DE2911880A1 - Waermespeicher - Google Patents

Waermespeicher

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DE2911880A1
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Klaus-Peter Ing Grad Gulsch
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Description

Streuber & Lohmann GmbH & Co. KG
Waltgeritstr. 29-37
-4900 Herford
"Wärmespeicher"
Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmespeicher, bestehend aus einem ein Speichermedium aufnehmenden Behälter, mit einem Zulauf und einem Rücklauf für darin zu erwärmendes, unter dem Druck eines Wasserleitungsnetzes stehendes Brauchwasser und mit zumindest einem Einspeise-Wärmetauscher, der über Zu- und Ableitungen für ein Wärmetragermedium mit einer Wärmequelle oder einem Wärmesammler verbindbar ist.
Wärmespeicher dieser Art werden vornehmlich in Verbindung
mit Sonnenkollektoren, Wärmepumpen und gegebenenfalls Zusatzheizungen zur Warmwasserversorgung eingesetzt. Es handelt sich dabei um Warmwasserboiler, die somit unter dem Druck des Wasserleitungsnetzes stehen, wobei das Brauchwasser selbst das Speichermedium ist. Folglich sind die Speicherbehälter als Druckbehälter
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ausgebildet und unterliegen besonderen Sicherheitsbestimmungen.
überwiegend werden deshalb solche Druckbehälter als zylindrische Stahlbehälter ausgebildet, die mit dicken Metallwandungen ausgestattet sind. Das macht diese Speicherbehälter außerordentlich schwer, weswegen insbesondere ihre Handhabung bei der Installation umständlich ist. Außerdem strebt man in solchen Speicherbehältern eine vertikale Temperaturschichtung an, die infolge der dicken Metallwandung, welche eine gute Wärmeleitung hat, nur schlecht und kurzzeitig erzielbar ist. Schließlich haben Stahlbehälter noch den Nachteil, daß ein zuverlässiger, hygienisch und physiologisch unbedenklicher Korrosionsschutz erforderlich ist, da das Brauchwasser auch stets Trinkwasser sein kann.
Um einigen dieser Nachteile abzuhelfen, hat man auch schon zur Herstellung derartiger Speicherbehälter Wickelrohre aus Kunststoff verwendet. Um aus Festigkeitsgründen diese Rohre nicht extrem dick wickeln zu müssen, ist man gezwungen, derartige Wickelrohrbehälter mit einer Glasfaserarmierung zu versehen. Trotzdem sind den Behältergrößen Grenzen gesetzt, weil selbst bei auftretenden Brauchwasserdrücken in der Größenordnung von 2 bis 3 bar die Dicke der Kunststoff-Behälterwandung gegenüber vergleichbaren Stahlwandungen ein Mehrfaches beträgt.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Wärmespeicher, unabhängig davon, ob sie einen Stahlbehälter oder einen Kunststoffbehälter besitzen, liegt darin, daß Undichtigkeiten dieGefahr der Verunreinigung des Trinkwassers mit sich bringen. So kann beispielsweise das Wärmeträgermedium aus einem Sonnenkollektorkreislauf bei schadhaftem Einspeise-Wärmetauscher unmittelbar in das Brauchwasser übertreten. Diese Wärmeträgerflüssigkeiten können brennbar oder toxisch sein, sie sind deshalb auch schon in kleinen Mengen im Trinkwasser zumindest unverträglich.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem
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Wärmespeicher der eingangs genannten Art einfachere Behälter mit großen Volumina einsetzen zu können, die trotzdem ein geringes Gewicht haben und vor allem aus Kunststoff hergestellt werden können.
Diese Aufgabe wird bei einem Wärmespeicher der gattungsgemäßen Art dadurch gelöst, daß das Speichermedium im Behälter ohne äußeren Überdruck steht und vom Brauchwasser getrennt ist, indem im Behälter ein Entnahme-Wärmetauscher angeordnet ist, mit dem der Brauchwasserzulauf und -rücklauf verbunden sind.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Wärmespeichers liegt darin, daß der Speicherbehälter nicht als Druckbehälter ausgebildet ist. Man kann daher diesen Behälter beispielsweise aus dünnem Stahlblech herstellen, das zum Auffangen des statischen Druckes des Speichermediums durch einfache Rippen oder Sicken versteift sein kann. Bevorzugt kann man einen solchen drucklosen Behälter aus temperaturbeständigem Kunststoff fertigen, weswegen hierfür die bereits in Gestalt von Heizöltanks bekannten Kunststoffbehälter verwendet werden können, die im Extrusionsblasverfahren beispielsweise aus Polypropylen oder aus Polyäthylen hergestellt werden. Verwendet man vorzugsweise noch solche Kunststoffbehälter, die bis zur Behältermitte reichende und dort verbundene Einstülpungen besitzen, läßt sich leicht ein Fassungsvermögen für den Speicherbehälter in der Größenordnung von 1.000 Liter und mehr realisieren. Je größer das Volumen des Speicherbehälters ist, umso niedriger kann seine mittlere Durchschnittstemperatur gehalten werden, was den Wirkungsgrad beispielsweise einer Sonnenkollektoranlage verbessert.
Bei einem Fassungsvermögen von etwa 1.000 Liter hat ein solcher Kunststoffbehälter ein Gewicht von unter 50 Kilogramm, demgegenüber ist ein vergleichbarer Stahl-Druckbehälter zehnmal so schwer. Entsprechend einfach läßt sich ein derart leichter Speicherbehälter transportieren und am Aufstellungsort installieren. Gegenüber den schon bekannten Kunststoff-Druckbehältern ergibt sich der Vorteil des sehr viel geringeren Materialaufwandes bei einem vergleichbaren Fassungsvermögen, wobei die im Verhältnis
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zum Kunststoff-Druckbehälter bei dem erfindungsgemäßen Speicherbehälter dünne Behälterwandung eine weiter verringerte Wärmeleitfähigkeit hat, womit eine gute und zeitlich stabile Temperaturschichtung im Wärmespeicher noch gefördert wird.
Auch gestaltet sich der bei Kunststoffbehältern ohnehin entbehrliche Korrosionsschutz bei dünnwandigen Stahlbehältern einfacher, da sie aus bereits korrosionsgeschützten Blechen zusammengesetzt werden können. Nicht allein dadurch wird ein hygienischer und physiologischer Schutz des Brauchwassers, das insbesondere auch Trinkwasser sein kann, erreicht. Vielmehr trägt dazu auch der Entnahme-Wärmetauscher bei, der das meist aus Wasser bestehende Speichermedium vom Brauchwasser trennt. Somit ist selbst bei einem Übertritt des Wärmeträgermediums, beispielsweise aus dem Sonnenkollektorkreislauf in das Speichermedium, eine zusätzliche Sicherheit gegen eine Verunreinigung des als Trinkwasser verwendbaren Brauchwassers gegeben. Dabei ist noch als weiterer Vorteil zu werten, daß das gegenüber dem Speichermedium unter Überdruck stehende Brauchwasser im Falle eines Lecks zwar in das Speichermedium übertreten kann, umgekehrt aber ein Eindringen des Speichermediums in das Brauchwasser unterbunden ist.
Als besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Wärmespeichers ist auch noch zu erwähnen, daß das entnommene Warmwasser stets Frischwasser ist. Es handelt sich dabei also nicht um bereits längere Zeit im Speicher auf Vorrat erwärmtes, abgestandenes Wasser, das erfahrungsgemäß schal schmeckt.
Die weiteren Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachstehenden Beschreibung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert. Die Zeichnung zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmespeicher im Vertikalschnitt.
Man erkennt in der Zeichnung einen Speicherbehälter 1, der vorzugsweise aus dünnwandigem Kunststoff besteht. Er hat eine quaderförmige Gestalt und besitzt an einander gegenüberliegenden Sei-
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ten jeweils eine Einstülpung 2, die bis zur Behältermitte reicht,
diese Einstülpungen 2 sind beispielsweise an einer mittigen Berührungsstelle 3 fest miteinander verbunden, beispielsweise miteinander verschweißt. Dadurch wird der Behälter 1 selbsttragend. Die verbundenen Einstülpungen 2 verhindern eine Ausbuchtung des Behälters an den größeren Seitenflächen, womit man einen derartigen Kunststoffbehälter ein Fassungsvermögen von 1.000 Litern und mehr geben kann. Entscheidend hierfür ist vor allem, daß der Behälter 1 drucklos ist, weswegen seine Behälterwandung lediglich dem statischen Druck des flüssigen Speichermediums, bei dem es sich vorzugsweise um Wasser handelt, standhalten muß. Deshalb kann der Behälter 1 grundsätzlich auch beispielsweise aus dünnem Stahlblech hergestellt werden.
Die Verwendung von Kunststoff für den Behälter 1 hat jedoch noch Vorteile bezüglich einer gewünschten vertikalen Temperaturschichtung des Wärmespeichermediums im Behälter 1. Alle bekannten Kunststoffe haben eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit, weswegen vor allem bei dünnwandiger Ausbildung des Behälters 1 ein Wärmekurzschluß über die Behälterwandung zwischen den einzelnen Temperaturschichten unterbunden ist.
Die Verwendung von Kunststoff für den Behälter 1 ist auch im Hinblick auf die Wärmedehnung von Vorteil. Der Behälter 1 kann nämlich mit Wasser als Speichermedium völlig aufgefüllt werden, ohne daß zusätzliche Ausgleichsgefäße erforderlich wären. Bei einer Temperaturerhöhung des Speichermediums durch Wärmezufuhr dehnen sich sowohl der Behälter als auch das Wasser aus. Da die mittlere lineare Wärmedehnzahl für Wasser kleiner ist als die für den Kunststoff des Behälters 1, kann im Behälter 1 durch Wärmedehnung kein Überdruck entstehen, auch wenn er keine Dehnfugen oder ähnliche elastische Elemente besitzt. Aus diesen Gründen kann der Kunststoffbehälter 1 ohne weiteres glattwandig sein.
Zum Einfüllen des Speichermediums und für das Anbringen der notwendigen Armarturen besitzt der Behälter 1 an seiner Oberseite Stutzen 4, die mittels Deckel 5 verschließbar sind. Grundsätzlich können solche Anschlußstutzen auch an anderen Stellen des Behälters 1 vorgesehen werden.
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Zur Einleitung der Wärme von einer Wärmequelle in das Speichermedium dient ein Einspeise-Wärmetauscher 6. Dieser Wärmetauscher 6 ist nahe dem Boden des Behälters 1 angeordnet und besitzt eine langgestreckte Gestalt. Beim Ausführungsbeispiel ist der Einspeise-Wärmetauscher 6 wendelförmig ausgebildet, wobei er mit seiner Längsachse in horizontaler Richtung liegt. Die horizontale Ausrichtung ist für die erwünschte Wärmeschichtung im Speichermedium wichtig, damit nicht über den Wärmetauscher selbst ein Wärmekur z'schluß erfolgt.
Der Wärmetauscher 6 ist mit einer Zuleitung 8 und einer Ableitung 7 verbunden, die nach oben durch einen der Stutzen und den betreffenden Deckel 5 hindurch aus dem Behälter 1 ausgeführt sind. Bei der Zuleitung 8 und der Ableitung 7 für -den Einspeise-Wärmetauscher 6 kann es sich um den Vor- und Rücklauf eines Solar-Kollektor-Systems handeln. In gleicher Weise kann der Einspeise-Wärmetauscher 6 auch mit einer anderen Wärmequelle, wie einer Zusatzheizung, verbunden sein. Es ist auch möglich, im Behälter 1 mehrere Einspeise-Wärmetauscher vorzusehen, um neben der aufgefangenen Solarwärmej die über ein im entsprechenden Kollektorkreislauf zirkulierendes Wärmeträgermedium in den Wärmespeicher gefördert wird, statt dessen die Wärme einer Heizungsanlage oder einer Wärmepumpe in das Speichermedium einzuleiten.
Wegen seiner gesteigerten Wärmekapazität läßt sich ein erfindungsgemäßer Wärmespeicher beispielsweise auch zur Verbesserung des schlechten Wirkungsgrades der Warmwasserbereitung mit einer ölzentralheizung im Sommer einsetzen. Dabei wird die von der Heizungsanlage erzeugte Wärme über den Einspeise-Wärmetauscher 6 in den Speicher eingeführt und das benötigte Warmwasser nicht aus dem Heizungskessel sondern aus dem Wärmespeicher entnommen. Trotz der Verluste des Wärmespeichers erhält man einen erheblich verbesserten Gesamtwirkungsgrad, weil man die Betriebsintervalle der Heizung vergrößern kann, denn bekanntlich verschlechert das häufige Anspringen einer Heizung den Wirkungsgrad.
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In die Ableitung 7 oder entsprechend auch in die Zuleitung 8 kann eine Pumpe 9 für das Wärmeträgermedium eingebaut sein.
Um auch dann noch einen guten Wärmeübergang zwischen dem Wärmetauscher 6 und dem Speichermedium sicherzustellen, wenn die Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeträgermedium und dem Wärmemedium an der Untergrenze liegt, könnte man grundsätzlich den Wärmetauscher vergrößern, was jedoch teuer und eine materialintensive Lösung ist. Stattdessen wird bei dem erfindungsgemäßen Wärmespeicher der Wärmetauscher 6 mit dem Wärmespeichermedium umströmt, wobei jedoch eine Umwälzung des gesamten Wärmespeichermediums vermieden werden soll. Dies wäre nämlich der erwünschten vertikalen Temperaturschichtung im Wärmespeichermedium abträglich. Deshalb ist im Bereich des einen Endes des langgestreckten Wärmetauschers 6 eine Strahlvorrichtung 11 angeordnet und befindet sich am gegenüberliegenden Ende des Wärmetauschers 6 eine Absaugvorrichtung 12, die beide über eine Saugleitung 13 und eine Druckleitung 15 mit einer z. B.außerhalb des Behälters 1 liegenden Umströmungspumpe 14 verbunden sind. Es wird also beim Betrieb der Umströmungspumpe 14 das Wärmespeichermedium an dem einen Ende des Wärmetauschers abgesaugt und das andere Ende des Wärmetauschers damit wieder angeströmt. Vorteilhaft ist es, die Umströmungspumpe 14 nur dann in Betrieb zu setzen, wenn über die Zuleitung Wärme zum Wärmetauscher 6 hin gefördert wird. Es soll also die Pumpe 14 zur Umströmung des Wärmetauschers 6 nur dann eingeschaltet sein, wenn beispielsweise die Sonnenkollektoren auch tatsächlich Energie liefern. Hierfür wird meistens eine geeignete Regelung vorgesehen sein, wobei dann die Umströmungspumpe 14 beispielsweise zur Pumpe 9 für das Wärmeträgermedium parallel geschaltet sein kann.
Möglichst weit oben im Behälter 1 auf jeden Fall aber noch unterhalb des Spiegels des Speichermediums befindet sich zumindest ein weiterer Wärmetauscher 16, bei dem es sich um einen
Entnahme-Wärmetauscher handelt. Dieser Entnahme-Wärmetauscher 16 kann von gleicher oder anderer Bauart wie der
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Einspeise-Wärmetauscher 6 sein. Wie dieser besitzt er jedoch vorteilhaft eine längliche Gestalt und ist mit seiner Längsrichtung horizontal ausgerichtet, um die Temperaturschichtung im Behälter 1 nicht nachteilig zu beeinflußen. Um in gleicher Weise wie beim Einspeise-Wärmetauscher 6 den Wärmeübergang zwischen dem Speichermedium und dem Brauchwasser, das den Entnahme-Wärmetauscher 16 durchströmt, zu erhöhen, ist auch hier am einen Ende des Wärmetauschers 16 eine Strahlvorrichtung 11 sowie am anderen Ende eine Absaugvorrichtung 12 vorgesehen, die über eine Saugleitung 13 und eine weitere Druckleitung 15,mit einer zweiten Umströmungspumpe 14 verbunden sind.
Dem Entnahme-Wärmetauscher 16 wird über einen Zulauf 17 frisches Kaltwasser zugeführt, das sich im Entnahme-Wärmetauscher 16 erwärmt und über einen Brauchwasserrücklauf 18 zu den jeweiligen Zapfstellen gelangt. Das Brauchwasser steht dabei unter dem Druck beispielsweise eines öffentlichen Wasserleitungsnetzes, weswegen der Entnahme-Wärmetauscher 16 entsprechend druckfest ausgebildet sein muß. Wenn mehrere Wasserkreise versorgt werden sollen, können auch entsprechend mehrere Entnahme-Wärmetauscher 16 im Behälter 1 angeordnet sein. Es läßt sich über einen solchenEntnahme-Wärmetauseher auch der Wirkungsgrad einer Heizung mit relativ niedriger Einschaltdauer verbessern, um die Kesselvorlauftemperatur der Heizungsanlage anzuheben.
Für welchen Zweck auch immer das Warmwasser aus dem Entnahme-Wärmetauscher 16 benötigt wird, ist es auch hier ebenso wie schon im Zusammenhang mit dem Einspeise-Wärmetauscher 6 erläutert, von Vorteil, die dem Entnahme-Wärmetauscher 16 zugeordnete Umströmungspumpe 14 in Abhängigkeit von der Warmwasserentnahme zu steuern.
Wie schon weiter oben erwähnt, kann der Behälter 1 mit dem Wärmespeichermedium ganz aufgefüllt werden, und er bleibt unter bestimmten Bedingungen auch dann drucklos, wenn er dicht ver-
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schlossen ist. Es ist zweckmäßig, an der Oberseite des Behälters 1 beispielsweise an einem der Deckel 5 für die Stutzen 4 ein Entlüftungsventil 10 vorzusehen, weil nämlich das Speichermedium, insbesondere Wasser, nach dem Einfüllen in den Behälter 1 noch Luft in Lösung enthält, die erst bei der Erwärmung entweicht. Diese Luft muß aus dem Behälter 1 entweichen können, da sonst ein Gaspolster im Behälter 1 entsteht, welches zu einem Überdruck im Behälter 1 führen kann. Insoweit macht auch das Entlüftungsventil 10 ein separates Ausdehnungsgefäß entbehrlich.
Die mit Blindflanschen oder den Deckeln 5 verschlossenen Stutzen 4 können zur Anbringung weiterer Armaturen wie beispielsweise von Thermometern dienen. Entscheidend dabei ist ferner, daß die Weite der Stutzen 4 so bemessen ist, daß die in den Behälter 1 einzuführenden Fühler insbesondere aber auch die Wärmetauscher und 16 durch sie hindurchgeführt werden können. Es ist damit eine leichte Montage der Geräte möglich, die auch eine leichte Austauschbarkeit sicherstellt. Weiterhin können die Deckel 5 auf den Stutzen 4 kleine Öffnungen oder geplante Undichtigkeiten besitzen, um einen Druckausgleich des Behälterinnern mit der Umgebung zuzulassen.
Der gesamte Behälter 1 ist mit einem Isolationsmantel umkleidet, um einerseits die Wärmeverluste so gering wie möglich zu halten und andererseits eine unnötige Aufheizung der dem Wärmespeicher benachbarten Zonen oder Räume zu vermeiden. Als Isolationsmaterialien kommen beispielsweise Glas- oder Mineralwolle, wie auch aufgeschäumte Kunststoffe in Betracht. Zweckmäßig ist die Isolation schalenartig ausgebildet und besteht aus einem Boden 19 und darauf aufstehenden Seitenteilen 20, die einen Deckel 21 tragen. Zweckmäßig ergänzen sich die Seitenteile 20 als Halbschalen. Die Isolationsseitenteile 20 und der Deckel 21 lassen einen Abstand zur Wandung des Behälters 1, damit die Isolation von dessen Wärmedehnungen nicht beansprucht wird. Dies ist vor allem bei der Verwendung von Kunststoffbehältern wichtig, die sich bestimmungsgemäß
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ohne eine Erhöhung des Innendruckes bei Verzicht auf ein separates Ausdehnungsgefäß ausdehnen sollen. Damit Strahlungsverluste vermieden werden, ist es vorteilhaft, die Innenseiten 22 der Behälterisolation mit einer reflektierenden Folie, wie beispielsweise einer glänzenden Aluminiumfolie, zu kaschieren.
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Claims (13)

Patentansprüche:
1.jWärmespeicher bestehend aus einem ein Speichermedium auf- -^ nehmenden Behälter mit einem Zulauf und einem Rücklauf für darin zu erwärmendes, unter dem Druck eines Wasserleitungsnetzes stehendes Brauchwasser und mit zumindest einem Einspeise-Wärmetauscher, der über Zu- und Ableitungen für ein Wärmeträgermedium mit einer Wärmequelle oder einem Wärmesammler verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium im Behälter (1) ohne äußeren Überdruck steht und vom Brauchwasser getrennt ist, indem im Behälter (1) ein Entnahme-Wärmetauscher (16) angeordnet ist, mit dem der Brauchwasserzulauf (17) und -rücklauf (18) verbunden sind.
2. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspeise-Wärmetauscher (6) an oder nahe der tiefsten Stelle im Behälter (1) und der Entnahme-Wärmetauscher (16) nahe dem Spiegel des Speichermediums im Behälter (1) angeordnet und beide im wesentlichen langgestreckt ausgebildet sowie horizontal ausgerichtet sind.
3. Wärmespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich jedes der Wärmetauscher (6, 16) eine Umwälzvorrichtung (11 bis 15) für das Speichermedium angeordnet ist.
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4. Wärmespeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzvorrichtung aus einer Umströmungspumpe (14) besteht, die mit einer im Bereich des einen Endes des zugehörigen Wärmetauschers (6, 16) angeordneten Ansaugvorrichtung (12) einerseits und mit einer im Bereich des anderen Endes dieses Wärmetauschers (6, 16) angeordneten Strahlvorrichtung (11) verbunden ist.
5. Wärmespeicher nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrieb der Umwälzvorrichtung (11 bis 15) des Entnahme-Wärmetauschers (16) in Abhängigkeit vom Brauchwasserdurchsatz und/oder der der Umwälzvorrichtung (11 bis 15) des Einspeise-Wärmetauschers (6) in Abhängigkeit vom Durchsatz des Wärmeträgermediums gesteuert ist.
6. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) für das Speichermedium aus temperaturbeständigem Kunststoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit besteht.
7. Wärmespeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffbehälter (1) an sich gegenüberliegenden Seiten Einstülpungen (2) hat, die direkt oder indirekt miteinander verbunden sind.
8. Wärmespeicher nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium den Kunststoffbehälter (1) gänzlich ausfüllt.
9. Wärmespeicher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffbehälter (1) an seiner höchsten Stelle ein Entlüftungsventil (10) besitzt.
10. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) mit Deckeln (5) verschließbare Flansche oder Stutzen (4) besitzt, deren Weite an die Umrißform der Wärmetauscher (6,16) angepaßt ist.
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11. Wärmespeicher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Deckel (5) mit den Wärmetauschern (6,16) und/oder den Umwälzvorrichtungen (11-15) eine bauliche Einheit bilden.
12. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß den Wärmebehälter (1) allseitig ein Isolationsmantel (19 bis 21) umgibt, der seitlich und nach oben hin in Abstand zur Behälterwandung angeordnet ist.
13. Wärmespeicher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolationsmantel (19 bis 21) auf seinen Innenseiten (22) mit einer reflektierenden Folie kaschiert ist.
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