DE29914113U1

DE29914113U1 - Schichtenspeicher

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Publication number: DE29914113U1
Application number: DE29914113U
Authority: DE
Original assignee: RAPIDO WAERMETECHNIK GmbH
Current assignee: RAPIDO WAERMETECHNIK GmbH
Priority date: 1998-08-05
Filing date: 1999-08-05
Publication date: 1999-10-14
Anticipated expiration: 2009-08-06

Description

Rapido Wärmetechnik GmbH 917/99

Rahserfeld 12 2.August 1999

41 748 Viersen

Schichtenspeicher

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Schichtenspeicher gemäss dem einleitenden Teil des unabhängigen Anspruches. Solche Schichtenspeicher sind marktgängig bekannt. Sie benötigen in der Regel eine externe mit einer Pumpe versehene Wärmequelle, meist einen mit einem Brenner und einem Wärmetauscher versehenen Wasserheizer, der über eine Speicherrücklaufleitung erwärmtes Wasser in den oberen Bereich des Schichtenspeichers pumpt, kaltes Vorlaufwasser dem Speicher in dessen unterem Bereich entnimmt und dem Wasserheizer zuführt. Eine Ausnutzung des Brennwerteffektes ist beim Wasserheizer nicht vorgesehen. Die Ladekapazität des Schichtenspeichers ist auf die Ausnutzung des Temperaturgefälles und des Speichervolumens begrenzt und genügte daher häufig den Erwartungen nicht.

Weiterhin sind Latentwärmespeicher an sich bekannt, die die Phasenumwandlungswärme bei Aggregatzustandsänderungen von Stoffen ausnutzen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmequelle der eingangs näher bezeichneten Art zu schaffen, die sowohl die Vorteile des Schichtenspeicherprinzips als auch die des Latentspeichers ausnutzt.

Die Lösung dieser Aufgabe liegt erfindungsgemäss bei einer Wärmequelle der eingangs näher bezeichneten Art in den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruches.

In weiterer Ausgestaltung der Aufgabe sollen die Vorteile des Schichten- und des Latentspeicherprinzipes zusammen mit denen des Brennwerteffektes ausgenutzt werden, was mit den Merkmalen des ersten abhängigen Anspruches geschieht.

Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den weiteren abhängigen Ansprüchen hervor. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur der Zeichnung näher erläutert, in der ein Schichtenspeicher in einem Querschnitt schematisiert dargestellt ist.

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Ein Schichtenspeicher 30 weist ein Gehäuse 31 in Form eines stehenden Zylinders auf, der mit einer Isolierung 27 allseitig versehen ist, die einen Wasserspeicherbehälter 32 umgibt, der aus drei übereinander angeordneten Zylindermantelschüssen 33, 34 und 35 sowie je einem im untersten Bereich 36 bzw. im obersten Bereich 37 des Wasserspeicherbehalters vorgesehenen Klöpperboden 38 und Deckel 39 besteht, die allesamt einen Innenraum 40 umgeben. Den Klöpperboden 38 durchsetzen eine Heizungsrücklaufleitung 1, die von einer Fussbodenheizung oder von einer Hehrzahl in Serie und/ oder parallel geschalteter Radiatoren oder Konvektoren kommt, ein zu einem Solarkollektor 41 führender Rücklaufanschluss 2 sowie ein mit einer Rücklaufleitung 23 verbundener Sekundärwärmetauscherrücklaufanschluss 42, die beide im Innenraum 40 von an der Innenseite des Klöpperbodens befestigten Prallblechen 26 teilweise abgedeckt sind. An den Deckel 39 sind eine erste Solarkollektorvorlaufleitung 12, ein zu dem Sekundärwärmetauscher 20 über eine mit einer Pumpe 22 versehene Vorlaufleitung 17 führender Sekundärwärmetauschervorlaufanschluss 43 und ein Druckstutzen 44 eines Brennergebläses 15 angeschlossen.

Die einzelnen Zylindermantelschüsse 33 bis 35 bilden übereinander angeordnete Zonen 3, 6 und 11, die mit Latentspeichermaterial gefüllt sind. Hierzu eignet sich im Prizip jedes Material, welches bei Änderung seines Aggregatzustandes Wärme aufnimmt und abgibt, wobei die Temperaturen, bei denen dies geschieht, zwischen 30 und 80 ⁰C liegen sollten. Infrage kommen hierfür Paraffine, Salzhydrate oder -gemische. Fettsäuren oder Zeolithe. Die Latentspeicherstoffe können in Füllkörpern unterschiedlichster Formgebung, wie Pellet-, Kugel-, Zylinder-, Ring- oder Schlauchform eingebracht werden und werden als Schüttung auf jeweils einem mit öffnungen versehenen Trennelement 16, sei es Trennblech oder -gitter geschichtet. Jede Latentspeicherzone 3, 6 oder 11 ist also entweder von zwei Trennelementen oder einem Trennelement und dem Deckel 39 begrenzt.

Das Brennergebläse 15 ist Teil eines Gassturzbrenners 14, der von einer Brennkammer 10 aufgenommen ist, deren Türe 13 dem Deckel 39 zugeordnet ist. An der Unterseite der Brennkammer 10 sind mehrere einen Kondensationswärmetauscher bildende Abgaszüge 9 angeschlossen, der sich durch alle Zonen 3, 6 und 11 erstreckt und die parallelgeschaltet in einen unterhalb des Klöpperbodens 38 befindlichen Abgassammler 24 einmünden, von dem die abgekühlten Brennerabgase über einen mit einem Kondensatablauf 25 versehenen Abgasstutzen 45 durch einen Kamin in die Atmosphäre gelangen. Die Teile 10, 14 und 9 bilden einen Brennwertwärmeerzeuger.

Den unteren Bereichen einer jeden Zone 3, 6 und 11 ist je ein Temperaturfühler 93, 94 und 95, dem oberen Bereich der oberen Zone noch ein weiterer Temperaturfühler 18 zugeordnet, die sich durch einen der Zylindermantelschüsse 33 bis 35 in den Innenraum 40 erstrecken und die mit einer einen Regler 98 enthaltenden Steuerung 46 über Leitungen 47 bis 49 verbunden sind, welche ihrerseits Motoren der Pumpe 22 und einer Heizkreispumpe 50 über Leitungen 20 und 87 steuern, welche Heizwasser über eine an einen Heizungsvor-

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laufanschluss 4 angeschlossene Leitung 51 in den Wärmetauscher 52 einer Fussbodenheizung fördert, der rücklaufseitig über eine weitere Leitung 53 mit dem Heizungsrücklaufanschluss 1 verbunden ist. Der Sekundärwärmetauscher 20 ist mit einem Kaltbrauchwassernetzanschluss 21 und mit einem mit einem Temperaturfühler 84, der mittels einer Leitung 97 mit der Steuerung 46 verbunden ist, versehenen Anschluss 19 für erwärmtes Brauchwasser verbunden. Der Heizungsvorlaufanschluss 4 liegt im oberen Bereich der untersten Latentspeicherzone 3, befindet sich daher auf einem relativ geringen Temperaturniveau und ist folglich für die Speisung einer Fussbodenheizung bestens geeignet. Ein zweiter Heizungsvorlaufanschluss 7 befindet sich im oberen Bereich der nächsthöheren Latentspeicherzone 6, deren Temperaturniveau deutlich höher als das der untersten Zone 3 liegt. Von diesem Heizungsvorlaufanschluss wird eine Radiatorengruppe 54 über Leitungen 55 und 56, in denen eine weitere mit ihrem Motor über eine Leitung 89 mit der Steuerung 46 verbundene Heizungspumpe 57 angeordnet ist, gespeist. Die Leitung 56 mündet hierbei in eine Leitung 64. Da das Temperaturniveau der Latentspeicherzone 6 höher als das der Latentspeicherzone 3 liegt, eignet sich diese Latentspeicherzone hervorragend für die Speisung von Radiatoren, deren Speisetemperatur zur ausreichenden Wärmeabgabe deutlich höher sein muss als bei einer Fussbodenheizung.

Dem unteren Bereich der Latentspeicherzone 11 ist ein Anschluss 8 zugeordnet, der über eine Leitung 58 zu einem Auslass eines Umschaltventiles 59 führt, das einen Umstellantrieb 60 besitzt, der über eine Leitung 91 mit der Steuerung 46 verbunden ist. Einem Auslass 62 des Solarkollektors 41 ist ein Temperaturfühler 63 zugeordnet, der über eine Leitung 61 mit der Steuerung 46 verbunden ist. Ein zweiter Auslass des Umschaltventiles 59 ist über eine Leitung 64 mit einem zweiten Anschluss 5 verbunden, der dem oberen Bereich der Latentspeicherzone 3 zugeordnet ist. Entspricht die Temperatur des im Solarkollektor 41 aufgeheizten Wassers dem höheren Temperaturniveau der mittleren Latentspeicherzone 6, so wird das Wasser des Solarkollektors 41 zum Anschluss 8 geleitet, was bei stärkerer Sonneneinstrahlung der Fall sein wird. Bei schwächerer Sonneneinstrahlung, wenn also das Temperaturniveau des Solarkollektorausganges 62 auf einem niedrigeren Niveau liegt, wird das Umschaltventil 59 in die andere Stellung gefahren, so dass der Anschluss 5 mit dem Solarkollektor 41 verbunden wird. So gelingt eine Anpassung des Solarkollektors 41 mit seiner Auslauftemperatur an die Temperaturstufung im Innenraum 40 des Schichtenspeichers 30.

Ein Einlass des Umschaltventiles 59 ist mittels einer Leitung 71 mit einem durch einen Antrieb 72 gesteuerten weiteren Umschaltventil 73 verbunden, das einerseits mit dem Anschluss 12 und mit einem Wärmetauscher 67 verbunden ist, wobei der Antrieb 72 über eine Leitung 92 von der Steuerung 46 beherrscht ist. Die Temperatur des Vorlaufes der Fussbodenheizanlage 52 fühlt ein Temperaturfühler 81 ab, der über eine Leitung 88 mit der Steuerung 46 verbunden ist. Der Anschluss 2 ist über eine mit einer wie die Pumpe 65 drehzahlgesteuerten Pumpe 66, deren Motor von einer mit der Steuerung 46 verbundenen Leitung 86 mit Spannung versorgt wird, versehenen Leitung 70 mit dem Wärmetauscher 67 verbunden. Vom Wärmetauscher 67

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fflhrt eine mit: einer weiteren Pumpe 65 versehene Leitung 68 zum Rücklauf 96 des Solarkollektors 41, wobei diese Pumpe über eine Leitung 85 von der Steuerung 46 gespeist wird, der im übrigen noch ein Aussen- 77 und ein Raumtemperaturfühler 78 über Leitungen 79 und 80 zugeordnet sind. Der Vorlauf 62 des Solarkollektors ist über eine Leitung 69 mit dem Wärmetauscher 67 verbunden. Die Fussbodenheizung 52 weist ein zwischen dem Anschluss 4 und der Pumpe 50 liegendes Mischventil 83 auf, dessen Antrieb 82 über eine Leitung 90 mit der Steuerung 46 verbunden ist.

Die Steuerung 46 bewirkt folgende Wirkungsweise: In der obersten Zone 11 befindet sich ein Latentspeichermaterial mit einer hohen Umwandlungstemperatur im Bereich von 65 bis 75°C. Dieser Bereich dient zur Brauchwassererwärmung. Der in die Steuerung 46 integrierte Regler 98 erfasst bei Brauchwasserzapfung die Brauchwassertemperatur als Istwert und schaltet bei einem unter einem Sollwert liegenden Istwert den drehzahlgesteuerten Motor der Pumpe 22 ein. Der Wärmeträger (Wasser) wird aus der Zone 11 über die Leitung 17 durch den Wärmetauscher 20 gepumpt und fliesst über den Anschluss 42 zurück in die Zone 3 als den kältesten Teil des Innenraumes 40 des Schichtenspeichers 30. Die in der Zone 11 herrschende Temperatur wird vom Temperaturfühler 93 erfasst, es wird falls ausreichend, mit dem Sonnenkollektor 41 ggf. zusätzlich mit dem Brenner 14 nachgeheizt. In der nächsttieferen Zone 6 befindet sich ein Latentspeichermaterial mit einer geringen Umwandlungstemperatur von ca. 45 bis 60⁰C. Die gleichfalls drehzahlgesteuerte Pumpe 57 fördert das wärmste Wasser dieser Zone direkt über die Leitung 55 in den angeschlossenen Radiatoren- oder Konvektorenzweig 54. Die Isttemperatur des Wassers wird vom Temperaturfühler 94 dem Regler 98 vorgegeben und mit der Solltemperatur verglichen, das Ergebnis führt beim Unterschreiten des Sollwertes zur Nachheizung mit dem Solarkollektor 41 ggf. zusätzlich mit dem Brenner 14.

In der dritten, untersten Zone 3 befindet sich ein drittes Latentspeichermaterial mit noch geringerer umwandlungstemperatur im Bereich von 20 bis 40⁰C. Dieser Bereich dient der Speisung einer Niedrigtemperaturheizung 52, indem die Pumpe 50 drehzahlgesteuert Wasser über den Anschluss 4 und die Leitung 51 in den Verbraucher 52 fördert, wobei das Wasser über die Leitung 53 wieder in den Schichtenspeicher 30 zurückgelangt. Das Mischventil 83 dient der unter Umständen weiteren Temperaturabsenkung, falls auch bei grosser Solarwärmeeinspeisung die Vorlauftemperatur am Anschluss 4 zu hoch für die Fussbodenheizung ist. Somit versorgt diese dritte Zone 3 entsprechend der vom Regler 98 vorgegebenen Soltemperatur nach Vergleich mit der von Temperaturfühler 95 erfassten Isttemperatur diesen Heizzweig. Sollten mehr als drei unterschiedlich gestufte Temperaturniyeaus für entsprechende Verbraucher notwendig sein, werden im Schichtenspeicher mehr als drei oder auch nur zwei Zonen geschaffen. Durch die Trennung des Gesamttemperaturbereiches des Schichtenspeichers 30 in wenigstens zwei Speicherzonen wird eine optimale Brennwertnutzung des Heizgases erreicht, gleichfalls kann auch die Solarenergienutzung besser an die gewünschten Verbrauchertemperaturen angepasst werden.

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Der Inhalt des Solarkollektors 41 wird mittels der drehzalgesteuerten primären Solarkreispumpe 65 durch den Wärmetauscher 67 gefördert. Das Speicherwasser wird hier im Kreislauf - gefördert durch die sekundäre Pumpe 66 - aufgeheizt und je nach erreichtem Temperaturniveau über den Anschluss 12 oder den Anschluss 8 oder den Anschluss 5 in den Innenraum 40 des Schichtenspeichers 30 geleitet. Die Ansteuerung dieser Anschlüsse erfolgt je nach erreichter Isttemperatur über die Umschaltventile 73 und 59, deren Antriebe nach Massgabe des Vergleichs der vom Temperaturfühler 63 gemessenen Temperatur im Vergleich mit den Zonenistwerten, ermittelt von den Temperaturfühlern 93 bis 95.

Der in die Steuerung 46 eingefügte Heizungsregler 98 erfasst die Istwerte aller Temperaturfühler. Die Solltemperaturwerte werden nach den Werten des Aussentemperaturfühlers 77 für die Heizkreise 52 und 54 festgelegt, der Brauchwassertemperatursollwert wird am Steller 99 justierbar vorgegeben. Je nach dem Ergebnis des SoIl-Istwertvergleiches werden alle oder nur einige Zonen nachgeheizt, dieses in erster Linie durch Beaufschlagung mit dem Solarkollektor 41 und Ansteuern des zugehörigen Umschaltventiles 73 und 59. Der Temperaturfühler 18 überwacht die Maximaltemperatur des Schichtenspeichers. Immer wenn die Solarkollektortemperatur, vom Temperaturfühler 62 gemessen, die Istwerte eines der Temperaturfühler 93 bis 95 überschreitet, werden die Pumpen 65 und 66 eingeschaltet, um die zugehörigen Zonen nachzuheizen, wobei die Zone mit dem höheren Temperaturniveau Vorrang vor der mit dem niedrigeren hat.

Durch die Drehzahlsteuerung der beiden Solarpumpen 65 und 66 ist sowohl ein Low-Flow-Betrieb des Solarkollektors 41 möglich, das heisst ein Wärmeträgerdurchsatz von 8-15 l/h/m2Koll., wie auch ein Match-Flow-Betrieb hoch bis zu 80 l/h/m2Koll.

Der Brenner wird immer dann eingeschaltet, wenn eine bestimmte Tageszeit abgelaufen ist und eine bestimmte Ladetemperatur nicht erreicht ist oder wenn der Gradient des Ladetemperaturanstieges im Schichtenspeicher 30 unter einer gewissen Grosse bleibt. Der Brenner 14 arbeitet modulierend, das heisst, ihm ist im Gasweg ein in seinem Öffnungsquerschnitt variables Gasmagnetventil vorgeschaltet, das einen Modulationsbereich von 1:5 beherrscht. Da im Zuge eines sich immer weiter verkleinernden Gebäudewärmebedarfes die minimale Brennerleistung unter die untere Grenze des Modulationsbereiches absinkt, die obere Modulationsgrenze aber die Tendenz hat, sich infolge steigender Ansprüche an den Warmwasserkomfort zu vergrössern, wird die Erfindung durch die gleichzeitige Ausnutzung der Speicherkapazität bei geladenem Schichtenspeicher und parallel arbeitendem Brenner dieser Forderung gerecht, um so mehr, wenn parallel zum Brenner vom Solarkollektor Wärme in den Schichtenspeicher eingespeist wird.

Claims

1. Schichtenspeicher (30) mit einem Gehäuse (31) und einem darin angeordneten Wasserspeicherbehälter (32), der an seinem unteren Bereich (36) einen Wasserrücklauf (42) und an seinem oberen Bereich (37) einen Wasservorlauf (17) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserspeicherbehälter (32) durch Trennelemente (16) in wenigstens zwei Speicherzonen (3, 6 und 11) unterteilt ist, in denen ein Latentspeichermaterial mit unterschiedlichen Umwandlungstemperaturen gelagert ist.

2. Schichtenspeicher (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses (31) oberhalb der oberen Speicherzone (11) ein Brennwertwärmeerzeuger (9, 10, 14) und unterhalb der unteren Speicherzone (3) eine Abgasführung (24) mit Kondensatsammler (25) vorgesehen sind.

3. Schichtenspeicher (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass drei Latentspeicherzonen (3, 6 und 11) in unterschiedlichen Höhen vorgesehen sind.

4. Schichtenspeicher (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Latentspeicherzonen (3, 6 und 11) durch mit Öffnungen versehene Trennbleche oder Trenngitter (16) separiert sind.

5. Schichtenspeicher (30) nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Bereich (36) des Speicherbehälters (32) eine Solarkollektorrücklaufleitung (2) und in den oberen Bereichen der Latentspeicherzonen (3, 6 und 11) eine Solarkollektorvorlaufleitung (5 und 8) münden.

6. Schichtenspeicher (30) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarkollektorvorlaufleitungen (5, 8 und 12) über ein in Abhängigkeit der Solarkollektorvorlauftemperatur von einem Temperaturfühler (63) gesteuertes Umschaltventil (59) mit dem Solarkollektor (41) verbunden sind.

7. Schichtenspeicher (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oberste (37) und der unterste Bereich (36) des Wasserspeicherbehälters (32) über eine mit einer Pumpe (22) und einem Wärmetauscher (20) versehene Leitung (17, 23) miteinander verbunden sind.

8. Schichtenspeicher (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im untersten Bereich einer jeden Latentspeicherzone (3, 6 und 11) des Wasserspeichergehäuses (32) je ein Temperaturfühler (93 bis 95) vorgesehen ist, der mit einer Steuerung (46) verbunden ist, die nach Massgabe der von den Temperaturfühlern (93 bis 95) gelieferten Temperaturen der Zonen (3, 6 und 11) mittels Ansteuerung wenigstens eines Umschaltventiles (73, 59) den Auslass des Solarkollektors mit der Zone verbindet, deren Temperaturistwert den geringsten negativen Abweichungswert vom Solarkollektorvorlaufwert aufweist.

9. Schichtenspeicher (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennwertwärmeerzeuger (9, 10, 14) eine an einem Deckel des Wasserspeicherbehälters (32) befestigte Brennkammer (10) aufweist, die einen Sturzbrenner (14) aufnimmt, von der Abgaszüge (9) ausgehen, die die Latentspeicherzonen (3, 6 und 11) wärmetauschend durchsetzen und in einen mit einem Kondensatablauf (25) versehenen Abgassammler (24) münden.