DE19539880A1 - Warmwasserspeicheranlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Warmwasserspeicheranlage für Brauchwasser mit einem in einem Ladekreislauf von oben schichtend ladbaren Speicherbehälter, wobei im Ladekreislauf eine Umwälzpumpe und ein von einer Wärmequelle, insbesondere Solarkollektor, beheizbarer Wärmetauscher liegen. Die dem Wärmetauscher zugeführte Wärme kann nicht nur aus einem Solarkollektor stammen, sondern auch "kalte" Fernwärme oder eine andere Abwärme sein.

In der Literaturstelle "Sonnenenergie 2/1992, S. 44-46," ist eine Solaranlage mit Schichtenladung beschrieben. Der Ladekreislauf arbeitet ohne Umwälzpumpe. In ihm ist ein vom Solarkollektor beheizter Wärmetauscher und ein Thermostat vorgesehen. Dieser öffnet in Abhängigkeit von der Temperatur des Wärmetauschers des Solarkollektors. Für die Ankopplung einer zweiten Wärmequelle eignet sich der Ladekreislauf deshalb nicht.

In der DE 29 47 382 A1 ist eine Solarheizungsanlage beschrieben. Bei dieser ist im Ladekreislauf ebenfalls keine Umwälzpumpe vorgesehen. Je nach dem zwischen dem Wärmetauscher und dem Speicherbehälter bestehenden Temperaturgefälle erfolgt die Ladung in verschiedenen Höhen des Speicherbehälters. Zur Nacherwärmung ist ein Durchlauferhitzer vorgeschlagen.

In der DE 27 05 474 A1 ist eine Solaranlage gezeigt, bei der im Ladekreislauf eine Umwälzpumpe vorgesehen ist. Direkt im Speicherbehälter sind Heizkörper zur Nacherwärmung angeordnet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Warmwasserspeicheranlage der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei der eine möglichst störungsfreie Schichtenladung bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen erfolgt.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Im Ladebetrieb fördert die Umwälzpumpe Warmwasser des Wärmetauschers von oben in den Speicherbehälter. Entsprechend wird unten Kaltwasser abgezogen. Erst wenn die Zulauftemperatur einen unteren Grenzwert unterschreitet, wird der Ladevorgang unterbrochen; und zwar dadurch, daß das Stellventil geschlossen wird, so daß nun das für die Schichtung zu kalte Wasser, von der Umwälzpumpe gefördert, unter Umgehung des Speicherbehälters durch den Bypaß fließt. Dieser Restkreislauf bleibt aufrechterhalten, bis der Wärmetauscher das zirkulierende Wasser wieder über die Grenztemperatur erwärmt hat. Wenn dann diese Temperatur auch am Zulauftemperaturfühler herrscht öffnet das Stellventil wieder, so daß der Ladevorgang fortgesetzt wird. Eine Störung der Warmwasserschichtung durch Einspeisen von zu kaltem Wasser ist somit vermieden. Oben im Speicherbehälter, also im Bereich des Warmwasserauslasses, steht Warmwasser unvermischt mit Kaltwasser zur Verfügung.

Bei der Anlage ist günstig, daß das vom Solarkollektor erwärmte Wasser weitestgehend für die Warmwasserschichtung im Speicherbehälter ausgenutzt wird.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird der Durchlaßquerschnitt des Stellventils entsprechend der vom Zulauftemperaturfühler erfaßten Temperatur eingestellt, um im Ladebetrieb den Volumenstrom des Ladekreislaufes an die Wärmelieferung des Wärmetauschers anzupassen. Bei geringerer Wärmelieferung wird der Volumenstrom entsprechend kleiner eingestellt als bei größerer Wärmelieferung. Es ist dadurch eine bezüglich der Temperatur sehr gleichmäßige Warmwasserschichtung erreicht. Anstelle des Durchlaßquerschnittes des Stellventils ließe sich auch die Förderleistung der Umwälzpumpe entsprechend einstellen.

In Weiterbildung der Erfindung ist im ersten Ladungszweig wenigstens eine weitere Wärmequelle angeordnet. Eine solche Anordnung der weiteren Wärmequelle ist vorteilhaft, weil dann ihre Wärmelieferung bezüglich der Warmwasserschichtung in der gleichen Weise und mit den gleichen Mitteln wie die des erstgenannten Wärmetauschers erfaßt wird. Als weitere Wärmequelle kann eine Wärmepumpe, ein elektrischer Heizkörper und/oder ein Wärmetauscher eines Öl- oder Gasheizkessels vorgesehen sein.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.

Die Figur zeigt einen Hydraulikschaltplan einer Solarkollektoranlage.

In einen Speicherbehälter (1) mündet oben ein erster Leitungszweig (2). Unten ist an ihn ein zweiter Leitungszweig (3) angeschlossen. Die Leitungszweige (2, 3) bilden einen Ladekreislauf für den Speicherbehälter (1). Im ersten Leitungszweig (2) liegen eine Umwälzpumpe (4), ein erster Wärmetauscher (5), sekundärseitig, ein zweiter Wärmetauscher (6), sekundärseitig, und ein Zulauf- Temperaturfühler (7). Im zweiten Leitungszweig (3) liegen ein Temperaturfühler (9) und ein Stellventil (10). Das Stellventil (10) ist vom Zulauf- Temperaturfühler (7) steuerbar. Diese Baugruppe ist etwa nach Art eines aus der Kraftfahrzeugtechnik bekannten Kühlwasserreglers aufgebaut.

Zwischen dem zweiten Wärmetauscher (6) und dem Speichereintritt zweigt am ersten Leitungszweig (2) ein Bypaß (11) ab, der zwischen dem Stellventil (10) und der Umwälzpumpe (4) in den ersten Leitungszweig (3) mündet. Im Bypaß (11) ist ein Bypaßventil (12) angeordnet, das einen Mindestvolumenstrom strömen läßt. Das Bypaßventil (12) kann so ausgebildet sein, daß ein Mindestvolumenstrom ständig fließt. Es kann aber auch elektrisch als Magnet- bzw. Motorventil betrieben werden. Denkbar wäre auch eine Ausführung, bei der das im Ruhezustand geschlossene Bypaßventil (12) durch Temperatur durch den Förderdruck der Pumpe bei geschlossenem Stellventil (10) in den Öffnungszustand bringbar wäre. Das Bypaßventil (12) schließt, wenn das Stellventil (10) offen ist. Das Bypaßventil (12) ist offen, wenn das Stellventil (10) geschlossen ist.

In den Speicherbehälter (1) mündet unten eine Kaltwasserleitung (13). Oben ist an ihn eine Warmwasserzapfleitung (14) angeschlossen. Im Speicherbehälter (1) ist etwa in 2/3 seiner Höhe (von unten) ein Temperaturfühler (15) vorgesehen.

An den Wärmetauscher (5) ist primärseitig ein Solarkollektor (16), ein Dreiwege-Ventil (23), eine Umwälzpumpe (17) im Rücklauf und ein Temperaturfühler (18) im Vorlauf angeschlossen.

Der zweite Wärmetauscher (6) bildet primärseitig den Kondensator einer Wärmepumpe, die mit einem Expansionsventil (19), einem Verdampfer (20) und einem Verdichter (21) arbeitet. Dem Verdampfer (20) ist ein Lüfter (22) zugeordnet.

Die beschriebene Anlage arbeitet im Ladebetrieb des Speicherbehälters (1) im wesentlichen folgendermaßen:
Liefert der Solarkollektor (16) Wärme, dann wird diese bei laufender Umwälzpumpe (4) und geöffnetem Stellventil (10) auf den Ladekreislauf übertragen, so daß der Speicherbehälter (1) von oben geschichtet aufgeladen wird. Oberhalb eines Temperaturgrenzwertes, der zur Ladung des Speicherbehälters (1) geeignet ist, wird vom Zulauftemperaturfühler (7) der Durchflußquerschnitt des Stellventils (10) temperaturabhängig so eingestellt, daß der Speicherbehälter (1) mit möglichst gleichmäßiger Wassertemperatur, beispielsweise 65°C, geladen wird. Bei kleinerer Wärmelieferung des Solarkollektors (16) wird der Durchlaßquerschnitt des Stellventils (10) kleiner eingestellt als bei größerer Wärmelieferung.

Unterschreitet die Temperatur am Zulauf-Temperaturfühler (7) einen unteren Grenzwert, unterhalb dem das Warmwasser zum Weiterladen des Speicherbehälters (1) zu kalt ist, dann schließt der Zulauf- Temperaturfühler (7) das Stellventil (10), so daß die Wasserströmung im zweiten Leitungszweig (3) und im Speicherbehälter (1) unterbrochen wird. Das bisher geschlossene Bypaßventil (12) öffnet nun, beispielsweise durch Steuerung vom Zulauf-Temperaturfühler (7) oder aufgrund der entstehenden Druckunterschiede. Die Umwälzpumpe (4) läuft weiter. Es zirkuliert also weiterhin Wasser durch die Wärmetauscher (5, 6). Steigt die Temperatur in diesem Restkreislauf wieder über den genannten Grenzwert, beispielsweise weil der Wärmetauscher (5) oder der Wärmetauscher (6) Wärme liefern, dann öffnet der Zulauf- Temperaturfühler (7) das Stellventil (10) und der Bypaß (11) schließt, so daß der Speicherbehälter (1) weiter geladen wird.

Der Solarkollektor (16) arbeitet gegenüber der Wärmepumpe mit Vorrang, weil der Solarkollektorbetrieb wirtschaftlicher als der Wärmepumpenbetrieb ist. Hierfür ist vorgesehen, daß der Motor (M2) des Verdichters (21) und der Motor (M1) des Lüfters (22) nur dann einschalten, wenn am Temperaturfühler (18) eine untere Grenztemperatur erreicht ist.

Zweckmäßigerweise sollte in die Bypaßleitung (11) ein Rückschlagventil (23) geschaltet sein, um zu vermeiden, daß beim Zapfen von Warmwasser über die Bypaßleitung (11) sowie die Rücklaufleitung (13) Kaltwasser in den Speicher (1) eingespeist wird.

Um eine bessere Energieankopplung zu erreichen, ist es zweckmäßig, in den Kollektorkreis ein Dreiwege-Ventil (23) einzusetzen, das den Kollektor so lange vom Wärmetauscher (5) kurzgeschlossen hält, bis eine Grenztemperatur am Ventil (23) erreicht ist, bei der der Wärmetauscher (5) in den Kollektorkreis eingeschaltet wird.

Eine weitere Verbesserung der Warmwasserspeicheranlage ergibt sich dadurch, daß parallel zu dem bestehenden Ladekreislauf ein weiterer Ladekreislauf geschaltet werden kann, der von einer zusätzlichen Wärmequelle, nämlich einer Öl- bzw. Gasheizung, versorgt wird. Hier ist es möglich, die beiden Volumenströme zu summieren, um z. B. eine schnelle Aufheizung des Speichers zu erreichen.

Durch diese besondere Maßnahme ist es aber auch denkbar, solange sowohl der Sonnenkollektor wie auch die in den Sonnenkollektor-Kreis eingeschaltete Wärmepumpe nicht mehr energetisch ausreichend arbeiten können, daß dann der zweite zusätzliche Ladekreislauf die Aufladung des Speichers übernimmt. Mit dieser Maßnahme ist eine ganzjährige, den besonderen Außentemperaturen angepaßte Aufladung des Warmwasserspeichers möglich.

Claims (10)

1. Warmwasserspeicheranlage für Brauchwasser mit einem in einem Ladekreislauf von oben schichtend ladbaren Speicherbehälter, wobei im Ladekreislauf eine Umwälzpumpe und ein von einer Wärmequelle, insbesondere Solarkollektor, beheizbarer Wärmetauscher liegen, dadurch gekennzeichnet, daß in dem vom Wärmetauscher (5) oben in den Speicherbehälter (1) führenden, ersten Leitungszweig (2) des Ladekreislaufes ein Zulauf- Temperaturfühler (7) angeordnet ist, der die Temperatur des dem Speicherbehälter (1) zugeführten Warmwassers erfaßt, daß in dem unten aus dem Speicherbehälter (1) zum Wärmetauscher (5) führenden zweiten Leitungszweig (3) des Ladekreislaufes ein Stellventil (10) angeordnet ist das vom Zulauf-Temperaturfühler (7) in der Weise gesteuert ist, daß es schließt, wenn die Temperatur des dem Speicherbehälter (1) zugeführten Wassers einen unteren Grenzwert unterschreitet, und daß ein Bypaß (11) zum zweiten Leitungszweig (3) vorgesehen ist, der bei geschlossenem Stellventil (10) einen Restkreislauf über die Umwälzpumpe (4), den Wärmetauscher (5) und den Zulauf- Temperaturfühler (7) bildet.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaßquerschnitt des Stellventils (10) oder die Förderleistung der Umwälzpumpe (4) entsprechend der vom Zulauf-Temperaturfühler (7) erfaßten Temperatur eingestellt wird, um im Ladebetrieb den Volumenstrom des Ladekreislaufes an die Wärmelieferung des Wärmetauschers (5) anzupassen.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bypaß (11) ein Bypaßventil (12) angeordnet ist, das bei geschlossenem Stellventil (10) öffnet.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bypaßventil (12) durch den an ihm abfallenden Differenzdruck schaltet.

5. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Leitungszweig (2) wenigstens eine weitere Wärmequelle (6) angeordnet ist.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Wärmequelle (6) im ersten Leitungszweig (2) in Fließrichtung vor dem Zulauf-Temperaturfühler (7) liegt.

7. Anlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Wärmequelle ein Wärmetauscher (6) einer Wärmepumpe ist.

8. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Wärmequelle (6) erst einschaltet, wenn die Temperatur des vom Solarkollektor (16) erwärmten, den Wärmetauscher (5) speisenden Heizmediums einen Grenzwert unterschreitet.

9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß über ein Dreiwege-Ventil (23) der Volumenstrom des Solarkreislaufes über den Kollektor (16), das Dreiwege-Ventil (23) und die Umwälzpumpe (17) kurzgeschlossen gefahren wird bis zum Ansprechen einer vorgegebenen Grenztemperatur des Dreiwege­ Ventils (23), bei der der Wärmetauscher (5) in den Kreislauf eingeschaltet wird.

10. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erweiterung der Wärmespeicheranlage parallel zum bestehenden Ladekreislauf ein weiterer Ladekreislauf schaltbar ist (in der Figur strichpunktiert).