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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Warmwasserspeicher, insbesondere
einen Schichtenspeicher, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bislang
waren sogenannte Schichtenspeicher nur aus dem Solarbereich bekannt
und dienten als Pufferspeicher ab ca. 500 Liter Wasserinhalt, bei denen
Warmwasser mit unterschiedlichen Temperaturniveaus exakt in die
entsprechende Schicht eingeführt wird. Mittels einer mit
Hilfe von Sonnenkollektoren aufgefangenen bzw. erzeugten Wärme
wird Wasser erwärmt und gespeichert und steht als solaraufgeheiztes
Speicherwasser sofort der Warmwasserbereitung oder auch der Heizungsunterstützung
zur Verfügung. Die Schichtenleittechnik bewirkt hierbei eine
Effektivitätssteigerung gegenüber herkömmlichen
Speichern mit Durchlaufrohrwendeln, so daß aus einem Schichtenspeicher
die doppelte bis dreifache Menge an Warmwasser entnommen werden kann.
Bei einem Schichtenspeicher wird eine Temperaturschichtung des Wärmeträgermediums – hier
des Wassers – ausgebildet, wobei sich im oberen Bereich des
Schichtenspeichers das Wärmeträgermedium mit der
höchsten Temperatur befindet und sich am Boden des Schichtenspeichers
das Wärmeträgermedium mit der tiefsten Temperatur
sammelt. Problematisch bei diesen bekannten Schichtenspeichern ist eine
Durchmischung des Wärmeträgermediums, was zu einer
erheblichen Effektivitätsminderung führt.
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Zwar
sind seit einiger Zeit kleine Schichtenspeicher, teilweise in Kombination
mit einem Brennwertgerät bekannt. Nachteilig bei den dortigen Schichtenspeichern
ist jedoch, daß bereits bei geringen Warmwasserzapfmengen
die angegebenen Leistungsdaten nicht erreicht werden. Der Grund
dafür ist eine Durchmischung von warmem mit kaltem Wasser,
wodurch eine Effizienz- bzw. Effektivitäts- und Komforteinbuße
entsteht. Der ungünstigen Durchmischung und der Störung
der Thermoschichtung wurde versucht, mittels entsprechender Leit- und
Verteileinrichtungen zu begegnen, die zumeist sehr aufwendig konstruiert
sind.
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Die
deutsche Gebrauchsmusterschrift
G 83 10 136.5 zeigt zur Lösung dieses Problems
einen Warmwasserschichtenspeicher, bei dem bei Zuführung
größerer Wassermengen durch ein Eintrittsrohr eine
Störung der Schichtung von warmem und kaltem Wasser in
dem Speicherbehälter verhindert wird. Dies wird dadurch
erreicht, daß das offene Ende eines Eintrittsrohrs in einen
Topf ragt. Der horizontale Boden des Topfes ist mit einem Abstand
von dem offenen Ende des Eintrittsrohrs angeordnet und dessen Rand
erstreckt sich nach oben über die Höhe des offenen
Endes des Eintrittsrohrs. Dadurch wird eine im wesentlichen vertikal
nach oben, d. h. in Richtung oberer Behälterwand, gerichtete
Strömung erzeugt, die an der oberen Behälterwand
quasi abprallt und zu einer Durchmischung eines Hauptvolumens des
dortigen Schichtenspeichers führt. Dieser Effekt tritt umso
nachteiliger in Erscheinung, je höher die Strömungsgeschwindigkeit
von in den Schichtenspeicher strömendem Wärmeträgermedium
ist. Diesem Problem kann zwar dadurch begegnet werden, daß der Topf
in einem größeren Abstand von der zugeordneten
Behälterwand angeordnet wird; in nachteiliger Weise wird
hiermit jedoch eine verstärkte unmittelbare Vermischung
des Hauptvolumens des Schichtenspeichers in Kauf genommen. Eine
temperaturmäßige Durchmischung des in dem Schichtenspeicher befindlichen
Wassers ist somit allenfalls unmittelbar unter dem Topfboden minimiert;
eine tatsächliche Verhinderung einer ungewollten Durchmischung
des Wasservolumens ist mittels der dort vorgestellten Vorrichtung
jedoch nicht zu erreichen. Darüber hinaus schlägt
die dortige Gebrauchsmusterschrift keinerlei Maßnahme vor,
um eine Schichtenstörung im unteren Bereich des Speicherbehälters,
nämlich an dem Einlauf des Kaltwasserabzugsrohres zu verhindern,
so daß, insbesondere bei einem hohen Zapfvolumen, zwangsläufig
eine die Schichtung störende Strömung entsteht,
die sich in das gesamte Hauptvolumen des Schichtenspeichers hinein
auswirkt.
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Ein
weiterer Nachteil, der sich als problematisch bei der Entwicklung
von schichtenstörungsfreien bzw. -minimierten Schichtenspeichern
stellt, ist die, insbesonder im Haushaltsbereich, üblichen Raumhöhen
angepaßte Abmessung von Warmwasserschichtenspeichern, wobei
das Verhältnis von Speicherhöhe zu Speicherdurchmesser
bei etwa 1:1,1 liegt. Angesichts dieser Geometrie müssen
besondere Maßnahmen getroffen werden, die eine unerwünschte
Vermischung von Kalt- und Warmwasser wirkungsvoll verhindern. Solche
Maßnahmen sind aus dem Stand der Technik bislang noch nicht
bekannt.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Warmwasserschichtenspeicher
zur Verfügung zu stellen, bei dem mit möglichst
geringem konstruktivem Aufwand auch bei hohen Zapfvolumina keine
nennenswerte Vermischung von Kalt- und Warmwasser stattfindet, so
daß eine höchstmögliche Verfügbarkeit
von Warmwasser gewährleistet ist.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Warmwasserspeicher, insbesondere Schichtenspeicher,
gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Insbesondere
wird die Aufgabe durch einen Warmwasserspeicher, insbesondere Schichtenspeicher,
mit einem Kaltwasserzulauf, einer Brauchwasserentnahmeleitung und
einem aus einem unteren Bereich desselben wegführenden
Kaltwasserabzug, im Verlauf dessen eine Umwälzpumpe angeordnet
ist und der zu einer Wärmequelle führt, von der
aus eine Warmwasserleitung in einen oberen Bereich des Schichtenspeichers
mündet, gelöst, wobei dem Einlaß der
in den oberen Bereich des Schichtenspeichers mündenden
Warmwasserleitung und/oder dem Einlauf des aus dem unteren Bereich
des Schichtenspeichers wegführenden Kaltwasserabzugs eine obere
bzw. eine untere Wasserleit- und -verteileinrichtung zugeordnet
sind.
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Ein
wesentlicher Punkt der Erfindung besteht darin, daß mittels
der Wasserleit- und -verteileinrichtung im Boden- und Deckelbereich
des Schichtenspeichers Störungen im Temperaturprofil des
in dem Schichtenspeicher enthaltenen Wassers auf ein Minimum reduziert
werden können. In vorteilhafter Weise ist somit im Speicherladebetrieb,
d. h. beim Zuführen von Warmwasser, eine temperaturgenaue
Einschichtung des Warmwassers von oben nach unten gewährleistet.
Darüber hinaus ist gewährleistet, daß auch
durch den Abzug von Kaltwasser keine sich in das Hauptvolumen des
Schichtenspeichers auswirkende Strömung, welche die Temperaturschichtung innerhalb
des Schichtenspeichers stören würde, verursacht
wird. Zudem ist unter Verwendung der erfin dungsgemäßen
Wasserleit- und -verteileinrichtung sichergestellt, daß eine
Aufheizung aus dem kalten Zustand keine merklichen Temperaturschwankungen während
der Zapfung auslöst, so daß abgezogenes Trink-
oder Brauchwasser bis hin zu hohen Zapfvolumina von beispielsweise
15 l/min bis 25 l/min im wesentlichen immer die gleiche Temperatur
aufweist.
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Es
sei betont, daß die erfindungsgemäße Wasserleit-
und -verteileinrichtung sowohl im Boden- als auch im Deckelbereich
des Schichtenspeichers einzeln oder in Kombination miteinander,
je nach gewünschter und/oder vorgegebener Geometrie des Schichtenspeichers
vorgesehen sind.
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Gemäß einer
Ausführungsform weist die obere Wasserleit- und -verteileinrichtung
eine sich etwa horizontal erstreckende, als Prallplatte wirkende
Verteilplatte auf, auf die das einzuspeichernde Warmwasser so gelenkt
wird, daß sich zustromseitig der Verteilplatte eine im
wesentlichen horizontal verlaufende Strömung ausbildet.
In bevorzugter Weise ist so gewährleistet, daß einzuspeicherndes
und in den Schichtenspeicher einströmendes Warmwasser nicht
strahlförmig in das Hauptvolumen des Schichtenspeichers
einströmt und zu einer Durchmischung der Schichten und
einer damit einhergehenden Störung der Temperaturschichtung
des in dem Schichtenspeicher bereits enthaltenen Wassers führt.
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Durch
die als Prallplatte wirkende Verteilplatte wird das einströmende
Warmwasser oberhalb des Niveaus der Verteilplatte so umgelenkt,
daß es im wesentlichen horziontal strömt und oberhalb
der Verteilplatte eine im wesentlichen ringförmige Strömung ausbildet,
die sich nur allmählich in Richtung Kaltwasser ausbreitet
und letzteres quasi nach unten wegsiebt, ohne jedoch eine Vermischung
mit dem Kaltwasser zu bewirken.
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Dabei
ist es vorteilhaft, wenn das erfindungsgemäße
Leit- und Verteilsystem eine relativ große Dimensionierung
der Verteilplatte vorsieht, um eine optimierte Strömungsführung
zu gewährleisten.
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Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung ist ein einer Wandung des
Schichtenspeichers zugewandtes Ende der Verteilplatte in Richtung
einer Zustromseite so abgewinkelt, daß sich dort eine in Richtung
der Zustromseite wirkende Strömung ausbildet.
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Auf
diese Weise ist gewährleistet, daß an der Verteilplatte
eine gleichmäßige homogene Strömung in
im wesentlichen horizontaler Ebene mit einem geringen Anteil nach
oben entsteht. Somit werden in den Schichtenspeicher einlaufende
Strömungen durch die erfindungsgemäße
Wasserleit- und -verteileinrichtung in vorteilhafter Weise so umgelenkt,
daß diese auf den obersten Volumenbereich des Schichtenspeichers
eingegrenzt sind. Temperaturschwankungen, auch zu Beginn des Ladevorgangs,
werden somit ausgeglichen, da eine Durchmischung des Schichtenspeicherinhalts
von vorneherein ausgeschlossen ist.
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Erfindungsgemäß findet
eine Warmwasserzapfung im Deckelbereich des Schichtenspeichers statt.
Dadurch, daß einströmendes Warmwasser strömungstechnisch
so umgelenkt wird, daß es zunächst nur im obersten
Volumenbereich des Schichtenspeichers vorhanden ist, ist eine Warmwasserzapfung
auch bei einem völlig entladenen Speicher praktisch unmittelbar
möglich, da eine Abkühlung des einströmenden
Warmwassers mit einem schichtenmäßig darunter
befindlichen Kaltwasser nicht stattfindet.
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Erfindungsgemäß ist
die dem Kaltwasserabzug zugeordnete Wärmequelle ein Wärmetauscher, der
Teil eines gesonderten Heizungsmoduls ist. Die Verwendung eines
gesonderten Heizungsmodul ist deshalb besonders vorteilhaft, da
auf diese Weise eine aufwendige Integration einer Wärmequelle
in den Warmwasserspeicher nicht notwendig ist. Der Warmwasserspeicher
läßt sich im Gegenteil universell an nahezu jede
mögliche Wärmequelle anschließen. Hierbei
sei an übliche Heizungsmodule, jedoch auch an Fernwärmemodule,
an Sonnenkollektoren mit zugeordneten Heizungsmodulen oder an separate
Gas- oder Ölbrenner gedacht. Prinzipiell ist der Einsatz
eines jeden mit einem Wärmetauscher versehbaren wärmeerzeugenden
Moduls möglich.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Warmwasserspeicher
ein Teil eines gesonderten Schichtenspeichermoduls, der mit einem
Heizungsmodul kombinierbar ist, wobei die energetische Verbindung
der beiden Module lediglich über die in den oberen Bereich
des Schichtenspeichers mündende Warmwasserleitung einerseits
und den aus dem unteren Bereich des Schichtenspeichers wegführenden
Kaltwasserabzug andererseits erfolgt. Durch eine solche Minimierung
der Anschlüsse ist eine besonders einfache Verbindung bzw. leichte
Montage an dem Aufstellungsort möglich. Darüber
hinaus läßt sich der erfindungsgemäße Schichtenspeicher
besonders einfach an, insbesondere schon bestehenden, Heizungsmodulen
anbringen. Im aufwendigsten Falle ist lediglich die Nachrüstung
eines entsprechenden Wärmetauschers im Primärkreislauf
des Heizungsmoduls notwendig, wobei ein solcher, beispielsweise
bei Solarkollektorsystemen, im allgemeinen bereits vorhanden ist.
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Im
allgemeinen ist in vorteilhafter Weise lediglich die Anbringung
von zwei Rohr- bzw., insbesonder temperaturresistenten, Schlauchverbindungen
notwendig, um das Heizungsmodul mit dem Schichtenspeichermodul zu
verbinden. Eine im Verlauf des Kaltwasserabzugs angeordnete Umwälzpumpe
kann alternativ sowohl in dem Schichtenspeichermodul als auch in
dem Heizungsmodul vorgesehen sein.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die beiden
Module jeweils innerhalb gesonderter Gehäuse angeordnet.
Auf diese Weise kann eine räumliche Entkopplung des Heizungsmoduls
von dem Schichtenspeichermodul stattfinden, wobei diese lediglich über
einen Kaltwasserabzug und eine Warmwasserzuleitung von bzw. zu dem
Schichtenspeichermodul verbunden sind. Eine effektive Platzausnutzung,
beispielsweise im Keller eines Hauses, ist auf diese Weise möglich. Darüber
hinaus sind die jeweils innerhalb gesonderter Gehäuse angeordneten
Module jeweils für sich genommen relativ handlich und deshalb
einfach zu transportieren und aufzustellen.
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Alternativ
zu dieser Ausführungsform sind die beiden Module innerhalb
eines gemeinsamen Gehäuses, vorzugsweise übereinander,
angeordnet. Die Verwendung eines gemeinsamen Gehäuses erfordert
einen geringeren Materialaufwand und bietet optimierte Anschlußmöglichkeiten
der beiden Module aneinander.
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Die
Kombination eines Heizungsmoduls mit einem integrierten Schichtenspeicher
ist insbesondere für Ein- oder Zweifamilienhäuser
eine besonders effektive Lösung mit einem geringen Platzbedarf.
Bei Geräten üblicher Größe kann
die Stellfläche auf bis zu etwa 50 cm × 50 cm
bei einer Bauhöhe von etwa 140 cm bis 150 cm reduziert
werden. Mit einer solchen Höhe kann die komplette Baueinheit
aus beiden Modulen beispielsweise auch unter Dachschrägen problemlos
untergebracht werden.
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Erfindungsgemäß ist
für einen sogenannten „kleine Schichtenspeicher"
vorzugsweise ein in einem Heizungsmodul eingebauter Plattenwärmetauscher
vorgesehen, mittels dem das Warmwasser erzeugt wird. Ein solcher „kleiner
Schichtenspeicher" weist eine in dem Heizungsmodul angeordnete,
vorzugsweise korrosionsbeständige und mehrstufige Umwälzpumpe
auf, mittels derer der „Schichtenspeicher-Wasserkreislauf"
betrieben wird. Die Umwälzpumpe kann als Trinkwasserpumpe
ausgeführt sein.
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Wie
bereits vorerwähnt, findet eine Warmwasserzapfung vorzugsweise
im Deckelbereich des Schichtenspeichermoduls statt. Um quasi einen Kurzschluß zwischen
Warmwassereinlaß und Brauchwasserauslaß, der ebenfalls
im Deckelbereich des Schichtenspeichermoduls stattfindet, zu vermeidet,
weist die obere Wasserleit- und -verteileinrichtung gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung zwischen dem Warmwassereinlaß und
dem Brauchwasseraulaß einen sich vertikal erstreckenden
Plattenschenkel auf, der eine direkte Strömungsverbindung
zwischen dem Warmwassereinlaß und dem Brauchwasserauslaß verhindert.
Die Warmwasserentnahme ist dadurch vor direkter Zuströmung
abgeschirmt, womit ebenfalls Temperaturschwankungen zu Beginn des
Ladevorgangs am Brauchwasserauslaß unterbunden werden.
Auch dadurch wird bei gleichzeitiger Warmwasserzapfung eine gleichmäßige
Zapftemperatur sichergestellt.
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Von
Vorteil ist es, wenn die obere Wasserleit- und -verteileinrichtung
durch eine L-förmige Platte gebildet wird, die so angeordnet
ist, daß die offene Seite dem Brauchwasserauslaß abgewandt
ist. Dadurch ist lediglich ein einziges integriertes Bauteil notwendig,
welches die genannten Vorteile in sich vereinigt und konstruktiv
einfach aufgebaut sowie leicht zu fertigen und zu montieren ist.
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Bevorzugt
mündet der Warmwassereinlaß in einem geringen
Abstand, vorzugsweise im Bereich von 2 mm bis 80 mm, bevorzugt im
Bereich von 5 mm bis 50 mm und besonders bevorzugt im Bereich zwischen
10 mm und 30 mm vor der Verteilplatte. Dadurch wird die Wirkung
der oberen Wasserleit- und -verteileinrichtung erhöht und
eine Aus weitung des Strömungseinflusses auf die Temperaturschichtung unterhalb
des Niveaus der Verteilplatte ausgeschlossen.
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Von
Vorteil ist es, wenn der Kaltwasserabzug ein Tauchrohr umfaßt,
an das der Kaltwasserzulauf anschließbar ist. Grundsätzlich
ist ein Kaltwasserabzug auch am unteren Teil des Schichtenspeichers, beispielsweise
nach unten, möglich, wodurch allerdings eine leichte Montage
eines Heizungsmoduls über einem Schichtenspeichermodul
erschwert ist. Durch die Ausbildung des Kaltwasserabzugs mit einem
Tauchrohr durch den Deckelbereich des Schichtenspeichers, an dem
auch eine Warmwasserleitung und eine Brauchwasserentnahmeleitung
angeordnet sind, liegen alle wesentlichen Anschlüsse für
den Betrieb des Schichtenspeichers an einer Energiequelle konstruktiv
so nahe beieinander, daß eine leichte Kopplung eines Heizungsmoduls
mit einem Schichtenspeichermodul unter Inanspruchnahme der vorstehend
genannten Vorteile möglich ist.
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Von
Vorteil ist weiterhin, wenn die untere Wasserleit- und -verteileinrichtung
eine Verteilplatte aufweist, die sich in dem unteren Bereich des
Schichtenspeichers in im wesentlichen horizontaler Richtung erstreckt
und mit einer Öffnung versehen ist, durch welche sich der
Kaltwasserabzug hindurch erstreckt. Das kalte Leitungswasser wird über
den Kaltwasserabzug, der bevorzugt ein Tauchrohr umfaßt, von
oben zum Bodenbereich des Schichtenspeichers geführt und
strömt dabei unterhalb der Verteilplatte in einen Kaltwasserbereich.
Dies bewirkt eine räumliche Begrenzung der Strömung
nach oben, da die Mündung des Tauchrohrs unterhalb des
Verteilplattenniveaus liegt, wobei sich unterhalb der Verteilplatte
eine Horizontalströmung ausbildet.
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Bevorzugt
weist die untere Wasserleit- und -verteileinrichtung eine in einem
Abstand zu der Mündung des Schichtenspeichers angeordnete
vertikale Leitplatte auf. Durch die vertikale Leitplatte bilden sich
zwei Teilströmungen, die im Bereich des Behälterbodens
verlaufen. Eine Strömung nach oben und damit eine Zerstörung
der Schichtung auch bei einer hohen Zapfmenge wird durch die im
wesentlichen horizontal verlaufende Verteilplatte wirkungsvoll verhindert.
Der Warmbereich bleibt damit ungestört und gewährleistet
eine gleichmäßige Abzapftemperatur.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die untere Wasserleit- und -verteileinrichtung
durch eine, insbesondere L-förmige, Platte gebildet wird,
deren freie Schenkel so an der Wandung des Schichtenspeichers anliegen,
daß zumindest eine seitwärtige Öffnung
entsteht, durch die eine Fluidverbindung eines Kaltwasserbereichs
mit einem Hauptvolumen des Schichtenspeichers ermöglicht
ist. Damit ist lediglich ein integriertes Bauteil notwendig, um
die vorstehend genannten Vorteile zu erhalten, wie sie auch bei
einer derart geformten Platte der oberen Wasserleit- und -verteileinrichtung
ersichtlich sind.
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Von
Vorteil ist es, wenn der erfindungsgemäße Warmwasserspeicher
einen Temperaturfühler aufweist, der etwa auf Höhe
des Einlaufs des Kaltwasserabzugs angeordnet ist und dessen gemessene
Speichertemperatur bei Überschreiten einer Differenz zu
einer vorgegebenen Speicherladetemperatur das Einspeichern von Warmwasser
in den Schichtenspeicher auslöst. Damit ist eine schnelle
Reaktion bei Speicherladung durch die Positionierung des Temperaturfühlers
im Bodenbereich des Schichtenspeichers und dort auf der angegebenen
Höhe gewährleistet, da eine Temperaturabweichung
von der gewünschten Warmwassertemperatur als erstes im
unteren, also Kaltwasser-Bereich, des Schichtenspeichers auftritt.
Versuche haben gezeigt, daß mit der Erfindung eine hohe
Leistungskennzahl von 2,1 und mehr erzielbar ist, was ein Indiz
für einen effizienten und komfortablen Speicherbetrieb
ist. Die Speicherladetemperatur wird üblicherweise an der
Warmwasserleitung, d. h. am Warmwasserausgang des Wärmetauschers
im sekundären Kreislauf abgenommen.
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Bevorzugt
liegt die Differenz zwischen der gemessenen Speichertemperatur und
der vorgegebenen Speicherladetemperatur in einem Bereich zwischen
1 K und 50 K, vorzugsweise zwischen 3 K und 10 K. Dadurch wird eine
relativ rasche Reaktion auf einen Temperaturabfall der Speicherschicht
im Bodenbereich des Schichtenspeichers sichergestellt, welche einen
entsprechenden Ladevorgang erfordert.
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Bevorzugt
liegt ein Volumenstrom einzuspeichernden Warmwassers zwischen 1
l/min und 50 l/min, vorzugsweise 2 l/min und 25 l/min und besonders
bevorzugt 3 l/min und 8 l/min, womit hohe bis durchschnittliche
Zapfvolumina abgedeckt sind, die sich gemäß dem
Stand der Technik als problematisch und nicht effektiv realisierbar
erwiesen haben.
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Von
Vorteil ist es, wenn in der Warmwasserleitung ein Rückschlagventil
angeordnet ist, das ein Ausströmen eingespeicherten Warmwassers
aus dem Schichtenspeicher, insbesondere außerhalb des Ladebetriebs,
verhindert. Dadurch wird das Warmwasser im oberen Bereich des Schichtenspeichers
nicht durch nachströmendes Kaltwasser aus dem Schichtenspeicher
verdrängt und damit die Funktion des Speichers beeinträchtigt.
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Ein
weiterer Vorteil entsteht dadurch, wenn zum Unterbinden sowie zum
Detektieren von Korrosion eine in den Schichtenspeicher hineinragende Magnesiumschutzanode
vorgesehen ist. Dadurch werden die üblicherweise in Edelstahl
ausgeführten Bauteile eines Warmwasserschichtenspeichers
nicht von Rost angegriffen und das Brauchwasser (Trinkwasser) in
seiner Qualität nicht beeinträchtigt. Je nach
dem Grad der Korrosion der Magnesium-Schutzanode läßt
sich auf einfache Weise feststellen, ob in dem Schichtenspeicher
eine Korrosion stattfindet.
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Weitere
Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der
Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird im folgenden anhand eines
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Gasbrennwertzentrale, mit einem erfindungsgemäßen
Schichtenspeicher in einem Schichtenspeichermodul, welcher mit einem
Heizungsmodul kombiniert ist; und
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2 das
abgetrennte Schichtenspeichermodul der 1.
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Die 1 zeigt
eine Gasbrennwertzentrale, bestehend aus einem Schichtenspeichermodul 22 mit
integriertem Schichtenspeicher 18, welcher mit einem Heizungsmodul 21 kombiniert
ist. Das Heizungsmodul 21 zeigt einen Primärheizkreislauf
mit einem gasbetriebener Heizwasserwärmetauscher 10,
dem über eine Heizkreispumpe 8 Wasser aus dem
Heizungsrücklauf zugeführt wird. Das dann im Heizwasserwärmetauscher 10 erhitzte
Wasser verläßt diesen wieder über ein
Dreiwegeumschaltventil 11 in den Heizungsvorlauf. Zur Sicherung
des Heizungsvorlaufs ist ein Überströmventil 14 zwischen diesem
und dem Heizungsrücklauf vorgesehen. Zur energetischen
Versorgung des Schichtenspeichermoduls 22 und des darin
integrierten Schichtenspeichers 18 ist auf Seiten des Heizungsmoduls 21 ein parallel
durchströmter Plattenwärmetauscher 9 vorgesehen.
Dieser ist mit seinem Heißwasserzulauf über das
Dreiwegeumschaltventil 11 an den Heizungsvorlauf und mit
seinem Kaltwasserablauf an den Heizungsrücklauf angeschlossen
und so in den Primärheizkreislauf integriert.
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Ein
Sekundärheizkreis des Schichtenspeichermoduls 22 besteht
aus einer Kaltwasserleitung 15, über die dem Plattenwärmetauscher 9 über
eine im Heizungsmodul 21 angeordnete Umwälzpumpe 7 aufzuwärmendes
Kaltwasser zugeführt wird. Weiterhin umfaßt der
Sekundärheizkreis eine von dem Plattenwärmetauscher 9 abgehende
Warmwasserleitung 17, in welcher ein Rückschlagventil 13 angeordnet ist,
und über die Warmwasser dem oberen Bereich des Schichtenspeichers 18 zugeführt
wird. Schließlich wird der sekundäre Heizkreislauf
durch eine vom oberen Bereich des Schichtenspeichers 18 abgehende
Brauchwasserentnahmeleitung 16 vervollständigt. Weiterhin
ist ein mit dem Kaltwasserzulauf 15 verbundener Kaltwasserabzug 4 vorgesehen,
dessen Einlauf im unteren Bereich des Schichtenspeichers 18 liegt.
Eine Magnesium-Schutzanode 6 beugt Korrosion der üblicherweise
aus Metall gefertigten Teile des Schichtenspeichermoduls 22 vor.
Die Speichertemperatur Tsp im unteren Bereich des Schichtenspeichers 18 wird über
einen dort angeordneten Temperaturfühler 12 gemessen.
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Zum
Verhindern einer Vermischung von Kalt- und Warmwasser im oberen
und im unteren Bereich des Schichtenspeichers 18 sind jeweils
L-förmig ausgebildete obere bzw. untere Wasserleit- und
-verteil-einrichtungen 19, 20 vorgesehen. Ein
Brauchwasserauslaß der Brauchwasserentnahmeleitung 16 ist
im oberen Bereich des Schichtenspeichers 18 durch die obere
Wasserleit- und -verteileinrichtung von einem Warmwassereinlaß 1 der
Warmwasserleitung 17 abgeschirmt. Die untere Wasserleit-
und -verteileinrichtung 20 liegt mit ihren Schenkeln an Seiten-
und Bodenwandungen 25 des Schichtenspeichers 18 an,
wobei der Einlauf 3 des Kaltwasserabzugs 4 (und
der Temperaturfühler 12) in dem durch die untere
Wasserleit- und -verteileinrichtung 20 und die Wandung 25 begrenzenden
Raum liegt.
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Die
gezeigte Gasbrennwertzentrale mit Heizungsmodul 21 und
Schichtenspeichermodul 22 kann in verschiedenen möglichen
Betriebsarten gefahren werden. Im Speicherladebetrieb sind dabei drei
Betriebsarten möglich:
- 1. In dem Fall,
in dem keine Warmwasserzapfung vorgenommen wird und eine Temperaturanforderung
durch den Temperaturfühler 12 vorliegt (Temperaturdifferenz
zur Speicherladetemperatur 3 K bis 10 K) läuft die Umwälzpumpe 7 an
und der Heizwasserwärmetauscher 10 geht in Betrieb oder
schaltet aus dem Heizbetrieb um. Aus dem unteren Bereich des Schichtenspeichers 18 wird über
den Kaltwasserabzug 4 Wasser angesaugt, in dem Plattenwärmetauscher 9 erwärmt
und über die Warmwasserleitung 17 in den Schichtenspeicher 18 eingeschichtet,
bis die am Temperaturfühler 12 eingestellte Speicherladetemperatur
erreicht ist.
- 2. In dem Fall, in dem über die Warmwasserentnahmeleitung 16 gezapft
wird und eine Temperaturanforderung durch den Temperaturfühler 12 vorliegt,
gehen die Umwälzpumpe 7 und der Heizwasserwärmetauscher 10 in
Betrieb. Liegt dabei die Zapfmenge unter dem geforderten Volumenstrom
der Umwälzpumpe 7, wird kein Wasser über
den Kaltwasserabzug 4 entnommen. Es wird nur Kaltwasser
aus dem Kaltwasserleitungsnetz erwärmt. Der Schichtenspeicher 18 wird
aufgeheizt, bis die eingestellte Speicherladetemperatur am Temperaturfühler 12 erreicht
ist.
- 3. In dem Fall, in dem über den Warmwasserablauf gezapft
wird und eine Temperaturanforderung durch den Temperaturfühler 12 vorliegt,
gehen die Umwälzpumpe 7 und der Heizwasserwärmetauscher 10 in
Betrieb. Liegt dabei die Zapfmenge über dem geforderten
Volumenstrom der Umwälzpumpe 7, fließt
auch Leitungswasser über den Kaltwasserabzug 4 nach
unten in den Schichtenspeicher 18. Das Kaltwasservolumen
im Schichtenspeicher 18 nimmt in diesem Fall von unten nach
oben zu, wobei dieser trotz Nachladung mehr oder weniger schnell
entladen wird.
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2 zeigt
das Schichtenspeichermodul 22 mit integriertem Schichtenspeicher 18 der 1.
Neben den schon beschriebenen Komponenten sind insbesondere die
obere und untere Wasserleit- und -verteileinrichtung 19, 20 zu
erkennen. Die obere Wasserleit- und -verteileinrichtung 19 besteht
aus einer L-förmigen Platte mit einem vertikalen Plattenschenkel 24 und
einer horizontalen Verteilplatte 23, deren offenes Ende
nach oben abgewinkelt ist. Das über die Warmwasserleitung 17 und
das Rückschlagventil 13 einzuspeichernde Warmwasser
trifft nahezu senkrecht auf die Verteilplatte 23 auf und
wird in horizontaler Richtung abgelenkt. Der vertikale Plattenschenkel 24 verhindert
dabei, daß der Brauchwasserauslaß 2 direkt
angeströmt wird, wodurch Temperaturschwankungen beim Zapfen
von Warmwasser über die Warmwasserentnahmeleitung 16 ausgeschlossen
sind. Das abgewinkelte Ende der Verteilplatte 23 bewirkt
im Zusammenspiel mit dieser und dem vertikalen Plattenschenkel 24,
daß sich zwei im wesentlichen horizontal ringförmig
verlaufende Teilströmungen oberhalb des Niveaus der Verteilplatte 23 im
Schichtenspeicher 18 ausbilden. Eine Beeinflussung des
Temperaturprofils unterhalb der Verteilplatte 23 ist nahezu
ausgeschlossen. Eine entsprechend nahe Positionierung des Warmwassereinlasses
an der Verteilplatte 23 bewirkt eine besonders effiziente
Ausbildung dieser Strömungen.
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Die
untere Wasserleit- und -verteileinrichtung 20 ist ebenfalls
L-förmig ausgebildet und liegt mit ihren Schenkeln an der
Seiten- und Bodenwandung 25 des Schichtenspeichers 18 an.
Die Wasserleit- und -verteileinrichtung 20 besteht dabei
aus einer horizontalen Verteilplatte 26 und einer dazu
vertikal verlaufenden Leitplatte 27. Der Kaltwasserabzug 4 erstreckt
sich durch die Verteilplatte 26 von oben kommend hindurch,
so daß die Mündung 3 des Kaltwasserabzugs 4 in
dem durch die untere Wasserleit- und -verteileinrichtung 20 und
der Wandung 25 gebildeten Raum zu liegen kommt. Durch die
so getroffene Anordnung wird das über den Kaltwasserabzug 4 eingeleitete
Kaltwasser in zwei horizontale und ringförmig verlaufende
Teilströmungen aufgeteilt. Die Verteilplatte 26 verhindert
durch ihre entsprechend große Dimensionierung eine Störung
des darüber liegenden Temperaturprofils im Schichtenspeicher 18, genauso,
wie dies die Verteilplatte 23 der oberen Wasserleit- und
-verteileinrichtung 19 hinsichtlich des darunter liegenden
Bereiches bewirkt. Beide Wasserleit- und -verteileinrichtungen 19, 20 können
in Kombination oder auch einzeln eingesetzt werden, wobei keine
nennenswerte Vermischung von Kalt- und Warmwasser in dem entsprechenden
Bereich stattfindet und somit ein hoher Warmwasserkomfort mit geringem
konstruktivem Aufwand erreicht ist.
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An
dieser Stelle sei darauf hingwiesen, daß alle oben beschriebenen
Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination,
insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details als erfindungswesentlich
beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann
geläufig.
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- 1
- Warmwassereinlass
- 2
- Brauchwasserauslass
- 3
- Einlauf
des Kaltwasserabzugs
- 4
- Kaltwasserabzug
- 5
- Kaltwasserbereich
- 6
- Magnesium-Schutzanode
- 7
- Umwälzpumpe
- 8
- Heizkreispumpe
- 9
- Plattenwärmetauscher
- 10
- Heizwasserwärmetauscher
- 11
- 3-Wege-Umschaltventil
- 12
- Temperaturfühler
- 13
- Rückschlagventil
- 14
- Überstromventil
- 15
- Kaltwasserzulauf
- 16
- Brauchwasserentnahmeleitung
- 17
- Warmwasserleitung
- 18
- Schichtenspeicher
- 19
- Obere
Wasserleit- und verteileinrichtung
- 20
- Untere
Wasserleit- und verteileinrichtung
- 21
- Heizungsmodul
- 22
- Schichtenspeichermodul
- 23
- Verteilplatte
- 24
- vertikaler
Plattenschenkel
- 25
- Wandung
- 26
- Verteilplatte
- 27
- Leitplatte
- 28
- Hauptvolumen
des Schichtenspeichers
- Tvl
- Vorlauftemperatur
- Trl
- Rücklauftemperatur
- Tsp
- Speichertemperatur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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