DE19539199C2 - Wärmespeicher für Heizungs- und/oder Brauchwasseranlagen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Wärmespeicher als Energiepuffer für Heizungs- und/oder Brauchwasseranlagen nach der Gattung des Hauptanspruchs. Das Hauptproblem derartiger Anlagen ist die Deckung des sehr unterschiedlichen Energiebedarfs und zwar bei Heizungsanlagen über das Jahr verteilt und bei Brauchwarmwasseranlagen über den Tages- bzw. Wochenverlauf. Die Wärmeenergiequelle muß dem größten Energiebedarf genügen und soll auch bei niedrigstem Bedarf befriedigend arbeiten. Der Wärmespeicher gibt die Möglichkeit, mit einer Energiequelle auszukommen, deren Leistung unter dem Spitzenbedarf liegt und der sich vor allem in den Zeiten geringeren Energiebedarfs aufladen läßt. Besonders, wenn mit einer Solarenergiequelle gearbeitet wird, ist ein Energiepuffer unverzichtbar, da meist dann solare Energie zur Verfügung steht, wenn kein Heizbedarf vorhanden ist und umgekehrt.

Ein Wärmespeicher muß vor allem eine gute Wärmedämmung aufweisen, wofür bevorzugt mineralische Fasermaterialien oder geschäumter Kunststoff verwendet werden. Außerdem muß der Wärmespeicher einen Temperaturgeber aufweisen, der die Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit erfaßt, beispielsweise einem Thermometer, über den in Verbindung mit einem Schaltelement die Wärme steuerbar ist, wenn die Wärmeträgerflüssigkeit im Speicherbehälter eine fiktive obere Temperaturgrenze erreicht hat.

Auf die unterschiedlichsten Arten der Steuerung bei der Nutzung der Wärmeträgerflüssigkeit über Mischventile und dergleichen braucht hier nicht näher eingegangen zu werden, da sie nur mittelbar mit der Erfindung zu tun hat.

Bei der Verwendung von Sonnenkollektoren als Energiequelle ist es bekannt zur Vermeidung zu hoher Temperaturen im Speicherbehälter die Energiequelle selbst zu kühlen, nämlich durch vorzugsweise thermostatisch gesteuerte Klappen innerhalb der Kollektoreinrichtung. Nachteiligerweise wird dadurch unmittelbar die Lufttemperatur und nur mittelbar die Wassertemperatur gekühlt. Zudem erfolgt diese Steuerung der Temperatur entfernt von dem Speicherbehälter und der Temperatur dessen Wärmeträgerflüssigkeit, so daß eine entsprechende Ungenauigkeit, aber auch Unsicherheit beim Einhalten einer oberen Temperaturgrenze vorhanden ist. Als weiterer Nachteil kommt hinzu, daß meist mehrere Sonnenkollektoren verwendet werden, die jeweils für sich eine eigene Klappensteuerung aufweisen, was das Anstreben einer Sollwertsteuerung zusätzlich erschwert.

Bei einem bekannten Wärmespeicher (DE 28 55 911 A1) ist zur Verstärkung des Energiepuffereffekts auf der Innenseite des Speicherbehälters eine, die Wärmestrahlung reflektierende Beschichtung oder reflektierende Folienauskleidung vorhanden, beispielsweise aus hochpolierter Aluminiumfolie. Ein Problem dieser Wärmespeicher besteht darin, daß auch nach Abschalten der Energiequelle ein gewisses Nachheizen stattfindet, was zu einer unerwünschten Überhitzung der Wärmeträgerflüssigkeit führt. Diese unerwünschte Überhitzung hat nicht nur eine thermische Belastung der Isolierstoffe und sonstigen Materialien zur Folge, sondern liegt im allgemeinen außerhalb des Temperaturbereichs, der von dem Steuergerät der Heizung- und/oder Brauchwasseranlage erfaßt wird, was zu entsprechenden Regelfehlern führt. Die bei oben genanntem bekanntem Wärmespeicher verwendete, die Wärmestrahlung reflektierende Auskleidung verstärkt diesen negativen Effekt.

Aus der DE 77 11 619 U1 ist eine Wärmeisolationshülle insbesondere für Heißwasserbehälter und -leitungen bekannt, die aus einem formstabilen Mantel und einer daran angeordneten Kunststoffschaumschicht besteht. Die Kunststoffschaumschicht wird direkt auf den Mantel aufgeschäumt und ist daher fest mit diesem verbunden. Die Kunststoffschaumschicht kann durch Rippen, Noppen oder dergleichen von dem zu isolierenden Behälter getrennt sein, so daß ein der besseren Isolation dienender Hohlraum ensteht. Als nachteilig erweist sich bei dieser Wärmeisolationshülle, daß eine Überhitzung des Wärmespeichers nicht verhindert werden kann. Dies führt zum einen zu einem eventuellen unzulässigen Druckanstieg in dem dem Speicher zugeordneten Rohrleitungssystem und zum anderen zu einer insbesondere im Sommer als unangenehm empfundenen Erwärmung.

Aus der DE 30 29 397 A1 ist eine Heizungsanlage mit einem einen Warmwasserspeicher aufweisenden Warmwasserkreislauf in einem Wohnhaus bekannt. Der Warmwasserspeicher ertreckt sich mindestens über zwei Stockwerke. Im unteren Stockwerk ist eine als Cheminée ausgebildete Ausnehmung vorgesehen, von welcher ein Rauchabzugsrohr durch den Speicher nach oben durch den Speicher führt. Ein Teil der beim Betrieb des Cheminées entstehenden Wärme wird auf diese Weise an das Wasser im Speicher abgegeben. Als nachteilig erweist sich auch bei dieser Vorrichtung, daß eine Überhitzung des Wärmespeichers nicht verhindert werden kann.

Der erfindungsgemäße Wärmespeicher kann auch Teil einer Heizungs- und/oder Brauchwasseranlage sein, bei der in bekannter Weise mehrere solche Behälter zu einem System zusammengeschlossen sind (DE 42 08 958 A1). Hierbei wird vor allem auf die optimale Verwendung von Energiequellen unterschiedlichster Art Rücksicht genommen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Wärmespeicher mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, daß der Hohlraum im Falle des Aufheizens der Wärmeträgerflüssigkeit als zusätzlicher Isolator dient und hingegen bei Gefahr der Überhitzung des Wärmeträgermediums zu einer Abkühlung führt. Je nach Einsatz des erfindungsgemäßen Wärmespeichers kann es sich um die unterschiedlichsten Fluide und um die unterschiedlichste Art der Strömungserzeugung, sowie der Steuerung des Fluidstroms handeln.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Speicherbehälter mindestens zwei Zonen unterschiedlicher Temperatur auf. Diese zwei Zonen können beispielsweise eine weiter oben gelegene Zone für das Brauchwarmwasser und eine weiter unten gelegene Zone für die Heizung sein, wobei im Speicherbehälter eine Trennwand vorgesehen oder der Speicherbehälter zweiteilig ausgestaltet sein kann, bzw. wobei für den Wärmeübergang ein Wärmetauscher im Heizungsspeicherteil oder auch im Brauchwasserteil vorgesehen sein kann. Diese für sich bekannten Ausgestaltungen sind jeweils zweckentsprechend vorgegeben.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist insbesondere in den Zonen niedrigerer Temperatur die Abkühlung durch das Fluid verstärkbar, jeweils entsprechend der vorgegebenen oberen Temperaturgrenze. Bedarfsentsprechend und auch entsprechend der vorgegebenen Einrichtungen liegt die zulässige obere Temperaturgrenze bei Brauchwarmwasser weit höher als jene für Heizungswasser. Die Verstärkung der Abkühlung kann durch eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids mit entsprechender Steuerung der Strömungsquerschnitte erfolgen oder durch Vorgabe von einer entsprechend unterschiedlichen, vom Fluid berührten Außenwandfläche des Speicherbehälters.

Nach einer diesbezüglichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist am Kanal an in Strömungsrichtung bestimmter Stelle mindestens ein Abzweigkanal für das Fluid vorhanden. Durch Öffnen und Schließen solcher Abzweigkanäle kann der Fluidstrom so gesteuert werden, daß er nur die Außenwandflächen des Speicherbehälters überströmt, die gekühlt werden sollen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Fluidströmung durch Steuerung des Strömungsquerschnitts steuerbar, wobei vorzugsweise der Durchgangsquerschnitt des Strömungseingangs und/oder Strömungsausgangs des Kanals (Hauptkanal und/oder Abzweigkanal) steuerbar ist.

Nach einer weiteren diesbezüglichen Ausgestaltung der Erfindung dient als Steuerungsmittel eine temperaturabhängig gesteuerte Klappe.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat der Kanal zur Erzeugung einer natürlichen Thermikströmung mindestens abschnittsweise einen eine vertikale Komponente aufweisenden Verlauf, wodurch das Fluid für seinen Strömungsantrieb ohne zusätzliche Pumpen oder Gebläse auskommt. Dieser Vorteil der Ausnutzung einer Thermikströmung ist besonders dann gegeben, wenn es sich um einen, in vertikaler Richtung verhältnismäßig langen Speicherbehälter handelt, bei dem bei Bedarf verhältnismäßig schnell die gewünschte Thermikströmung erreichbar ist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht der Speicherbehälter aus festem Material wie faserverstärktem Kunststoff oder Metall. Ein faserverstärkter Kunststoff hat jedoch den Nachteil von einer gewissen Isolierwirkung, Metall hat den Nachteil der Korrosionsanfälligkeit. Üblicherweise werden verzinkte Stahlbehälter verwendet.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht der Isoliermantel aus einem, eine Deckfläche aufweisenden geschäumten Kunststoff oder mineralischen Fasermaterial. Besonders bei weichem Kunststoffschaum gibt es die Möglichkeit, die Deckfläche aus einer elastischen Kunststoffolie zu machen, die, einschließlich Isoliermantel, leicht entfernbar ist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind zwischen Außenwand des Speicherbehälters und der Innenwand des Isoliermantels zur Bildung des Kanals radiale Abstandshalter angeordnet.

Nach einer diesbezüglichen weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Abstandshalter als in Längsrichtung verlaufende Stege ausgebildet, wobei der Kanal dadurch in parallele Einzelkanäle gegliedert ist. Diese Abstandshalter können somit die unterschiedlichste Gestaltung aufweisen, wobei deren Breite eine entsprechende Auswirkung auf den verbleibenden Strömungsquerschnitt hat.

Nach einer weiteren diesbezüglichen Ausgestaltung der Erfindung weist der Kanal einen Außenmantel auf, an dem die Abstandstandshalter radial zum Speicherbehälter hin angeordnet sind. Dieser Außenmantel dient auf seiner Außenseite zur Auflage des Isoliermantels. Er kann entsprechend stabil ausgebildet sein. Es ist denkbar, daß ein solcher Außenmantel in Form von Platten herstellbar ist und dann um die Außenwand des Speicherbehälters legbar ist, wobei dann die Enden der Stege auf der Außenwand aufliegen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Speicherbehälter zylindrisch ausgebildet, wobei dessen Verhältnis Länge zu Durchmesser größer ist, als 3 zu 1. Auf Grund solcher Abmessungen werden besonders die eingangs genannten Nachteile überwunden und es wird der Vorteil einer günstigen Thermikströmung erzielt.

Nach einer weiteren, auch für sich geltend gemachten Ausgestaltung der Erfindung durchdringt der Speicherbehälter in einem Gebäude mindestens ein Stockwerk. Immer dann, wenn ein solcher "Teilsaison-Speicher" zentral im Gebäude installiert ist, kann er die Stelle einnehmen, die sonst ein Abgaskamin einnimmt. Besonders im Sommer, wenn ein solcher Speicherbehälter keine Wärme an die umgebenden Räume abgeben soll, kann durch die Fluidströmung eine entsprechende Abkühlung erzielt werden. Erforderlichenfalls kann ein zweiter Fluidkanal außerhalb des Isoliermantels vorgesehen werden. In jedem Fall kann aufgrund der günstigen vertikalen Längsausdehnung die natürliche Thermik für den Antrieb des Fluids genutzt werden. Ein solcher Wärmespeicher bietet für eine Gebäudeheizung ein Minimum an Energieverlusten. Nach einer diesbezüglichen Ausgestaltung der Erfindung weist das Gebäude eine Luftheizung auf, wobei die Fluidströmung zur Heizung mitverwendbar ist. Hierbei ist denkbar, daß das Fluid unmittelbar als Umluft oder Frischluft gegeben ist, oder daß die Wärmeausnutzung in einer anderen Weise erfolgt.

Nach einer weiteren generellen Ausgestaltung der Erfindung ist die Wärmespeicherflüssigkeit solar erwärmbar. Sonne als Energiequelle steht neben verschiedenen anderen Energiequellen, ist jedoch ähnlich wie eine Wärmepumpe besonders umweltfreundlich.

Nach einer weiteren, ebenfalls generellen Ausgestaltung der Erfindung dient als Fluid Luft. Natürlich ist auch denkbar, daß als Fluid irgendein anderes Gas dient, aber auch Flüssigkeit, bei welcher die Wärmeleitfähigkeit besser, ist als bei Gasen.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Wärmespeicher in einem Gebäude in stark vereinfachter Darstellung;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Wärmespeicher gemäß der Linie II in Fig. 3 und

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Wärmespeicher gemäß der Linie III in Fig. 2.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist stark vereinfacht ein zweistöckiges Wohngebäude 1 dargestellt mit einem Dachgeschoß 2, einem Untergeschoß 3 und zwei Wohngeschossen 4. Die beiden Wohngeschosse 4 und das Dachgeschoß 2 sind von einem Speicherbehälter 5 durchdrungen, welcher mit Wasser als Wärmeträgerflüssigkeit gefüllt ist. Diese Wärmeträgerflüssigkeit wird in einer nicht näher beschriebenen Warmwasser-, bzw. Heizungsanlage genutzt, wobei es als Energiepuffer dient. Aufgrund der verhältnismäßig großen Länge des Speicherbehälters 5 weist dieser ein verhältnismäßig großes Volumen auf.

Die Wärmeträgerflüssigkeit im Speicherbehälter 5 wird zusätzlich durch Sonnenkollektoren 6 erwärmt. Das Wärmeträgermedium in den Leitungen 7 und 8 verbindet die Sonnenkollektoren 6 mit dem Speicherbehälter 5. Die Art der Wärmesteuerung und des Wärmetausches zwischen Wärmeträgermedium und Wärmeträgerflüssigkeit ist nicht näher beschrieben. Das gleiche gilt für die Energieentnahme der Wohngeschosse 4 über die Brauchwarmwasserleitungen 9 und die Heizungsleitungen 10. Im Untergeschoß 3 ist eine Wärmequelle 11, beispielsweise ein Heizkessel vorhanden, um den als Energiepuffer dienenden Speicherbehälter 5 mit zusätzlicher Wärmeenergie zu versorgen.

Um den Speicherbehälter 5 ist ein sich über die gesamte Länge des Speicherbehälters 5 erstreckender Luftkanal 12 vorgesehen, der unterhalb des Daches 13 endet und über eine Drosselklappe 14 steuerbar ist. Die Eingangseite dieses Kanals 12 ist kurz über dem Boden des Untergeschoß 3 vorhanden und wird entsprechend der Luftströmungslinie I von außerhalb des Gebäudes 1 mit Luft versorgt. Sobald die Drosselklappe 14 geöffnet ist, strömt Frischluft über diesen Kanal 12, angetrieben durch die natürliche Thermik, um die Wärmeträgerflüssigkeit im Speicherbehälter 5 zu kühlen. Nach Schließen der Drosselklappe 14 wird die Luft im Luftkanal 12 gestaut und dient als zusätzliche Wärmeisolation. Um den Speicherbehälter 5 und den Kanal 12 herum ist ein wärmedämmender Isoliermantel 15 vorgesehen.

Die Verwendung eines solchen, einen umgebenden Luftkanal 12 aufweisenden Wärmespeichers kann natürlich auch in anderer Art erfolgen, wobei erfindungsgemäß der Luftkanal 12 für die Strömung steuerbar ist und der Speicherbehälter mindestens ein Geschoß des Gebäudes durchdringt.

In den Fig. 2 und 3 ist der erfindungsgemäße Wärmespeicher gegenüber Fig. 1 im vergrößertem Maßstab dargestellt. Wie in Fig. 2 gezeigt, zweigt von dem Luftkanal 12 in einer bestimmten Höhe ein Abzweigkanal 16 ab, so daß ein Teil der durch den Kanal 12 von unten nach oben strömenden Kühlluft über den Abzweigkanal 16 abgeleitet werden kann. Hierdurch wird der oberhalb dieses Abzweigkanals 16 vorhandene Abschnitt 17 des Luftkanals 12 weniger stark durchströmt mit der Folge, daß hier auch eine geringere Abkühlung der Wärmeträgerflüssigkeit erfolgt. Wie nicht näher dargestellt, ist dieser Abzweigkanal 16 ebenfalls im Querschnitt steuerbar.

In Fig. 3 ist gezeigt, wie zwischen dem Speicherbehälter 5 und dem Isoliermantel 15 stegartige Abstandshalter 18 vorhanden sind, die gleichzeitig zur Begrenzung des Kanals 12 und damit zur Strömungsführung dienen.

Claims (18)

1. Wärmespeicher für Heizungs- und/oder Brauchwasser­ anlagen,

• 1. mit einer aufheizbaren Flüssigkeit als Wärmeträger (Wärmeträgerflüssigkeit)
• 2. mit einem die Wärmeträgerflüssigkeit aufnehmenden Speicherbehälter (5) mit fester Außenwand,
• 3. mit Leitungsanschlüssen (7, 8) des Speicherbehälters (5) für die Zu- und Ableitung der Wärmeträgerflüssigkeit,
• 4. mit einem um den Speicherbehälter (5) angeordneten, diesen nach außen wärmedämmenden Isoliermantel (15) aus formbeständigem Material, wobei zwischen der Außenwand des Speicherbehälters (5) und dem Isoliermantel (15) ein Hohlraum (12) vorhanden ist, und
• 5. mit einem die Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit erfassenden Thermometer

dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß der Hohlraum als Kanal (12) ausgebildet ist und einen Strömungseingang (I) und Strömungsausgang aufweist,
• 2. daß dieser Kanal (12) zur Vermeidung einer Überhitzung des Wärmeträgermediums mit einem wärmeaufnehmenden Fluid durchströmbar ist und
• 3. daß die Fluidströmung steuerbar (14) ist.

2. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbehälter mindestens zwei Zonen unterschiedlicher Temperatur aufweist.

3. Wärmespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere in den Zonen niedrigerer Temperatur die Abkühlung durch das Fluid verstärkbar ist.

4. Wärmespeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Kanal (12) an in Strömungsrichtung bestimmter Stelle mindestens ein Abzweigkanal (16) für das Fluid vorhanden ist.

5. Wärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidströmung durch Steuerung des Strömungs­ querschnitts steuerbar ist.

6. Wärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgangsquerschnitt des Strömungseingangs und/oder Strömungsausgangs des Kanals (12) (Hauptkanal und/oder Abzweigkanal 16) steuerbar ist.

7. Wärmespeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerungsmittel eine temperaturabhängig gesteuerte Klappe (14) dient.

8. Wärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (12) zur Erzeugung einer natürlichen Thermikströmung mindestens abschnittsweise einen, eine vertikale Komponente aufweisenden Verlauf hat.

9. Wärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbehälter (5) aus festem Material wie faserverstärktem Kunstoff oder Metall besteht.

10. Wärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Isoliermantel (5) aus einem eine Deckfläche aufweisenden geschäumten Kunstoff oder mineralischem Fasermaterial besteht.

11. Wärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Außenwand des Speicherbehälters (5) und der Innenwand des Isoliermantels (15) zur Bildung des Kanals (12) radiale Abstandshalter (18) angeordnet sind.

12. Wärmespeicher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (18) als in Längrichtung verlaufende Stege ausgebildet sind und daß der Kanal (12) dadurch in parallele Einzelkanäle gegliedert ist.

13. Wärmespeicher nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (12) einen Außenmantel aufweist, an dem die Abstandstandshalter (18) radial zum Speicherbehälter (5) hin angeordnet sind.

14. Wärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbehälter (5) zylindrisch ausgebildet ist und daß dessen Verhältnis Länge zu Durchmesser größer ist als 3 zu 1.

15. Wärmespeicher insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbehälter (5) in einem Gebäude (1) mindestens ein Stockwerk (4) durchdringt.

16. Wärmespeicher nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebäude eine Luftheizung aufweist und daß die Fluidströmung zur Heizung mitverwendbar ist.

17. Wärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmespeicherflüssigkeit solar erwärmbar ist.

18. Wärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid Luft dient.