DE19855390A1 - Solar-Heizungsanlage und passender Wasser-Pufferspeicher - Google Patents

Abstract

Eine Solar-Heizungsanlage zur kombinierten Brauchwasser- und Raum-Heizung weist einen von einem Wärmeträgermedium durchströmbaren Solarkollektor 12 sowie einen vom Wärmeträgermedium aufheizbaren Wasser-Pufferspeicher 1 auf, wobei in einer oberen Speicherzone 2 des Pufferspeichers 1 ein Brauchwasserspeicher 4 angeordnet ist. Um Brauchwasser schnell und Heizungswasser mit hohem Wirkungsgrad aufzuheizen, ist eine Umwälzeinrichtung 19, 22 derart vorgesehen, daß die obere Speicherzone 2 mit einem kleineren Volumenstrom pro Zeiteinheit als die untere Speicherzone 3 beheizbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Solar-Heizungsanlage zur kombinierten Brauchwasser- und Raumheizung mit einem von einem Wärmeträgermedium durchströmbaren Solarkollektor, das von einer Umwälzeinrichtung gefördert ist und einem vom Wärmeträgermedium aufheizbaren Wasser-Pufferspeicher, wobei in einer oberen Speicherzone des Wasser- Pufferspeichers ein Brauchwasserspeicher angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Wasser- Pufferspeicher für eine solche Anlage.

Eine derartige Solar-Heizungsanlage ist in der DE 29 60 1783 U1 beschrieben. Dort ist der Brauchwasserspeicher an einen Wärmetauscher angeschlossen, der in einer unteren Speicherzone des Wasser-Pufferspeichers angeordnet ist. Das solarbeheizte Wärmeträgermedium wird dem Wasser-Pufferspeicher oben zugeführt. Wenn die Solarheizung nicht ausreicht, wird über ein Umschaltventil das Wärmeträgermedium dem Wasser- Pufferspeicher im Bereich des Rücklaufes für den Heizungskreislauf zugeführt. Der Wärmetauscher ist so gestaltet, daß seine Windungen im Durchmesser von unten nach oben abnehmen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Solar-Heizungsanlage der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit der das Brauchwasser möglichst schnell aufheizbar ist und mit der das Heizungswasser mit hohem Wirkungsgrad aufheizbar ist.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe dadurch gelöst, daß die Umwälzeinrichtung derart ausgelegt ist, daß die obere Speicherzone mit einem kleineren Volumenstrom pro Zeiteinheit des Wärmeträgermediums als die untere Speicherzone beheizbar ist.

Für die schnelle Aufheizung des Brauchwasserspeichers auf möglichst hohe Temperatur wird vorrangig die obere Speicherzone, also der Brauchwasserspeicher beheizt wird. Die Umwälzeinrichtung fördert das Wärmeträgermedium mit einem vergleichsweise kleinen Volumenstrom durch den Solarkollektor. Dadurch wird das Wärmeträgermedium im Solarkollektor auf eine vergleichsweise hohe Temperatur gebracht, so daß auch das Brauchwasser entsprechend warm wird. In Kauf genommen wird dabei, daß infolge des vergleichsweise kleinen Volumenstroms pro Zeiteinheit der Solarkollektor aufgrund von Wärmeverlusten nur mit einem schlechten Wirkungsgrad arbeitet.

Hat die obere Speicherzone ihre Solltemperatur erreicht, dann wird die Umwälzeinrichtung so umgeschaltet, daß sie einen größeren Wärmeträger-Volumenstrom pro Zeiteinheit fördert. Dadurch wird mit einem höheren Wirkungsgrad des Solarkollektors gearbeitet, weil geringere Wärmeverluste bzw. Temperaturdifferenzen auftreten. Der Pufferspeicher wird über seine untere Speicherzone allmählich auf die Solltemperatur gebracht.

Vorzugsweise weist die Umwälzeinrichtung eine Pumpe kleinerer Förderleistung, durch deren Betrieb die obere Speicherzone beheizbar ist, und eine Pumpe größerer Förderleistung auf, durch deren Betrieb die untere Speicherzone beheizbar ist. Es ist auch möglich, nur eine Pumpe mit umschaltbarer Förderleistung vorzusehen.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind im Pufferspeicher in der oberen Speicherzone und der unteren Speicherzone vom Wärmeträgermedium durchströmbare Wärmetauscher angeordnet, die über eine Umsteuereinrichtung einzeln oder gemeinsam durchströmbar sind. In einer anderen Ausgestaltung ist ein vom Wärmeträgermedium durchströmbarer externer Wärmetauscher außerhalb des Pufferspeichers angeordnet, wobei aus diesem über die Umsteuereinrichtung die obere und/oder die untere Speicherzone beheizbar ist.

Ein Wasser-Pufferspeicher mit in ihm angeordneten Brauchwasserspeicher zeichnet sich dadurch aus, daß eine obere Abschlußkappe des Pufferspeichers mit einer oberen Abschlußkappe des Brauchwasserspeichers verschweißt ist, daß der Brauchwasserspeicher innen emailliert ist und daß die obere Abschlußkappe des Pufferspeichers mit dem Pufferspeicher verschweißt ist. Diese Speichereinheit ist preiswert herstellbar, wobei nicht die Gefahr besteht, daß die Emaillierung durch Schweißen beschädigt wird. Er verbessert damit die Wirtschaftlichkeit der Solar-Heizungsanlage.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Schaltschema eines ersten Ausführungsbeispiels einer Solar-Heizungsanlage,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Solar- Heizungsanlage und

Fig. 3 einen Pufferspeicher mit Brauchwasserspeicher vor dem Zusammenbau.

Bei einer Solar-Heizungsanlage zur Erwärmung von Brauchwasser und zur Unterstützung der Raumheizung besteht in einem Wasser-Pufferspeicher 1 eine obere Speicherzone 2 und eine untere Speicherzone 3. In die obere Speicherzone 2 ist ein Brauchwasserspeicher 4 eingesetzt, der in die untere Speicherzone 3 reichen kann. Der Brauchwasserspeicher 4 ist an eine Kaltwasserleitung 5 angeschlossen und oben über ein Mischventil 6 mit einer oder mehreren Zapfstellen 7, z. B. Dusche, verbunden.

An den Pufferspeicher 1 ist über eine Vorlaufleitung 8 und eine Rücklaufleitung 9 ein Heizungskreis mit Raumheizkörpern 10 und einer Umwälzpumpe 11 angeschlossen. Das Volumen des Pufferspeichers 1 - ohne das Volumen des Brauchwasserspeichers 4 - steht zum Volumen des Brauchwasserspeichers 4 etwa im Verhältnis 3 : 1 bis 4 : 1. Beispielsweise beträgt das Volumen des Brauchwasserspeichers 4 150 l und das Puffervolumen 550 l.

Zur Beheizung des Pufferspeichers 1 und damit auch des Brauchwasserspeichers 4 ist ein Solarkollektor 12 vorgesehen, der mit einer üblichen Armatur 23 beschaltet ist und dessen Vorlaufleitung mit 14 und dessen Rücklaufleitung mit 15 bezeichnet ist.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist in der oberen Speicherzone 2 und in der unteren Speicherzone 3 je ein Wärmetauscher 16, 17 angeordnet. Die Wärmetauscher 16, 17 haben etwa trichterförmige Gestalt, wobei die Durchmesser ihrer Windungen von unten nach oben zunehmen. Eine solche trichterförmige Gestalt begünstigt die Wärmeübertragung, weil sie eine freie Konvektion erlaubt.

Der Wärmetauscher 16 umschließt den Brauchwasserspeicher 4 und kann mit diesem in wärmeleitenden Kontakt stehen; jedenfalls wird der Brauchwasserspeicher 4 von der oberen Speicherzone 2 her beheizt.

Beide Wärmetauscher 16, 17 liegen über eine Abzweigstelle 18 jeweils an der Vorlaufleitung 14 des Solarkollektors 12. Dem oberen Wärmetauscher 16 sind ausgangsseitig eine Pumpe 19, ein Rückschlagventil 20 und ein Stellventil 21 nachgeschaltet. Dem unteren Wärmetauscher 17 sind ausgangsseitig eine Pumpe 22, ein Rückschlagventil 23 und ein Stellventil 24 nachgeschaltet. Jede der Pumpen 19, 22 führt Wärmeträgermedium über eine Sammelstelle 25 in die Rücklaufleitung 15 des Solarkollektors 12 zurück.

Die Pumpen 19, 22 bilden eine Umwälzeinrichtung. Die Förderleistung der der oberen Speicherzone 2 zugeordneten Pumpe 19 ist kleiner als die Förderleistung der der unteren Speicherzone 3 zugeordneten Pumpe 22. Damit ist die obere Speicherzone 2 mit einem kleineren Wärmeträgermedium-Volumenstrom pro Zeiteinheit beheizbar als die untere Speicherzone 3.

Die Abzweigstelle 18 mit den getrennt ein- und ausschaltbaren Pumpen 19 und der Sammelstelle 25 bildet eine Umsteuereinrichtung derart, daß entweder der Wärmetauscher 16 oder der Wärmetauscher 17 vom durch den Solarkollektor 12 beheizten Wärmeträgermedium durchströmbar ist.

Ein umschaltbares Drei-Wegeventil 26 zwischen dem Ausgang des oberen Wärmetauschers 16 und dem Eingang des unteren Wärmetauschers 17 ist vorgesehen, um die beiden Wärmetauscher 16, 17 im Wärmeträgerkreis in Reihe schalten zu können. Im Falle der Reihenschaltung fördert die Pumpe 22 das Wärmeträgermedium.

Zur Steuerung der Pumpen 19, 20 und des Drei-Wegeventils 26 ist eine Regelschaltung 27 vorgesehen. Diese erfaßt über einen Temperaturfühler 28 die obere Temperatur des Solarkollektors 12, über einen Temperaturfühler 29 die Temperatur der oberen Speicherzone 2 und über einen Temperaturfühler 30 die Temperatur der unteren Speicherzone 3.

Die Funktionsweise der beschriebenen Anlage ist im wesentlichen folgende:
Ist der Brauchwasserspeicher 4 kalt, also nicht zur Warmwasserversorgung der Zapfstellen 7 bereit, dann ist dementsprechend auch die Temperatur am Temperaturfühler 29 niedrig. Unter der Voraussetzung, daß die Temperatur am Temperaturfühler 28 des Solarkollektors 12 höher ist, wird dann von der Regelschaltung 27 nur die Pumpe 19 eingeschaltet, wobei das Drei-Wegeventil 26 nur durch die Pumpe 19 Wärmeträgermedium leitet. Da die Pumpe 19 eine vergleichsweise kleine Förderleistung hat, fördert sie nur einen kleinen Volumenstrom pro Zeiteinheit. Diese kleine Volumenstrom hat eine vergleichsweise große Temperaturerhöhung im Solarkollektor 12 zur Folge, so daß eine schnelle Erwärmung der oberen Speicherzone 2 und damit des Brauchwasserspeichers 4 auf eine aus dem Solarkollektor 12 mögliche hohe Temperatur erfolgt. Bei diesem durch den Solarkollektor 12 geleiteten kleinen Volumenstrom pro Zeiteinheit wird ein Wirkungsgrad in Kauf genommen, der schlechter ist als ein Kollektorwirkungsgrad bei größerem Volumenstrom pro Zeiteinheit. Gewonnen wird dadurch eine schnelle Zurverfügungstellung von für die Zapfstellen genügend warmen Wassers.

Ist die Solltemperatur am Temperaturfühler 29 erreicht, dann schaltet die Regelschaltung 27 die Pumpe 19 ab und die bisher abgeschaltete Pumpe 22 ein. Das Wärmeträgermedium wird dadurch mit einem größeren Volumenstrom pro Zeiteinheit durch den Solarkollektor 12 gefördert, was den Wirkungsgrad des Solarkollektors 12 verbessert. Der Pufferspeicher 1 wird nun über den unteren Wärmetauscher 17 von seiner unteren Speicherzone 3 heraus erwärmt, wobei durch Wärmekonvektion auch die obere Speicherzone 2 nacherwärmt wird.

Im Bedarfsfall kann entsprechend gegebener Temperaturgefälle im Pufferspeicher 1 mittels der Regelschaltung 27 auch das Drei-Wegeventil 26 in der Weise umgeschaltet werden, daß dann beide Wärmetauscher 16, 17 strömungstechnisch in Reihe liegen. Dadurch wird eine schnelle Vergleichmäßigung der Temperaturschichtung im Pufferspeicher 1 erreicht. Es wird also schneller eine gleichmäßige Temperatur im Pufferspeicher 1 erreicht, als wenn nur der Wärmetauscher 17 und nicht auch der Wärmetauscher 16 vom Wärmeträgermedium durchströmt ist. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist an den Solarkollektor 12 ein zum Pufferspeicher 1 externer Wärmetauscher 31 angeschlossen, der im Kreislauf des Wärmeträgermediums des Solarkollektors 12 liegt. Zwischen der Abzweigstelle 18 und der Sammelstelle 25 des Wärmeträgermediums liegen parallel die oben genannten Pumpen 19, 22, denen jeweils die Rückschlagventile 20 bzw. 23 und die Stellventile 21 bzw. 24 in Reihe geschaltet sind. Der Wärmetauscher 31 ist sekundärseitig über eine Vorlaufleitung 32 und eine Rücklaufleitung 33, in der eine Umwälzpumpe 34 liegt, an den Pufferspeicher 1 angeschlossen. Die Vorlaufleitung 32 mündet über eine Umsteuereinrichtung aus zwei Drei-Wegeventilen 35, 36 über einen oberen Anschluß 37 in die obere Speicherzone 2, einen mittleren Anschluß 38 und einen unteren Anschluß 39 in die untere Speicherzone 3. Von der Regelschaltung 27 sind die Pumpen 19, 22, die Umwälzpumpe 34 und die Drei-Wegeventile 35, 36 steuerbar. An der Regelschaltung 27 liegen der Temperaturfühler 28 des Solarkollektors 12, der Temperaturfühler 29 der oberen Speicherzone 2 und der Temperaturfühler 30 der unteren Speicherzone 3 sowie ein weiterer Temperaturfühler 40 in der unteren Speicherzone, unterhalb des Temperaturfühlers 30. Die untere Speicherzone 3 ist damit in zwei Teilzonen aufgeteilt, so daß insgesamt drei Speicherzonen bestehen. Dabei ist der Temperaturfühler 29 unterhalb des oberen Anschlusses 37, der Temperaturfühler 30 unterhalb des mittleren Anschlusses 38 und der Temperaturfühler 40 unterhalb des unteren Anschlusses 39 angeordnet.

Die Funktionsweise der Anlage nach Fig. 2 gleicht im wesentlichen der Funktionsweise der Anlage nach Fig. 1. Um die obere Speicherzone 2 schnell auf möglichst hohe Temperaturen zu erwärmen, schaltet die Regelschaltung 27 die Pumpe 19 geringerer Förderleistung ein und schaltet die von den Drei-Wegeventilen 35, 36 gebildete Umsteuereinrichtung so, daß mittels der Umwälzpumpe 34 Wasser aus dem Pufferspeicher 1 so gefördert wird, daß es nur durch den oberen Anschluß 37 in die obere Speicherzone 2 gelangt, wodurch der Brauchwasserspeicher 4 schnell auf eine gewünschte hohe Temperatur gebracht wird. Ist diese erreicht, dann können die Umschaltventile 35, 36 so umgeschaltet werden, daß vom Solarkollektor 12 über den Wärmetauscher 31 erwärmtes Wasser durch den mittleren Anschluß 38 und/oder den unteren Anschluß 39 in den Pufferspeicher 1 eintritt. In diesem Fall ist die Pumpe 19 kleinerer Förderleistung abgeschaltet und die Pumpe 22 größerer Förderleistung eingeschaltet.

Für den Fall, daß die Wärmelieferung des Solarkollektors 12 nicht ausreicht, ist ein Nachheizgerät 41, beispielsweise ein Gasheizkessel, ein Ölkessel oder eine Brennwerttherme, vorgesehen, die über eine Vorlaufleitung 42 oben und eine Rücklaufleitung 43, in der eine Umwälzpumpe 44 liegt, im Bereich der unteren Speicherzone 3 an dem Pufferspeicher 1 angeschlossen ist. Das Nachheizgerät 41 ist von einer weiteren Regelschaltung 45 gesteuert, die über einen weiteren Temperaturfühler 46 die Temperatur im Bereich der oberen Speicherzone 2 erfaßt und die Umwälzpumpen 11, 44 sowie ein im Heizungskreis liegendes Mischventil 47 steuert (vgl. Fig. 1, 2).

In der Rücklaufleitung 9 des Heizungskreises besteht in der Regel eine schwankende Rücklauftemperatur. Um Mischungsverluste zu vermeiden, die eine gewünschte Temperaturschichtung im Pufferspeicher 1 beeinträchtigen könnten, mündet die Rücklaufleitung 9 über ein Aufströmrohr 48 unten in den Pufferspeicher 1. Das Aufströmrohr 48 verteilt über mehrere radiale Öffnungen das Rücklaufwasser in der unteren Speicherzone 3.

Der Pufferspeicher 1 mit integriertem Brauchwasserspeicher 4 ist folgendermaßen gefertigt (vgl. Fig. 3):
Der metallische Brauchwasserspeicher 4 weist einen zylindrischen Grundkörper 49 und eine mit diesem verschweißte Oberkappe 50 und Unterkappe 51 auf. Der Pufferspeicher 1 weist einen zylindrischen Grundkörper 52 und eine Oberkappe 53 sowie eine mit dem Grundkörper 52 verschweißte Unterkappe 54 auf.

Nach der Fertigung des Brauchwasserspeichers 4 wird an dessen Oberkappe 50 zunächst die Oberkappe 53 des Pufferspeichers 1 konzentrisch angeschweißt, wobei die Oberkappe 53 den Brauchwasserspeicher 4 radial überragt. Die umfängliche Schweißstelle ist mit 55 bezeichnet. Anschließend wird der Brauchwasserspeicher 4 mit angeschweißter Oberkappe 53 von einer mit einem Flansch verschließbaren Öffnung 56 aus innenseitig mit einer Emailschicht 57 versehen. Danach wird dann der Brauchwasserspeicher 4 mit angeschweißter Oberkappe 53 in den mit der Unterkappe 54 verschweißten und ggf. mit den Wärmetauschern 16, 17 ausgerüsteten Grundkörper 52 in Richtung des Pfeiles P eingeschoben. Danach wird dann die Oberkappe 53 mit dem Grundkörper 52 am radialen Umfang verschweißt. Der Pufferspeicher 1 ist nicht emailliert. Dabei ist gewährleistet, daß die Emaillierung 57 durch das Verschweißen der Oberkappe 53 mit dem Grundkörper 52 nicht geschädigt wird, weil sie einen hinreichenden Abstand zu der Schweißstelle hat.

Claims (12)

1. Solar-Heizungsanlage zur kombinierten Brauchwasser- und Raumheizung mit einem von einem Wärmeträgermedium durchströmbaren Solarkollektor, das von einer Umwälzeinrichtung gefördert ist, und einem vom Wärmeträgermedium aufheizbaren Wasser-Pufferspeicher, wobei in einer oberen Speicherzone des Pufferspeichers ein Brauchwasserspeicher angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzeinrichtung (19, 22) derart ausgelegt ist, daß die obere Speicherzone (2) mit einem kleineren Volumenstrom pro Zeiteinheit des Wärmeträgermediums als die untere Speicherzone (3) beheizbar ist.

2. Solar-Heizungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umsteuereinrichtung (35, 36) vorgesehen ist, mit der die obere Speicherzone (2) zur Erwärmung des Brauchwasserspeichers (4) und die untere Speicherzone (3) vom Solarkollektor (12) getrennt beheizbar sind, oder die ober die obere Speicherzone (2) und die untere Speicherzone (3) vom Solarkollektor (12) gleichzeitig beheizbar sind.

3. Solar-Heizungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzeinrichtung eine Pumpe (19) kleinerer Förderleistung, durch deren Betrieb die obere Speicherzone (2) beheizbar ist, und eine Pumpe (22) größerer Förderleistung aufweist, durch deren Betrieb die untere Speicherzone (3) beheizbar ist.

4. Solar-Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Pufferspeicher (1) in der oberen Speicherzone (2) und der unteren Speicherzone (3) vom Wärmeträgermedium durchströmbare Wärmetauscher (16, 17) angeordnet sind, die einzeln oder gemeinsam vom Wärmeträgermedium durchströmbar sind.

5. Solar-Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein externer, vom Wärmeträgermedium durchströmbarer Wärmetauscher (31) außerhalb des Pufferspeichers (1) angeordnet ist und daß aus diesem über eine Umsteuereinrichtung (35, 36) die obere und/oder die untere Speicherzone (2, 3) beheizbar sind.

6. Solar-Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelschaltung (27) vorgesehen ist, die über einen Temperaturfühler (28) die Vorlauftemperatur des Solarkollektors (12) und über einen Temperaturfühler (29) die Temperatur der oberen Speicherzone (2) und über einen Temperaturfühler (30) die Temperatur der unteren Speicherzone (3) erfaßt und die Umwälzeinrichtung (19, 22) steuert.

7. Solar-Heizungsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (27) die Umsteuereinrichtung steuert.

8. Solar-Heizungsanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (27) Drei-Wegeventile (35, 36) der Umsteuereinrichtung steuert.

9. Solar-Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher (16, 17) trichterförmig gestaltet sind, wobei wenigstens der obere Wärmetauscher (16) den Brauchwasserspeicher (4) umschließt.

10. Solar-Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rücklaufleitung (9) eines Heizungskreises über ein Aufströmrohr (38) unten in den Pufferspeicher (1) mündet, wobei das Aufströmrohr (38) derart gestaltet ist, daß es eine zur vertikalen Längsachse des Pufferspeichers (1) radiale Wasserverteilung schafft.

11. Solar-Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die obere Speicherzone (2) des Pufferspeichers (1) eine Vorlaufleitung (42) eines Nachheizgeräts (41) mündet, dessen Rücklaufleitung (43) mit der unteren Speicherzone (3) verbunden ist.

12. Wasser-Pufferspeicher, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberkappe (50) des Brauchwasserspeichers (4) mit einer Oberkappe (53) des Pufferspeichers (1) verschweißt ist, daß der Brauchwasserspeicher (4) innen mit einer Emaillschicht (57) versehen ist und daß die Oberkappe (53) des Pufferspeichers (1) mit dessen Grundkörper (52) verschweißt ist.