solare Warmwasserspeicher ein größeres Volumen haben als herkömmliche, die mit fossilen Brenn­ stoffen beheizt werden. Natürlich können auch größere Volumina bei der Angabe des energe­ tischen Ladezustandes erfaßt werden.

Zu den beiden Schaltern kann noch ein dritter für 60°C Aufheiztemperatur vorgesehen werden, um gelegentlich eine noch größere Speicherkapazität zu schaffen.

Die Thermometer zur Anzeige des Ladezustandes können in einem Stab wasserdicht einge­ gossen sein, der im Wasser vertikal steht. Dieser Stab kann an dem Flansch 17 befestigt sein oder, der leichteren Montage wegen, über einen gesonderten Kleinflansch in den Speicher 1 eingeführt werden. Es ist auch möglich, an den vorgesehenen Meßstellen Hülsen 24 in die Speicherwand zu schrauben oder zu schweißen, in welche die Thermometer von außen einge­ steckt sind. In Fig. 1 ist diese Ausführung am Beispiel der 25%-Anzeige dargestellt.

Gegen das Prinzip der Parallelerwärmung wurde von interessierten Kreisen mit der Vermu­ tung einer Verkeimungsgefahr durch Bakterien, insbesondere durch Legionellen, vorge­ gangen. Um den hierdurch geschürten irrationalen Ängsten zu begegnen, kann der Speicher 1 mit einer UV-Entkeimungsanlage ausgerüstet werden, da Legionellen extrem UV-empfindlich sind. Diese Einrichtung kann aus einem in den Speicher ragenden, wasserseitig geschlossenen Quarzzylinder bestehen, in den eine UV-Lampe von außen eingesetzt ist. Da im Laufe der Zeit sich auf dem Quarzrohr Ablagerungen bilden, welche die Lichtdurchlässigkeit beein­ trächtigen, ist eine Kontroll- und Wartungsmöglichkeit vorzusehen.

Der Speicher 1 kann einen oberen Ausgang 25 haben, damit eine Waschmaschine direkt an­ geschlossen werden kann. Liegt der Speicher 1 im Keller, unmittelbar unter der Küche, kann eine vertikale Leitung zum Geschirrspüler gelegt werden. Das hat den Vorteil, daß im Som­ mer und in den Übergangszeiten das dann meist vorhandene heiße Wasser direkt genutzt werden kann, wenn die Spül- und Waschtemperatur über der Systemtemperatur liegt.

Claims (10)

1. Warmwasserspeicher für die solare Energiegewinnung- und Speicherung, mit einem etwa in mittlerer Höhe des Speichers (1) in diesen ragenden, beweglichen Auslaufrohr (7), das in der Weise einen Halbkreis beschreiben kann, daß jede Temperaturzone innerhalb des Speichers (1) erfaßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Speichers (1), an oder in der Hausleitung (14) ein Temperaturmeßfühler (12) angebracht ist, dessen Ausgangssignal einer elektronischen Steuerung (11) zugeführt wird, die über einen Stellantrieb (10) eine Stellkraft an das Auslaufrohr (7) übertragen kann.

2. Warmwasserspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellkraft von einem Stellantrieb (10) über eine gedichtete Achse (16) und ein kegeliges Zahnradpaar (15) an das Auslaufrohr (7) übertragen wird.

3. Warmwasserspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuerung (11) mit einer Anzeige- und Bedienungsvorrichtung (13) verbunden ist.

4. Warmwasserspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige- und Bedienungsvorrichtung (13) einen Temperaturschieber (19) (oder einen Temperaturdrehknopf) besitzt, mit dem auf einer Temperaturskala (18) die Auslauftemperatur des Speichers (1) vorwählbar ist.

5. Warmwasserspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige- und Bedienungsvorrichtung (13) eine Ladeskala (20) besitzt, an welcher der energetische Ladezustand des Speichers (1) mittels Leuchtdioden, Flüssigkristallen oder anderer optischer Hilfsmittel angezeigt wird.

6. Warmwasserspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Ladeskala (20) ein Ladeschieber (23) gleitbar angebracht ist, an dem manuell die Zone eingestellt werden kann, bis zu der eine Nachheizung aus fossilen oder anderen Energie­ quellen erfolgen soll.

7. Warmwasserspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Anzeige- und Bedienungsvorrichtung (13) ein Schalter (21) sitzt, mit dem die ausschließliche Nutzung der Sonnenenergie einstellbar ist.

8. Warmwasserspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Anzeige- und Bedienungsvorrichtung (13) ein Schalter (22) sitzt, mit dem die Nutzung der Zusatzheizung (5) zuschaltbar ist.

9. Warmwasserspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Schalter vorgesehen ist, mit dem die Aufheizung auf eine höhere Temperatur möglich ist.

10. Warmwasserspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (22) so ausgeführt ist, daß die Temperatur, bis zu der aufgeheizt werden soll, wählbar ist.