DE19915912C2 - Wasserspeicher, insbesondere für eine Zentralheizungsanlage mit Solarkollektor - Google Patents
Wasserspeicher, insbesondere für eine Zentralheizungsanlage mit SolarkollektorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Speicher, 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 Laderohre.
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 otimal
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 schwenkbare Lamellen eines flexiblen Blechs
jeweils in derjenigen Höhe befindliche Schlitze, bei denen
das Wasser beidseitig des
Blechs in etwa Temperaturgleichheit aufweist, wodurch die
gewünschte ruhige Schichtung während des Ladevorgangs
realisiert wird. Dabei stellen die sich flexibel
auslenkbaren Lamellen hydraulische Gleichrichter mit
gerichteter Ventilwirkung dar.
Ein aus Edelstahl-Folie hergestelltes Blech 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 Speicher
("Rangierspeicher");
Fig. 2a-d zeigen verschiedene Ansichten des
erfindungsgemäßen Speichers;
Fig. 3a-f zeigen Details des den Speicher
charakterisierenden Blechs.
Der in Fig. 2a im Längsschnitt dargestellte Speicher
(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 Blech 18, d. h. eine mit schwenkbaren
Lamellen 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 Blech 18 verbleibenden abgetrennten
Bereich 24 des Behälters 4.
Das von dem Solarkollektor-Vorlauf über den Rohrstutzen 34
eingespeiste Wasser kann an jeder schwenkbaren Lamelle 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 Blech 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 Blech 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)
Kagnetitabscheider(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 Speicher (Rangierspeicher) 2
dient nicht nur als Pufferspeicher für
die Heizungsanlage, sondern er stellt gleichzeitig eine
sogenannte "hydraulische Weiche" dar. Der Speicher
(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, wenn
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.
2
Speicher, (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
Blech
20
Lamelle(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. Speicher (2),
insbesondere Schichten- bzw. Puffer-Speicher,
zur Speicherung von Warmwasser oder eines gleichartigen Wärmeenergieträgers,
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 (34) 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 Blech (18) befindet, das mit Schlitzen (22) versehen ist, die mit nach unten gerichteten schwenkbaren Lamellen (20) bedeckt sind,
wobei die Lamellen (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.
insbesondere Schichten- bzw. Puffer-Speicher,
zur Speicherung von Warmwasser oder eines gleichartigen Wärmeenergieträgers,
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 (34) 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 Blech (18) befindet, das mit Schlitzen (22) versehen ist, die mit nach unten gerichteten schwenkbaren Lamellen (20) bedeckt sind,
wobei die Lamellen (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 Blech (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.
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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DE19915912A DE19915912C2 (de) | 1998-04-08 | 1999-04-08 | Wasserspeicher, insbesondere für eine Zentralheizungsanlage mit Solarkollektor |
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