DE19807492A1

DE19807492A1 - Druckloser Solarwärmespeicher mit Innenmantel

Info

Publication number: DE19807492A1
Application number: DE19807492A
Authority: DE
Inventors: Klaus Kalberlah
Original assignee: ZENIT ENERGIETECHNIK GmbH
Current assignee: STB SOLAR THERMIE FABRIK GMBH, 12435 BERLIN, DE
Priority date: 1997-01-22
Filing date: 1998-02-21
Publication date: 1999-08-26

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung von drucklosen Warmwasserspeichern aus Kunststoff für die Solarwärmetechnik mit Führungen für eine Wasserkonvektions strömung in Form eines vertikalen Innenrohres sowie von Durchtrittspassagen zwischen einem Innenmantel und dem isolierten Außenmantel.

Da solartechnisch gewonnene Wärme ungleich teurer ist, als durch konventionelle Primärenergie (Öl, Gas, Kohle usw.) erzeugte Wärme, müssen für solare Wärme speicher besondere Maßnahmen ergriffen werden, um

- die Wärmeverluste der Speicher möglichst klein zu halten;
- den Wirkungsgrad der Wärmeaustausch im Speicher möglichst groß zu machen;
- eine Wärmeschichtung im Speicher aufzubauen, d. h. den Speicher von unten nach oben mit Wasser ansteigender Temperatur zu beladen.

Es ist Stand der Technik in drucklosen Warmwasserspeichern der Solartechnik drei Wärmetauscher wie folgt anzuordnen:

- den Tauscher des Solarkreislaufs im untersten kältesten Bereich des Speichers,
- den Tauscher für das zu erwärmende Brauchwasser im obersten, wärmsten Bereich des Speichers,
- den Tauscher für eine Nachheizung des Speichers aus dem Heizungskreislauf (bei ausbleibender solarer Wärmezufuhr) im oberen Speicherbereich, jedoch unterhalb des Brauchwassertauschers.

Weiterhin ist es Stand der Technik, durch eine entsprechende Isolation des Spei chers die Wärmeabgabe an den Außenraum zu vermindern. Um eine Schichtung des im Speicher stehenden Wassers zu erzielen, werden verschiedene Maßnahmen ergriffen, durch die eine Verwirbelung und Durchmischung beim Eintrag von solarer Wärme und bei der Nachheizung sowie beim Austrag von Wärme über Brauchwasserkreislauf möglichst vermindert wird.

Gemäß der nicht vorveröffentlichten Anmeldung DE 197 03 724.0/16 der Anmelderin wird vorgeschlagen, das im untersten Bereich des Speichers am Tauscher des Solarkreislaufs, erwärmte und dadurch aufsteigende Speicherwasser über einen trichterförmigen Einbau zur Mitte hin zu konzentrieren und über ein Vertikalrohr in den oberen Bereich zu leiten, wobei seitliche Öffnungen einen Austritt des aufstei genden Wasser an den Stellen erlauben, an denen die Temperatur und damit die Dichte des außerhalb des Vertikalrohrs befindlichen Speicherwassers mit dem auf steigenden Wasser in etwa gleich ist. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Wär meschichtung im Speicher erreicht, ohne daß sich aufsteigendes warmes Wasser unter Verwirbelung mit dem im unteren Bereich des Speichers kälteren stationären Wasser vermischt. Als nachteilig an dieser Anordnung hat sich erwiesen, daß bei Entnahme von Wärme über den Brauchwasser-Wärmeaustauscher im oberen Bereich abgekühltes Speicherwasser aufgrund seiner höheren spezifischen Dichte unkontrolliert absinkt und durch die resultierende Verwirbelung und Durchmischung im oberen Bereich des Wärmespeichers zu einer Abkühlung und damit zu einer Störung der Wärmeschichtung führt.

Es stellte sich daher die Aufgabe, eine Wärmeführung des an den Brauchwasser austauschern abgekühlten Wassers so zu gestalten, daß eine entsprechende Durchmischung und Verwirbelung nicht mehr möglich ist.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Bereich des Brauchwasser- und Nach heizwärmetauschers über einen weiteren Einbau in Form eines umgekehrten Trich ters von den darunter befindlichen Hauptspeicherzonen abzutrennen und einen zusätzlichen, wärmeisolierten Innenmantel vorzusehen, der den unteren Rand die ses trichterförmigen Einbaus bis kurz über den Bereich des Solarwärmetauschers fortsetzt und ein geringen Raum freiläßt, durch den kaltes Wasser aus dem oberen Bereich in den Bereich des Solartauschers rückströmen kann.

Der Brauchwassertauscher wird vorzugsweise so gestaltet, daß das kalte zuströ mende Wasser im Außenbereich zugeführt und das erwärmte Wasser im Innenbe reich abgeführt wird, so daß ein gegenläufiger Austausch mit dem im Innenbereich zuströmenden Warmwasser der Nachheizung erfolgt.

Aus Platzgründen werden Kunststoff-Wärmespeicher vorteilhafterweise mit quadrati schem Grundriß gestaltet, um eine Ecke im Raum optimal auszunutzen. Für den einzusetzenden Innenmantel wird dagegen vorgezogen, daß dieser eine zylindrische Form aufweist, wobei der Außendurchmesser des Innenmantels dem Innenabstand des Speicherraums entspricht, so daß sich in den Ecken Freiräume bilden, durch die das abgekühlte Speicherwasser aus der Brauchwassertauschereinheit nach unten fließt. Warmes aufsteigendes Speicherwasser und abgekühltes Speicherwasser werden so isoliert voneinander in einem Zwangskreislauf geführt, wodurch eine Rückvermischung unterbleibt und ein maximaler Wärmegradient für den Energieaus tausch im Solar- und Brauchwasseraustauscher gewährleistet und damit eine maxi male Ausbeute erreicht wird.

Als isolierender Innenmantel wird vorzugsweise ein Hohlzylinder aus Kunststoffhart schaum, beispielsweise aus Polystyrol oder Polyurethan mit einer Wandstärke von 0,5 bis 2 cm verwendet, wobei zusätzlich eine Seite noch mit einer dünnen, reflektie renden Metallschicht, beispielsweise einer Aluminiumfolie, kaschiert sein kann, so daß der Innenmantel ähnlich wie ein Thermosbehälter Wärmestrahlung in den Spei cherraum zurückreflektiert.

Der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung wird durch die beigefügte Figur zusätzlich erläutert, ohne daß der Schutz darauf beschränkt sein soll.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Solarwärmespeicher.

Fig. 2 zeigt einen horizontalen Schnitt durch den Innenraum des Wärmespeichers.

Fig. 1 zeigt den äußeren isolierten Mantel eines Wärmespeichers 1, der nach oben durch einen abnehmbaren Deckel 2 mit Durchlässen für die Wärmetauscher ver schlossen ist. In den Behälter eingefügt ist der Innenmantel 3, der nach oben und unten an die trichterförmigen Einbauten 4 und 6 angrenzt oder auch fest verbunden ist. Weiterhin zeigt die Figur das Vertikalrohr 5 für die zentrale Leitung des aufstei genden erwärmten Speicherwassers, welche nach unten in dem zweiten trichter förmigen Einbau 6 endet, welcher den Solarwärmetauscher 7 übergreift, der im vorliegenden Fall als kegelstumpfartig geformter Rohrtauscher ausgebildet ist. Die Zuleitung für das Solarwasser 8 führt mittig durch das Vertikalrohr 5, wodurch die Aufsteigungstendenz des Speicherwassers in diesem Rohr erhöht wird, während durch die aus Platzgründen nicht dargestellte Ableitung für das Solarwasser 17 im Außenbereich 9 zwischen Innenmantel 3 und Außenmantel 1 rückgeführt wird. Im oberen Bereich des Speichers sind die Tauscher für das zu erwärmende Brauch wasser 10 und der Tauscher für die Nachheizung des Speichers aus dem Heizungskreislauf 11, ebenfalls als spiralig gewickelte Rohrtauscher dargestellt, wobei beide Rohrsysteme wegen der Verbesserung des Wärmeaustausches als ineinander liegendes Rohrsystem ausgeführt sind, und die verschiedenen Systeme durch geschlossene bzw. offene Kreise angedeutet sind. Die Zuführung für das Brauchwasser 12 erfolgt von außen, die Ableitung 13 von der Innenseite der Spirale, umgekehrt wie die Zuleitung für das Nachheizwasser 14, welche innen in die Spirale hineinführt, während die Ableitung 15 außen erfolgt. Das Vertikalrohr 5 weist weiterhin eine Reihe von nach oben gerichteten Öffnungen 16 auf, durch welche das vom Solartauscher aufsteigende erwärmte Speicherwasser bei entsprechender Dichte nach außen in den Speicherraum austreten kann. Bei Betrieb strömt das am Solartauscher 7 erwärmte Speicherwasser geführt durch den Trichter 6 und durch das Vertikalrohr 5 nach oben und durch den Trichter 4 in die Mitte der Brauchwasserspirale 10, von wo es nach außen unter Abgabe seiner Wärme an das Brauchwasser in den Außenraum 9 strömt, den es nach unten durchfließt, um wieder zum Solartauscher zurückgeführt zu werden.

In Fig. 2 ist ein horizontaler Schnitt durch eine Solarspeichervorrichtung gemäß Fig. 1 wiedergegeben, welche als quadratischer Außenumriß den isolierten Außen mantel 1, als großen Innenkreis den Innenmantel 3, als mittleren Innenkreis das Vertikalrohr 5 und als innersten Kreis die Zuleitung 8 der Solartauschervorrichtung wiedergibt. In der linken oberen Ecke des Außenbereichs 9 ist die Solartauscher ableitung 17 angedeutet.

In Fig. 3 ist auch die untere Spirale 7 als ineinanderliegendes Rohrsystem ausgeführt, wobei frisches kaltes Brauchwasser über die Leitung 12 von außen nach innen und das Warmwasser 8 aus dem Solarkreislauf von innen nach außen das Spiralsystem des Wärmetauschers 7 durchströmt. Das abgekühlte Solarwasser fließt über die Ableitung 17 zu den Solarzellen zurück, während das durch den direkten Kontakt mit dem Solarwasser vorgewärmte Wasser über die Leitung 18 in den oberen Wärmetauscher 10 fließt, wo es durch die vorher gespeicherte Wärme des Speicherwassers auf die Nutztemperatur gebracht wird. Die Wärmespeicherung und der Umlauf des Speicherwassers erfolgen dabei wie in Fig. 1 dargestellt. Auf eine nochmalige Wiedergabe der dort gezeigten Einbauten 3, 4, 5 und 6, die auch hier enthalten sind, wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet. Diese Führung des Brauchwassers erlaubt einen verstärkten Umlauf des Solarwassers, während kaltes Brauchwasser durchfließt, und gleichzeitig einen besonders intensiven Energieaustausch in dieser Doppelspirale des Wärmetauschers 7, die Leistung des Systems verbessert.

Bezugszeichenliste

1

Außenmantel

2

Deckel

3

Innenmantel

4

Trichter

5

Vertikalrohr

6

Trichter

7

Wärmetauscher

8

Zuleitung

9

Außenraum

10

Wärmetauscher

11

Wärmetauscher

12

Zuleitung

13

Ableitung

14

Zuleitung

15

Ableitung

16

Öffnungen

17

Ableitung

18

Leitung

Claims

1. Druckloser Warmwasserspeicher für die Solarwärmetechnik mit einem isolierten Außenmantel (1), Wärmeaustauscher für das Solarwasser (7), Wärmetauscher für Brauchwasser (10) und Nachheizwasser (11) aus dem Heizungskreislauf sowie Zu- und Ableitungen (8, 9, 12 bis 15) dadurch gekennzeichnet, daß der Wärme speicher oberhalb des Solartauschers und unterhalb des Brauchwasser- bzw. Nachheiztauschers nach unten geöffnete trichterförmige Einbauten (6 und 4) auf weist, wobei der obere Trichter (4) an einen den Speicherraum umfassenden Innenmantel (3) und der untere Trichter (6) an ein den Speicherraum vertikal durchlaufendes Rohr (5) angrenzt.

2. Solarwärmespeicher gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Ver tikalrohr (5) seitliche Wasseraustrittsöffnungen (16) aufweist.

3. Solarwärmespeicher gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wärmeaustauscher (7, 10 und 11) als Doppelspiralen im Gegenstrom ausgebaut sind, wobei die untere Spirale vom Solarkreislauf und vom frischen Brauchwasser, die obere Spirale vom unten vorgewärmten Brauchwasser und vom Nachheizkreislauf durchströmt wird.

4. Solarwärmespeicher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (8) für den Solartauscher (7) sowie die Zuleitung (14) für das Nachheizwasser mittig erfolgen, während die Zuleitung (10) für das kalte Brauchwasser an der Außenseite der Wärmetauscher (7, 10) erfolgt.

5. Solarwärmespeicher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (8) und die Zuleitung (12) jeweils im Zentrum der zugehörigen Konvektionsräume (5, 9) angeordnet sind.

6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenmantel (3) aus isolierendem Material, insbesondere Kunststoffhart schaum besteht und/oder auf der Innenseite mit einer Wärmestrahlung reflektie renden Schicht versehen ist.