DE19915912A1 - Wasserspeicher, insbesondere für eine Zentralheizungsanlage mit Solarkollektor - Google Patents

Wasserspeicher, insbesondere für eine Zentralheizungsanlage mit Solarkollektor

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Abstract

Um eine thermische Durchmischung des Speicherwassers zu vermeiden, sollte die Temperatur des eingeleiteten Wassers möglichst genau der Temperatur derjenigen Speicherschicht entsprechen, bei der die Einleitung jeweils erfolgt. Je genauer die Ablage des Vorlaufwassers vorgenommen wird, desto geringer sind die durch Mischungen entstehenden Temperaturverluste. Deshalb soll der Ladevorgang jeweils der isothermen Schicht des Speichers zugeordnet werden. DOLLAR A Eine Ladewechselvorrichtung, die innerhalb des Wasserspeichers (2) angeordnet ist, umfaßt eine senkrecht in dem Behälter (4) angeordnete Wabenplatte (16). An der dem Behälterinnenraum (32) zugewandten Seite befindet sich ein Schuppenblech (18), das mit Schlitzen (22) versehen ist, die mit nach unten gerichteten verschwenkbaren Schuppen (20) bedeckt sind. DOLLAR A Die Schuppen (20) weisen eine Ventilwirkung auf: Bei gleichseitigem Druck halten sie die Schlitze (22) geschlossen und öffnen die Schlitze (22) zum (weiteren) Behälterraum (32) bei einem von der Seite der Wabenplatte (16) anliegenden Überdruck.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wasserspeicher, insbesondere für eine Zentralheizungsanlage mit Solarkollektor, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einer Solaranlage mit externem Wärmetauscher besteht das Problem der optimalen Einleitung des erwärmten Wassers in einen Speicher.
Um eine thermische Durchmischung des Speicherwassers zu vermeiden, sollte die Temperatur des eingeleiteten Wassers möglichst genau der Temperatur derjenigen Speicherschicht entsprechen, bei der die Einleitung jeweils erfolgt. Je genauer nämlich die Ablage des Vorlaufwassers vorgenommen wird, desto geringer sind die durch Mischungen entstehenden Temperaturverluste.
Es ist ein Schichtenpufferspeicher mit einem Ladeautomaten bekannt, bei dem die Mündung eines Laderohres mittels eines thermischen Antriebs in diejenige Temperaturschicht geschwenkt wird, die der Solar-Vorlauftemperatur entspricht.
Der thermische Antrieb wird mit Hilfe einer Temperaturdifferenzregelung durchgeführt. Dessen Speicherfühler sitzt an der Mündung des Laderohres.
In der Praxis hat sich herausgestellt, daß sich das genannte Laderohr wie ein Rührstab hin- und herbewegt und somit die angestrebte ruhige Schichtung des zu ladenden Wassers verhindert bzw. zerstört.
Auch ist die düsenförmige Mündung des Laderohres nicht geeignet, eine ruhige Schichtung des in den Speicher einströmenden Wassers zu gewährleisten.
Die EP 0 384 423 B1 beschreibt einen (Brauch-)­ Warmwasserspeicher mit einem darin senkrecht angeordneten Warmwasserzuführrohr, das mit in Abständen übereinander angeordneten Auslässen versehen ist, in/an denen Klappenventile angeordnet sind, die in den Speicherraum öffnen. Die Klappenventile bestehen aus einem Elastomer und sind als einstückige plattenförmige Rückschlagklappen ausgebildet.
Solange das außen auf die Klappe wirkende Wasser eine höhere Dichte aufweist als das auf der Innenseite anstehende Wasser, wird über den auf die Klappe wirkenden Differenzdruck die Klappe mit ihrem Randbereich gegen den Ventilsitz gedrückt.
Bei Temperatur- und damit Dichteungleichheit des beidseitig der Ventilklappe befindlichen Wassers ist der auf die Ventilklappe wirkende Dichtungsdruck aufgehoben, und es soll das eingespeicherte erwärmte Wasser durch seine kinetische Energie die Klappe öffnen, so daß das erwärmte Wasser in den Speicher einströmen kann. Das durch das Zuführrohr einströmende Wasser ist wegen der 90°-Ablenkung im Bereich der Auslässe stark verwirbelt, womit eine unkontrollierbare kinetische Energie gegeben ist. Diese Verwirbelung hat zur Folge, daß die Klappenöffnung weitgehend strömungsabhängig und nicht temperaturabhängig erfolgt. Zudem hat sich gezeigt, daß die genannten Ventilklappen relativ schwer und auch schwergängig sind. Eine optimale Schichtenspeicherung scheint so nicht möglich.
Den genannten Speichern ist gemeinsam, daß eine definierte räumliche Trennung zwischen dem kalten und dem warmen Bereich entweder gar nicht oder zumindest nicht optimal gewährleistet ist.
Ist keine optimale Schichtung des unterschiedlich temperierten Wassers sondern eine Durchmischung gegeben, so ist einerseits keine vollständige Entladung der vom Heizkessel gelieferten Wärme möglich, andererseits kann eine Ausnutzung von Solarwärme nur bei höchsten Temperaturen erfolgen.
Es besteht nach wie vor die Aufgabe, einen Wärmespeicher zu beschreiben, bei dem der Ladevorgang jeweils der isothermen Schicht des Speichers zugeordnet wird.
Diese Aufgabe wird auf der Basis der im Hauptanspruch genannten Merkmale gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Der erfindungsgemäße Speicher ist ein sogenannter Rangierspeicher: Beim Ladevorgang wird die Strömung des seitens des Solarkollektor-Wärmetauschers eintretenden Wassers mit Hilfe einer Wabenplatte in die Horizontale umgeleitet und laminarisiert, d. h Wirbel werden unterdrückt; die Strömung wird insgesamt beruhigt. Auf diese Weise kommt in erster Linie die Schwerkraft zur Wirkung, was bedeutet, daß sich kälteres, spezifisch schwereres Wasser im unteren Bereich und wärmeres, spezifisch leichteres Wasser im oberen Bereich des Behälters einen Ausgleich zu verschaffen sucht. Zu diesem Zweck öffnen verschwenkbare Schuppen eines flexiblen Schuppenblechs jeweils in derjenigen Höhe befindliche Schlitze, bei denen das Wasser beidseitig des Schuppenblechs in etwa Temperaturgleichheit aufweist) wodurch die gewünschte ruhige Schichtung während des Ladevorgangs realisiert wird. Dabei stellen die sich flexibel auslenkbaren Schuppen hydraulische Gleichrichter mit gerichteter Ventilwirkung dar.
Ein aus Edelstahl-Folie hergestelltes Schuppenblech hat sich als vorteilhaft erwiesen. Aber auch verschiedene Kunststoff-Folien weisen eine hervorragende Ventilwirkung bereits bei geringstem Temperaturunterschied auf.
Seitens der diversen Rückläufe wird die ruhige Schichtung durch eine im unteren Bereich des Behälters quer angeordnete Platte, die mit Öffnungen und Prallblech versehen ist, weiter unterstützt. Durch die Öffnung gelangt nämlich lediglich die Differenz der aus den Vor- und Rückläufen gebildeten Ströme. Das Prallblech verhindert weitgehend eine Verwirbelung des in den weiteren Behälter aufsteigenden Wassers.
Ein am primärseitigen Kessel-Vorlaufeingang angebrachter Diffusor sorgt für eine schichtweise Einspeisung des warmen Vorlaufwassers in den Speicherbehälter. Vorzugsweise ist zwischen Vorlaufeingang und Diffusor ein Gasabscheider zwischengeschaltet.
Ein im unteren Teil des Behälters vorgesehener Schmutzabscheider sorgt für eine Zurückhaltung der in der Heizungsanlage zirkulierenden Schmutzpartikel. Zur Abscheidung ferromagnetischer Teilchen kann ein Magnetitabscheider vorgesehen sein.
Innerhalb des Behälters in unterschiedlichen Höhen angebrachte Temperaturfühler sorgen dafür, daß ein Ladevorgang nur dann erfolgt, wenn ein Ladebedarf besteht und entsprechend wärmeres Wasser von der Solaranlage zur Verfügung steht.
Anhand der beigefügten Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.
Fig. 1 zeigt den Schaltplan einer Heizungsanlage mit Solarkollektor und einem erfindungsgemäßen Wasserspeicher ("Rangierspeicher");
Fig. 2a-d zeigen verschiedene Ansichten des erfindungsgemäßen Wasserspeichers;
Fig. 3a-f zeigen Details des den Wasserspeicher charakterisierenden Schuppenblechs.
Der in Fig. 2a im Längsschnitt dargestellte Wasserspeicher ("Schichtenspeicher", "Pufferspeicher", "Rangierspeicher") 2 besteht aus einem zylindrischen Gefäß 4, das vorzugsweise stehend angeordnet, das mit einer Wärmedämmung (nicht dargestellt) ummantelt und das mit Füßen 6 zur standweisen Aufstellung versehen ist.
Links im Bild sind zwei Rohrstutzen 8, 10 zum Anschluß des Vor- und Rücklaufs einer Wärmequelle (z. B. eines Gasheizkessels) zu sehen. Rechts im Bild sind zwei weitere Rohrstutzen 12, 14 als Anschlüsse für Vor- und Rücklauf von Verbrauchern (z. B. Heizkörperkreise und dezentrale Wärmetauscher, siehe auch Fig. 1) dargestellt. Der sekundärseitige Vorlaufstutzen 12 endet nach oben abgewinkelt im oberen Teil des Behälters 4. Außerdem sind an dem Speicherbehälter mehrere Rohrstutzen 62, 64, 66, 68, 70, 72 und 74 zur Anbringung von Temperaturfühlern angeordnet.
Seitlich im Behälter 4 befindet sich eine im wesentlichen vertikal angeordnete Wabenplatte 16. Auf der Wabenplatte 16 ist ein flexibles Schuppenblech 18, d. h. eine mit verschwenkbaren Schuppen 20 versehene Folie aus Blech oder Kunststoff zum bedarfsweisen öffnen oder Schließen von in der Oberfläche der Wabenplatte 16 befindlichen Schlitzen 22 angeordnet (Fig. 3). Am unteren Ende mündet ein Rohrstutzen 34, der als Vorlauf einer Solaranlage 26 dient, in den hinter dem Schuppenblech 18 verbleibenden abgetrennten Bereich 24 des Behälters 4.
Das von dem Solarkollektor-Vorlauf über den Rohrstutzen 34 eingespeiste Wasser kann an jeder verschwenkbaren Schuppe 20 in den weiteren Raum 32 des Behälters 4 gelangen.
Aus thermodynamischen Gründen erfolgt ein Durchtritt des von der Solaranlage 26 (Solarkollektor 28, Wärmetauscher 30) eingespeisten Wassers durch das flexible Schuppenblech 18 aber nur in der Höhe, in der die Temperatur des eingespeisten Wassers gleich der jeweiligen Schichtentemperatur des weiteren Behälters 32 ist. Auf diese Weise wird eine Verwirbelung des im Behälter 4 befindlichen Wassers weitgehend vermieden.
Der Vorlauf der Solaranlage 26 in den Speicher (Rangierspeicher) 2 erfolgt durch einen Rohrstutzen 34 in den unteren Teil des durch das Schuppenblech 18 abgetrennten Bereichs 24 des Behälters 4.
An das in den Behälter 4 hineinragende Ende des Heizungsvorlaufs 8 ist ein Gasabscheider 38 angeschlossen. Am oberen Ende des Gasabscheiders 38 befindet sich ein Entlüfterrohr 40. Am unteren Ende des Gasabscheiders 38 ist als Auslaß ein Diffusor 42 angebracht.
Der primärseitige 10 und der sekundärseitige Rücklaufstutzen 14 sind an sich gegenüberliegenden Seiten unten am Behälter 4 angeordnet. Kurz oberhalb dieser Rohrstutzen 10, 14 ist der Behälter 4 mit einer quer, d. h. horizontal angeordneten Platte 36 ausgestattet. In ihrem Zentrum weist diese Platte 36 eine Öffnung 44 auf, der ein Prallblech 46 gegenübersteht. Hierdurch wird eine Beruhigung des zwischen sekundär- 14 und primärseitigem Rücklauf 10 fließenden Wassers bewirkt. Durch die in der Platte 36 befindliche Öffnung 44 gelangt lediglich die Differenz der sich aus den primär- und sekundärseitigen Kreisen ergebenden Volumenströme.
An seinem unteren Ende weist der Speicher-Behälter 4 einen Schmutzabscheider 48 auf. An der tiefsten Stelle des Behälters 4 befindet sich eine Entleerungsöffnung 50. Der Schmutzabscheider 48 kann mit einem (oder mehreren) Magnetitabscheider(n) 52 zur Abscheidung von Rostpartikeln und dergleichen ferromagnetischer Teilchen kombiniert sein.
Ferromagnetische Partikel sammeln sich an den Hülsen der als "Magnetkerzen" ausgebildeten Magnetitabscheider. Nimmt man die von außen zugänglichen Magnetkerzen heraus, so fällt der an den Hülsen angesammelte Magnetschlamm zu Boden und kann durch die Entleerungsöffnung 50 entsorgt werden.
Der in der Fig. 2 dargestellte Wasserspeicher (Rangierspeicher) 2 dient nicht nur als Pufferspeicher für die Heizungsanlage, sondern er stellt gleichzeitig eine sogenannte "hydraulische Weiche" dar. Der Wasserspeicher (Rangierspeicher) 2 dient damit der Entkopplung von Kesselkreisen (allgemein: von Wärmequellen, egal ob Heizkessel, Solarkollektoren und/oder Wärmepumpen als Wärmequellen dienen), einerseits, und nachgeschalteten Verbrauchern (z. B. Heizkörper 54 und Brauchwasserwärmetauscher 56), andererseits. Dabei erfolgt eine Ladung, wenn die Summe der zufließenden erzeugten Wärmemengen größer als die Summe der verbrauchten Wärmemengen ist.
Der in dem Behälter 4 vertikal fließende Volumenstrom ist gleich der Differenz der von der Wärmequellen (Kessel, Solaranlage usw.) angebotenen und von den Heizungskreisen abgenommenen Volumenströme. Ist der von den Heizkörperkreisen abgenommene Volumenstrom größer als der vom Kessel 58 und der Solaranlage 26 angebotene, so strömt durch den als hydraulische Weiche wirkenden Speicher 2 Rücklaufwasser vom sekundärseitigen Rücklauf 14 direkt in Richtung Vorlauf 12 der Heiz(körper)kreise und mischt sich dem Kesselvorlaufwasser 8 bei.
Ist hingegen der von den Heizkörperkreisen abgenommene Volumenstrom kleiner als der von dem Kessel 58 und dem Wärmetauscher 30 der Solaranlage 26 angebotene, so strömt das Vorlaufwasser 8 vermehrt in Richtung Rücklauf 60, so daß der gesamte Behälter 4 alsbald bis zum Grund mit warmem Vorlaufwasser gefüllt ist.
Dabei wird das durch den Diffusor 42 einströmende Wasser in einer eindeutig definierten horizontalen Ebene verteilt und bildet dort eine Art Vorhang, der den oberen von dem unteren Teil des Behältervolumens 32 teilt. Wird nun mehr warmes Wasser seitens der Wärmequellen angeliefert als von den Wärmeverbrauchern abgenommen wird, so verschiebt sich dieser als Temperaturgrenze wirkende Vorhang mehr und mehr nach unten.
Seitens der Solaranlage 26 erfolgt immer dann eine Ladung des (Rangier-)Speichers 2, wenn die Temperatur des von der Solaranlage 26 bereitgestellten Wassers größer als die Temperatur der untersten Speicherwasserschicht ist. Außerdem erfolgt eine Ladung seitens des Kessels 58, denn die oberste Speicherwasserschicht nicht die für die Heizungsanlage erforderliche Mindesttemperatur erreicht hat.
Wird mehr Wärmeenergie angefordert als von den Wärmequellen 26, 58 geliefert, so verschiebt sich die Wärmegrenze nach oben. Temperatursensoren einer Temperaturdifferenzsteuerung stellen fest, ob die Wärmegrenze eine bestimmte vorgegebene Ebene erreicht hat und gibt gegebenenfalls ein Signal zum Einschalten der Solaranlage 26 oder, falls die Solaranlage 26 nicht heiß genug ist, zum Einschalten des Heizkessels 58.
Dadurch, daß in der Regel der im Rangierspeicher 2 fließende Volumenstrom bedeutend geringer ist als der in den Zu- und Ablaufleitungen fließende Volumenstrom, ist die Strömungsgeschwindigkeit in dem Wasserspeicher-Behälter 4 in der Regel sehr gering. Dieser Effekt ist ein weiterer Grund dafür, warum eine Verwirbelung des im (weiteren) Behälter 32 befindlichen Wassers weitgehend vermieden wird.
Bezugszeichenliste
2
(Warm)wasserspeicher, Rangierspeicher
4
Gefäß, Behälter
6
Füße
8
Rohrstutzen, Vorlauf primär
10
Rohrstutzen, Rücklauf primär
12
Rohrstutzen, Vorlauf sekundär
14
Rohrstutzen, Rücklauf sekundär
16
Wabenplatte
18
Schuppenblech
20
Schuppe(n)
22
Schlitz(e)
24
abgetrennter Bereich des Behälters
26
Solaranlage
28
Solarkollektor
30
Wärmetauscher (der Solaranlage)
32
(weiterer) Behälterraum
34
Rohrstutzen, Vorlauf Solaranlage
36
Platte
38
Gasabscheider
40
Entlüfterrohr
42
Diffusor
44
Öffnung
46
Prallblech
48
Schmutzabscheider
50
Entleerungsöffnung
52
Magnetitabscheider
54
Heizkörper
56
Brauchwasserwärmetauscher
58
Heizkessel
60
Rücklauf Solaranlage
62
,
64
,
66
,
68
,
70
,
72
,
74
Rohrstutzen für Temperaturfühler

Claims (6)

1. (Wasser-)speicher (2),
ein sogenannter "Schichten-" bzw. "Puffer"-Speicher, zur Speicherung von Warmwasser und/oder zur Speicherung von Wärmeenergie in Form von erwärmtem Wasser (oder eines gleichartigen Wärmeträgers), mit primärseitig und sekundärseitig jeweils mindestens einem Vorlauf (8), (12) und jeweils mindestens einem Rücklauf (10)) (14),
wobei der Speicherbehälter (4) gleichzeitig eine "hydraulische Weiche" zur Entkopplung der primärseitig anschließbaren Wärmequellen (wie z. B. Heizkessel (58), Solaranlage (26), Fernwärmetauscher und/oder Wärmepumpe) von den sekundärseitig anschließbaren diversen Wärmeverbrauchern (wie z. B. Heizkörper (54) und Wärmetauscher (56) zur Trinkwassererwärmung) darstellt, und wobei eine innerhalb des Wasserspeichers (2) angeordnete Ladewechselvorrichtung zur Lenkung des Warmwasserzuflusses von einem Solarkollektor-Wärmetauscher (30) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladewechselvorrichtung eine senkrecht in dem Behälter (4) angeordnete Wabenplatte (16) umfaßt, die hinter sich einen vom weiteren Behälterraum (32) abgetrennten schmalen Behälterbereich (24) bildet) der über einen in seinem unteren Bereich angeordneten Rohrstutzen (43) mit dem Vorlauf des Solarkollektor- Wärmetauschers (30) in Verbindung steht,
und daß sich auf der Wabenplatte (16) an der dem Behälterinnenraum (32) zugewandten Seite ein Schuppenblech (18) befindet, das mit Schlitzen (22) versehen ist, die mit nach unten gerichteten verschwenkbaren Schuppen (20) bedeckt sind,
wobei die Schuppen (20) eine Ventilwirkung in der Weise aufweisen,
daß sie bei beidseitig gleichem Druck die Schlitze (22) geschlossen halten
und bei einem von der Seite der Wabenplatte (16) anliegendem Überdruck die Schlitze (22) zum (weiteren) Behälterraum (32) hin öffnen.
2. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schuppenblech (18) aus einer Edelstahl-Folie besteht.
3. Speicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der primärseitige (10) und sekundärseitige Heizungsrücklauf (14) und der Solarkollektor-Rücklauf (60) am unteren Ende des Behälters (4) angeordnet sind,
und daß der Behälter (4) kurz oberhalb der Rohrstutzen (10), (14) und (60) der Rückläufe mit einer quer, d. h. horizontal angeordneten Platte (36) ausgestattet ist, die in ihrem Zentrum eine Öffnung (44) aufweist, der oberhalb in einem geringen Abstand ein Prallblech (46) gegenübersteht.
4. Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der im oberen Teil des Behälters (4) befindliche, primärseitige Vorlaufeingang (8) mit einem Diffusor (42) zur sternförmigen, horizontalen und schichtweisen Einspeisung des warmen Vorlaufwassers in den Speicherbehälter (4) versehen ist, und
wobei zwischen Vorlaufeingang (8) und Diffusor (42) ein Gas-(Luft-)Abscheider (38) angeordnet ist.
5. Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß im unteren Teil des Speicherbehälters (4) ein Schmutzabscheider (48) vorgesehen ist,
der einen Magnetitabscheider (52) zur Abscheidung ferromagnetischer Partikel umfaßt.
6. Speicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Behälters (4) in unterschiedlichen Höhen Temperaturfühler zur Steuerung der Heizkreise angeordnet sind.
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