DE19731343A1 - Brauchwasserspeicheranlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brauchwasserspeicheranlage mit einem Warmwasserspeicher für Brauchwasser, der in einem mittleren und/oder oberen Bereich eine, von einem Heizkessel oder dergl. versorgte Aufheizzone, einen bodenseitigen Kaltwassereintritt und einen deckseitigen Heißwasseraustritt aufweist und mit einem Solarheizkreis, der einen Solarkollektor und einen Wärmeaustauscher aufweist, welcher durch eine Kalt­ wasserleitung mit dem Kaltwassereintritt des Warmwasserspeichers und durch eine Heiß­ wasserleitung mit dem Heißwasseraustritt des Warmwasserspeichers verbunden ist, wobei in einer der Leitungen ein Dreiwege-Verteilventil eingebaut ist, das über eine Bypassleitung mit der jeweils anderen Leitung verbunden ist und mit einer thermostatisch geregelten Regeleinheit für das Dreiwege-Verteilventil, das bei Überschreiten einer ersten Solltemperatur des im Wärmeaustauscher angewärmten Wassers die zum Warmwasserspeicher führende Heißwasserleitung zunehmend öffnet und die Bypassleitung entsprechend schließt, sowie bei Unterschreiten dieser ersten Solltemperatur die Mengenverteilung in umgekehrter Richtung steuert.

Eine derartige Brauchwasserspeicheranlage ist aus der DE 43 13 276 A1 bekannt. Der Bypass-Kanal mit dem Dreiwege-Verteilventil dient dazu, beim Anlaufen der Pumpen im Solarkreis und im sekundären Warmwasserkreis zu verhindern, daß noch niedrig temperiertes Wasser in den Warmwasserspeicher gelangt. Erst wenn die Solltemperatur am Austritt des Wärmeaustauschers erreicht ist, öffnet das Dreiwege-Verteilventil den bodenseitigen Kaltwasserauslaß des Speichers zunehmend unter gleichzeitiger entsprechender Drosselung der Bypass-Strömung, wodurch Heißwasser in den oberen Teil des Warmwasserspeichers gelangen kann. Wenn das Solarmodul wenig Wärmeenergie liefert, werden die Fördermengen der Pumpen im solarseitigen Primärkreislauf und im wasserseitigen Sekundärkreislauf heruntergeregelt, so daß bei geringerem Mengendurchsatz die Austrittstemperatur des Heißwassers auf den Sollwert ansteigt. In Winterzeiten und sonnenarmen Übergangszeiten kann es jedoch vorkommen, daß die Solltemperatur des den Wärmeaustauscher verlassenden Heißwassers von etwa 50°C nicht oder nur ganz sporadisch erreicht wird. Der Nutzungsgrad der Solaranlage ist dann gering. Außerdem verschlechtert sich mit abnehmenden Mengenströmen der Wärmeübergangswert.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Brauchwasserspeicheranlage der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine bessere Nutzung insbesondere bei stark wechselndem An­ gebot an Solarenergie möglich ist. Insbesondere soll die Speicheranlage auch dann noch nutzbare Wärmeenergie speichern können, wenn bei sinnvollem Mengendurchsatz im Wärmeaustauscher die Solltemperatur des Heißwassers nicht oder nur sehr sporadisch erreicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Brauchwasserspeicheranlage der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß von der Heißwasserleitung eine ventilgesteuerte Warmwasserleitung abzweigt, die oberhalb des Kaltwassereintritts in den Warmwasserspeicher und unterhalb dessen Heizkessel-Aufheizzone mündet und daß die Regeleinheit auf eine zweite Solltemperatur unter derjenigen der ersten Solltemperatur einstellbar ist und bei dieser Einstellung der zum Warmwasserspeicher führende Teil der Heißwasserleitung unterbrochen und die Warmwasserleitung geöffnet ist.

Die Erfindung ermöglicht eine wesentlich bessere Nutzung der Solarenergie in sonnen­ armen Zeiten, da hier einfach auf eine zweite niedriger liegende Solltemperatur umgeschaltet wird, die beispielsweise 35°C beträgt. Für diese Heißwasser-Vorlauftem­ peratur kann die Solaranlage bei geringem Strahlungsangebot wesentlich wirkungsvoller betrieben werden als bei der höheren Solltemperatur für den Normalbetrieb. Es kann somit im Sekundärkreislauf mehr kaltes Wasser auf die zweite Solltemperatur erwärmt werden und das so temperierte Warmwasser wird zur Anwärmung des unteren Bereiches des Warmwasserspeichers verwendet. In diesem Bereich wird also das Speicherwasser von normalerweise 10°C auf eine Temperatur von ca. 30°C vorgewärmt. In der Aufheizzone, die Energie aus fossilen Brennstoffen oder elektrische Energie benötigt, ist dann nur noch eine Temperaturerhöhung von etwa 20°C erforderlich. Die Temperaturschichtung im Warmwasserspeicher ist besser als beim Stand der Technik, weil die Differenz der Schicht­ temperaturen geringer ist. Außerdem bedarf es keiner Mengenregelung der Pumpen, da diese mit Nenndurchsatz arbeiten.

Das Umstellen der Regeleinheit von der ersten Solltemperatur auf die niedrigere zweite Solltemperatur kann wie bei der Umstellung von Sommerbetrieb auf Winterbetrieb von Hand vorgenommen werden. Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht dem gegenüber darin, daß die Regeleinheit die Meßdaten von Sonneneinstrahlung und Einstrahlungszei­ ten und des Ladezustandes des Warmwasserspeichers in mindestens zwei Höhenbereichen programmgesteuert verarbeitet und in Abhängigkeit von dem Rechenergebnis die Solltemperatur verstellt. Wenn also starke Solarstrahlung nur in sehr kurzen Perioden auftritt oder über längere Zeiten schwächere Strahlungen nutzbar sind, so erfassen die Sensoren diese Werte und verarbeiten sie in einem Steuerprogramm, der zum Umschalten der jeweiligen Solltemperaturen führt. Die Anlage arbeitet damit automatisch. Alternativ oder kumulativ ist vorgesehen, daß die Programmsteuerung der Regeleinheit die Uhrzeit und die Kalenderdaten zur Erzielung eines Umschaltsignals für die beiden Sollwerte verarbeitet. Die gemessenen Strahlungswerte erhalten somit in der Programmsteuerung eine unterschiedliche Wertigkeit, wenn sie im Sommer oder im Winter bzw. mittags oder abends gemessen werden.

In der technischen Anlage wird ein Dreiwege-Verteilventil eingesetzt, das als Mischventil arbeitet, also den einen Ausgang bei entsprechendem Temperatur-Meßfühlereingang stetig und zu Lasten des anderen Ausganges mehr öffnet. Das kann dazu führen, daß der eine Ausgang 100% geöffnet und der andere Ausgang ganz geschlossen ist.

Dem Dreiwege-Verteilventil ist in der Heißwasserleitung vorzugsweise ein Dreiwege- Umschalthahn nachgeschaltet, der bei Einstellung der höheren Solltemperatur die im Warmwasserspeicher oben mündende Heißwasserleitung und bei Einstellung der niedrigeren zweiten Solltemperatur die in den unteren Bereich des Warmwasserspeichers führende Warmwasserleitung aktiviert. Eine Alternative besteht darin, statt des Dreiwege- Umschalthahns in der Heißwasserleitung und in der Warmwasserleitung jeweils ein Magnet- oder Motorventil einzubauen, wobei dann diese beiden Ventile wechselseitig öffnen und schließen.

Die Warmwasserleitung mündet erfindungsgemäß im Warmwasserspeicher in einem Bereich von 25% bis etwa 50% der Behälterhöhe im Abstand vom Behälterboden. Vorzugsweise liegt die Einspeisungsstelle des Warmwassers etwa auf einem Drittel der Behälterhöhe oberhalb des Behälterbodens.

Vorzugsweise Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin, daß das Dreiwege- Verteilventil und eine Umschalteinrichtung zur wahlweisen Aktivierung der Heiß- und Warmwasserleitungen eine vormontierte Baueinheit bilden, die vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht ist, und daß die Baueinheit auch die Bypaßleitung, den Wärmeaustauscher und die Pumpen, drei wasserseitige Anschlüsse für die Kaltwasserleitung, die Heißwasserleitung und die Warmwasserleitung sowie zwei Anschlüsse für den solarseitigen Kreislauf aufweist.

Anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht, wird die Erfindung näher beschrieben.

Die Figur zeigt ein schematisches Schaltbild der Brauchwasserspeicheranlage.

Ein Warmwasserspeicher 10, der in einem üblicherweise wärmeisolierten Behälter ausge­ bildet ist, weist einen bodenseitigen Kaltwassereintritt 12 und einen deckenseitigen Heißwasseraustritt 14 auf. Etwa im mittleren Höhendrittel des Warmwasserspeichers 10 befindet sich eine Heizschlange 16, die von einem öl- oder gasbetriebenen Heizkessel versorgt wird.

Eine Pumpe 18 wälzt Flüssigkeit in einem Solarkreis um, der einen Sonnenkollektor 20 und einen Wärmeaustauscher 22 enthält. In den Wärmeaustauscher 22 mündet eine Kaltwasserleitung 24, die im Ausführungsbeispiel mit dem Kaltwassereintritt 12 des Warmwasserspeichers 10 in Verbindung steht, alternativ aber auch an einen separaten bodenseitigen Auslaß des Warmwasserspeichers 10 angeschlossen sein kann. An einen Heißwasserauslaß 26 des Wärmeaustauschers 22 ist ein Dreiwege-Verteilventil 28 ange­ schlossen, mit dessen Ausgang A eine Heißwasserleitung 30 verbunden ist, die über ein Absperrventil 32 zum Heißwasserauslaß 14 des Warmwasserspeichers 10 führt. An einem Auslaß B des Dreiwege-Verteilventils 28 ist eine Bypassleitung 34 angeschlossen, die stromauf einer Umwälzpumpe 36 in der Kaltwasserleitung 24 mündet.

Stromauf des Ventils 32 zweigt nun von der Heißwasserleitung 30 eine Warmwasser­ leitung 38 ab, die ein eigenes Absperrventil 40 enthält und im Abstand vom Boden des Warmwasserspeichers 10 vorzugsweise dicht unterhalb der von der Heizschlange 16 be­ stimmten Aufheizzone in den Warmwasserspeicher 10 mündet.

Eine Regeleinheit 42 schaltet die Pumpen 18 und 36 in Abhängigkeit von der Austritts­ temperatur im Sonnenkollektor 20 und gegebenenfalls der Eintrittstemperatur des Kalt­ wassers im Wärmeaustauscher 22 ein. Beim Dreiwege-Verteilventil 28 ist der Ausgang A geschlossen und der Ausgang B geöffnet. Die Pumpe 36 wälzt also Wasser im Sekundärkreis über die Bypassleitung 34 um. Mißt ein Fühler 44 am Heißwasseraustritt 26 des Wärmeaustauschers 22 eine Temperatur, die eine eingestellte erste Solltemperatur von z. B. 50°C überschreitet, öffnet das Dreiwege-Verteilventil 28 den Ausgang A ein wenig und drosselt den Ausgang B entsprechend. Bleibt die Meßtemperatur oberhalb der Solltemperatur öffnet Ausgang A stetig weiter und am Ausgang B wird der Durchsatz entsprechend reduziert. Das Heißwasser läuft durch das offene Absperrventil 32 in den oberen Teil des Warmwasserspeichers 10. Das Absperrventil 40 in der Warmwasserleitung 38 ist geschlossen.

Im Winterbetrieb vergleicht ein an den Temperaturfühler 44 angeschlossener Thermostat die Meßtemperatur mit einer zweiten niedriger eingestellten Solltemperatur von z. B. 35°C. Wird diese erreicht oder überschritten, findet der vorbeschriebene Mischvorgang mit stetiger Veränderung des Mischverhältnisses ebenfalls statt jedoch auf dem niedrigeren Temperaturniveau. Für diese niedrigere Solltemperatur wird das Absperrventil 40 in der Warmwasserleitung 38 geöffnet und das Ventil 32 in der Heißwasserleitung wird geschlossen. Das Warmwasser strömt dann über die Warmwasserleitung 38 in den unteren Teil des Warmwasserspeichers 10.

Die so weit beschriebene Anlage kann als halbautomatisch bezeichnet werden, wobei sich an dem mit dem Temperaturfühler 44 verbundenen Thermostaten des Mehrwegeventils 28 die beiden Solltemperaturen einstellen lassen. Die beiden Ventile 32, 40 sind dann Handabsperrventile.

Alternativ kann die Regeleinheit 42 aber auch für einen vollautomatischen Betrieb aus­ gelegt sein, wobei die Regeleinheit eine Programmsteuerung umfaßt, die als Eingangs­ größen Uhrzeit und Kalender, Intensität der Solarstrahlung und deren zeitliche Dauer sowie den Ladezustand des Warmwasserspeichers 10 durch Messung der Temperaturen in den verschiedenen Schichten verarbeitet. Der Steuerelektronik in der Regeleinheit 42 wird dann als weiterer Eingang der Temperaturwert am Heißwasseraustritt 26 des Wärme­ austauschers 22 zugeführt und Ausgänge der Regeleinheit 42 steuern die Funktion des Dreiwege-Verteilventils 28 und der Absperrventile 32 und 40. Wenn also die Steuerelek­ tronik über ihre Programmsteuerung die Aussage trifft, daß die Solarenergie über eine gewisse Zeit nicht ausreichen wird, um am Austritt 26 des Wärmeaustauschers 22 die höhere Solltemperatur von ca. 50°C zu erreichen, findet eine automatische Umschaltung auf die niedrigere Solltemperatur von z. B. 35°C statt, wobei gleichzeitig die Ventile 32 und 40 gegensinnig geschaltet werden. Damit ist die Warmwasserleitung 38 zur Erwärmung des Brauchwassers im Bodenbereich des Warmwasserspeichers 10 aktiviert Ändern sich nach einer gewissen Zeit die Wetterbedingungen im Sinne einer höheren Solarenergieausbeute, schaltet die Regeleinheit 42 wieder auf die höhere Solltemperatur am Wärmeaustauscheraustritt 26 um, wobei gleichzeitig das Ventil 40 geschlossen und das Ventil 32 geöffnet werden. Das Heißwasser wird dann in den oberen Teil des Warmwasserspeichers 10 eingeleitet. Bei Umschaltung auf die höhere Solltemperatur schließt das Dreiwege-Verteilventil 28 den Ausgang A, so daß die Heißwasserleitung 30 erst geöffnet wird, wenn tatsächlich am Wärmeaustauscheraustritt 26 die Solltemperatur von 50°C erreicht ist.

Claims (9)

1. Brauchwasserspeicheranlage mit einem Warmwasserspeicher (10) für Brauchwasser, der in einem mittleren und/oder oberen Bereich eine, von einem Heizkessel ver­ sorgte Aufheizzone (Aufheizschlange 16), einen bodenseitigen Kaltwassereintritt (12) und einen deckseitigen Heißwasseraustritt (14) aufweist, und mit einem Solarheizkreis, der einen Solarkollektor (20) und einen Wärmeaustauscher (22) aufweist, welcher durch eine Kaltwasserleitung (24) mit dem Kaltwassereintritt (12) des Warmwasserspeichers (10) und durch eine Heißwasserleitung (30) mit dem Heißwasseraustritt (14) des Warmwasserspeichers (10) verbunden ist, wobei in einer der beiden Leitungen (24, 30) ein Dreiwege-Verteilventil (28) eingebaut ist, das über eine Bypassleitung (34) mit der jeweils anderen Leitung (30, 24) verbunden ist und mit einer thermostatisch geregelten Regeleinheit (44) für das Dreiwege-Verteilventil (28), das bei Überschreiten einer ersten Solltemperatur des im Wärmeaustauscher (22) angewärmten Wassers die zum Warmwasserspeicher (10) führende Heißwasserleitung (30) zunehmend öffnet und die Bypassleitung (34) entsprechend schließt, sowie bei Unterschreiten dieser ersten Solltemperatur die Mengenverteilung in umgekehrter Richtung steuert, dadurch gekennzeichnet, daß von der Heißwasserleitung (30) eine ventilgesteuerte Warmwasserleitung (38) abzweigt, die oberhalb des Kaltwassereintrittes (12) in den Schichtenspeicher (10) und unterhalb dessen Heizkessel-Aufheizzone (Heizschlange 16) mündet und daß die thermostatische Regeleinrichtung (44) auf eine zweite Solltemperatur unterhalb derjenigen der ersten Solltemperatur einstellbar ist und bei dieser Einstellung der zum Warmwasserspeicher (10) führende Teil der Heißwasserleitung (30) unterbrochen und die Warmwasserleitung (38) geöffnet ist.

2. Brauchwasserspeicheranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermostatische Regeleinrichtung (44) an eine Regeleinheit (42) angeschlossen ist, die Meßdaten von Sonneneinstrahlung und Einstrahlungszeiten und des Lade­ zustandes des Warmwasserspeichers (10) in mindestens zwei Höhenbereichen pro­ grammgesteuert verarbeitet und in Abhängigkeit von dem Rechenergebnis die Solltemperatur verstellt.

3. Brauchwasserspeicheranlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Programmsteuerung der Regeleinheit (42) Uhrzeit und Kalenderdaten zur Erzielung eines Umschaltsignals für die Sollwerte verarbeitet.

4. Brauchwasserspeicheranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dreiwege-Verteilventil (28) in der Heißwasserleitung (30) angeordnet ist.

5. Brauchwasserspeicheranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Dreiwege-Verteilventil (28) in der Heißwasserleitung (30) ein Dreiwege-Umschalthahn mit Ausgängen für die zum Warmwasserspeicher (10) führende Heißwasserleitung (30) und die Warmwasserleitung (38) vorgesehen ist.

6. Brauchwasserspeicheranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Dreiwege-Verteilventil (28) in der zum Warmwasserspeicher (10) führenden Heißwasserleitung (30) und in der Warmwasserleitung (38) jeweils wahlweise aktivierbare Absperrventile (32, 40) nachgeschaltet sind.

7. Brauchwasserspeicheranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Dreiwege-Verteilventil (28) und eine Umschalteinrichtung (32, 40) zur wahlweisen Aktivierung der Heiß- und Warmwasserleitungen (30, 38) eine vormontierte Baueinheit bilden, die vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht ist.

8. Brauchwasserspeicheranlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit auch die Bypaßleitung (34), den Wärmeaustauscher (22) und die Pumpen (18, 36) umfaßt, und daß das Gehäuse außer Elektro- und Steuerleitungsanschlüssen drei wasserseitige Anschlüsse für die Kaltwasserleitung (24), die Heißwasserleitung (30) und die Warmwasserleitung (38) sowie zwei Anschlüsse für den solarseitigen Kreislauf aufweist.

9. Brauchwasserspeicheranlage nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gehäuse Wandbefestigungsmittel aufweist.