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"Wärmepumpenspeicher"
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmepumpenspeicher mit einem
Wärmetauscher zur Übertragung der Wärmeenergie aus dem Wärmepumpenkreislauf auf
das Bzuchwasser im Brauchwasserspeicher.
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Die bisher bekanntgewordenen Wärmepumpenspeicher mit innenliegenden
Heizflächen oder Wärmetauschern berücksichtigen die spezifischen Eigenschaften von
Wärmepumpen beim Aufheizvorgang
der Warmwasserbereitung zu wenig,
so daß das Betriebsverhalten all dieser Speicher äußerst unbefriedigend ist. So
ist bei vielen Speichern die Übertragungsfläche zu klein, so daß sich bei diesen
Speichern die Wassertemperatur des Brauchwa æ rs durch die innere Zirkulation beim
Aufheizvorgang total vermischt.
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Zwischen oben und unten ist keine Temperaturschichtung vorhanden.
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Während der Aufheizung verringert sich die Temperaturdifferenz von
Heizmedium und Warmwasser und dadurch die Leistungsaufnahme des Speichers ständig.
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Für Wärmepumpen, die auf eine gleichmäßige Wärmeabgabe eingestellt
sind, ergibt sich daraus die Schwierigkeit, daß sich der Wärmeübergang in der Endphase
der Aufheizung immer weiter vermindert, so daß die Leistung der Wärmepumpe nicht
mehr übertragen werden kann. Die Wärmepumpe arbeitet daher mit schlechter Leistungsziffer
und intermettierend, man sagt in der Fachsprache hierzu, daß die Wärmepumpe taktet.
Die Lebensdauer der Wälmepumpe wird durch diese Betriebsweise stark reduziert.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen Wärmepumpenspeicher
zu schaffen, der auch in der Endphase der Aufheizung noch eine gute Leistungsziffer
aufweist und somit ein Takten der Wärmepumpe vermeidet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Wärmepumpenspeicher der eingangs
genannten Art gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der
Wärmetauscher
vom Brauchwasser getrennt ist und das Abnehmen des Brauchwassers aus dem Speicher
zur Einleitung in den Wärmetauscher und die Wiedereinleitung in den Speicher so
erfolgen, daß während des Aufheizvorganges eine im wesentlichen gleichbleibende
hohe Temperaturdifferenz der Austauschmedien im Wärmetauscher besteht.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung, die sich in besonders einfacher
Weise dadurch realisieren läßt, daß der Wärmetauscher im Kopf des Speichers angeordnet
ist und daß die Abnahmeleitung zur Entnahme des kalten Brauchwassers im Boden und
die ZufUhrleitung zum Wiedereinleiten des im Wärmetauschers erwärmten Brauchwassers
im Kopf des Speichers angeordnet sind, ergibt sich, in Verbindung mit der Trennung
des Brauchwassers vom Wärmetauscher ein Betriebsverhalten, bei welchem das erwärmte
Brauchwasser über dem noch kalten nicht aufgeheizten Brauchwasser im Speicher angeordnet
ist. Dadurch wird erreicht, daß - selbst wenn der größte Teil des Brauchwassers
bereits erwärmt worden ist - das unten aus dem Speicher abgezogene Brauchwasser
noch kalt ist, so daß zwischen dem jeweils zu erwärmenden Brauchwasser und dem Heizmedium
des Wärmepumpenkreises eine hohe Temperaturdifferenz besteht, die einen guten Wärmeübfflgang
gewährleistet. Die Wärmepumpe arbeitet also ständig mit einer guten Leistungsziffer,
so daß auch zum Ende der Aufheizzeit hin kein Überangebot an Wärme aus dem Wärmepumpenkreis
besteht, welches vom Speicher nicht aufgenommen werden kann. Die Wärmepumpe taktet
somit bei Verwendung
des erfindungsgemäßen Wärmepumpenspeicherprinzips
nicht.
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Mit besonderem Vorteil kann der Speicher als langgestreckter, vertikal
gestellter vorzugsweise doppelwandiger Isolierbehälter ausgebildet sein, in welchem
der Wärmetauscher senkrecht angeordnet und vom Brauchwasser im Gegenstrom zum Heizmedium
der Wärmepumpe durchströmt wird, wobei bevorzugt das Brauchwasser den Wärmetauscher
von unten nach oben durchsetzen soll.
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Diese Ausbildung, welche die Aufrechterhaltung einer hohen Temperaturdifferenz
zwischen dem aufzuheizenden Brauchwasser und dem Heizmedium des Wärmepumpenkreislaufes
weiter begünstigt, läßt sich in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzielen,
daß der Wärmetauscher einen die Rohrschlangn für das Brauchwasser aufnehmenden Topf
umfaßt, den das Heizmedium der Wärmepumpe oben zu und, vorzugsweise über eine zentrische
Innenleitung, unten eniminmen wird.
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Das topfförmige Gehäuse des Wärmetauschers läßt sich bei dieser Ausgestaltung
sehr einfach austauschbar im Kopfbereich des Speichers anordnen, in den ja auch
das wieder aufgeheizte Wasser, vorzugsweise durch entsprechende Ausbildung der Einleitöffnung
schichtend so abgegeben wird, daß eine Verwirbelung mit dem bereits im Speicher
befindlichen Wasser verhindert wird0 Eine Verwirbelung des eingeleiteten Warmwassers
mit dem bereits vorhandenen Brauchwasser würde nämlich die für den erfindungsgemäßen
Betrieb
wesentliche Temperaturschichtung im Speicher mit kaltem Brauchwasser im unteren
Teil und warmen Brauchwasser im oberen Teil des Speichers negativ beeinträchtigen.
Bei vorsichtigem schichtenden Aufbringen des erwärmten Wassers gewährleistet die
Abnahme des spezifischen Gewichts mit der Temperatur des Wassers in Verbindung der
relativ schlechten Wärmeleitfähigkeit von Wasser die Aufrechterhaltung eines hohen
Temperaturgradienten des Brauchwassers von oben nach unten.
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Um auch bei den unvermeidlich auftretenden Änderungen der Betriebsparameter
die erfindungsgemäße, ein Takten der Wärmepumpe weitestgehend vermeidende Betriebsweise
des Wärmepumpenspeichers zu gewährleisten, ist in Weiterbildung der Erfindung eine
temperaturgesteuerte Regelungseinrichtung für die das Brauchwasser durch den Wärmetauscher
fördernde Brauchwasserpumpe und/oder die Ladepumpe des Wärmepumpenkreises vorgesehen.
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Je nach dem Leistungsangebot der Wärmepumpe bzw. bei Luft-Wasser-Wärmepumpen
von der Außenlufttemperatur steuert diese Regelungseinrichtung, die bevorzugt einen
Dehnstoffregler in der Verbindungsleitung der Wärmepumpe zum Speicher umfaßt, die
jeweiligen Durchsatzmengen so, daß ein optimales Betriebsverhalten unter besonderer
Berücksichtigung der erfindungsgemäß angestrebten konstanten Temperaturdifferenz
zwischen Heizmedium und Brauchwasser erreicht wird.
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Zur Ermöglichung eines elastischen und darüberhinaus sowohl
einen
monovalenten, als auch einen bivalenten Wärmepumpenbetrieb ermöglichenden Betriebsverhaltens
sind in unterschiedlichen Höhen angeordnete Temperaturfühler zur Feststellung der
Brauchwassertemperatur vorgesehen, wobei bevorzugt eine obere und eine untere, jeweils
mindestens zwei Temperaturfühler umfassende Gruppe vorhanden sind, von denen die
obere Gruppe zur Steuerung des Heizkessels bei bivalenten Wärmepumpenbetrieb dient,
während die unten Gruppe die nshstehend beschriebene Steuerung bei der Aufheizung
des Brauchwassers über die Wärmepumpe bewirkt. Neben einem etwa in halber Höhe des
Speichers angeordneten Temperaturfühler, der das Einschalten der Wärmepumpe übernimmt,
ist in der Nähe des Bodens ein zweiter Temperaturfühler vorgesehen, der die Wärmepumpe
abschaltet, wenn die von oben nach unten fortschreitende Warmwasserfront diesen
Fühler erreicht hat, d.h. wenn praktisch der gesamte Heizkessel auf die erhöhte
Temperatur gebracht ist. Das Wiedereinschalten der Wärmepumpe erst nach etwa halber
Entleerung des warmen Brauchwassers, welches selbstverständlich am Kopf des Speichers
entnommen wird, während Kaltwasser von unten zufließt, begünstigt weiterhin den
erfindungsgemäß angestrebten Betrieb bei welchem jegliches Takten der Wärmepumpe,
d.h. ein häufiges Ein- und Ausschalten vermieden wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand
der Zeichnung, die schematisch einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmepumpenspeicher
zeigt.
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Der erfindungsgemäße Wärmepumpenspeicher umfaßt einen druckfesten,
stehenden runden Behälter 1, der beispielsweise durch zweischichtige Emaillierung
und eine Magnesiumanode gegen Korrosion geschützt ist. Im Kopf des Speichers 1 ist
der Wärmetauscher 2 angeordnet, welcher aus einem in den Speicherbehälter eingeschweißten
Topf 3 und den in ihm austauschbar angeordneten Rohrschlangen 4 besteht. Die Rohrschlangen
4 werden von unten nach oben vom zu erwärmenden Brauchwasser durchströmt, während
das Heizmedium des Wärmepumpenkreises über eine Ladepumpe 5 durch den Deckel 6 oben
in den Topf 3 eingespeist wird und eine zentrische Rohrleitung 7 am Boden 8 des
Topfes wieder abgeführt wird. Durch Steuerung der Ladepumpe 5 wird die Wassermenge
des Heizkreises so eingestellt, daß sie einer Temperaturdifferenz entspricht, die
der Wärmepumpenbetriebsweise wie oben im einzelnen beschrieben, entgegenkommt (7
bis 12 K). Am Speicherboden 9 wird das kalte Leitungswasser dem Speicher zugeführt.
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Darüberhinaus wird zur Aufheizung des Brauchwassers im Speicher auch
an dieser Stelle das kalte Brauchwasser entnommen und über die Steigleitung 10 und
die Brauchwasserpumpe 11 in den Wärmetauscher 3 geleitet, Das erwärmte Wasser aus
dem Wärmetauscher wird über einen Dehnstoffregler 12 am Kopf des Speichers bei 13
wieder in den Speicher eingeleitet, wobei die Einleitung schichtend derart erfolgt,
daß eine Vermischung des eingeführten warmen Wassers mit dem bereits im Speicher
befindlichen Brauchwasser vermieden wird0 Ebenso wie die Ladepumpe wird auch die
Brauchwasserpumpe 11 entsprehend der Wärnpumpenleistung so geregelt,
daß
eine möglichst konstante Temperaturdifferenz zwischen Heizmedium und Brauchwasser
im Wärmetauscher 3 vorhanden ist.
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Der Dehnstoffregler 11 reguliert die Wassermenge je nach Leistungsangebot
der Wärmepumpe, die bei Luft-Wasser-Wärmepumpen von der Außenlufttemperatur abhängig
ist. Es wird nur jeweils soviel Wasser umgewälzt, daß das am Speicher oben eintretende
Wasser auf ca 47-500C erwärmt wird. Bei einem Aufheizvorgang und kaltem Speicher
wird also der Speicherinhalt nur einmal umgewälzt. Das erwärmte Wasser wird von
oben nach unten schichtend gespeichert.
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Bei der Erstaufheizung des Speichers schaltet der Temperaturregler
14, der etwa in halber Höhe des Speichers angeordnet ist die Wärmepumpe, die Brauchwasserpumpe
11 und die Heizkreispumpe 5 ein. Die Brauchwasserpumpe 11 fördert nun den gesamten
Speicherinhalt von unten nach oben durch den Wärmetauscher 3 und gibt das erwärmte
Wasser im Speicheroberteil bei 13 von oben nach unten schichtend ab. Hat das warme
Speicherwasser den Temperaturregler 15 von oben nach unten erreicht, so schaltet
diesen die Wärmepumpe sowie die Ladepumpe 5 und die Brauchwasserpumpe 11 aus.
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Nun können über die Warmwasserabnahmeleitung 16 versdiedene kleine
Wassermengen gezapft werden, ohne daß der Ladevorgang erneut eingeleitet wird. Erst
wenn der Speicherinhalt zu etwa 50 % leergezapft wurde, reagiert der Temperaturfühler
14 und schaltet die Wärmepumpe sowie die Ladepumpe 5 und die Brauchwasserpumpe 11
wieder ein. Der Aufheizvorgang beginnt nun erneut und endet wie bei der Erstaufheizung
beschrieben.
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Bei bivalentem Wärmepumpenbetrieb wird zunächst der Heizkreis des
Kessels auf den Heizkreis der Wärmepumpe geschlossen. Zusätzlich sind zwei weitere
Temperaturregler 17 und 18 im Speicher eingebaut. Durch sie kann die obere Speicherhälfte
in genau der gleichen Weise, wie sie vorstehend für den monovalenten Wärmepumpenbetrieb
beschrieben wurde, über einen Heizkessel aufgeheizt werden. Der Heizbetrieb über
die Wärmepumpe erfolgt durch die beiden Temperaturregler 14 und 15 in der gleichen
Weise wie vorher beschneben.
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt.
So ist sowohl die besondere Anordnung der Temperaturfühler, als auch die Ausbildung
des Wärmetauschers 3 selbst für den erfindungsgemäßen Wärmepumpenspeicher nicht
unbedingt erforderlich. Die das Wesen der vorliegenden Erfindung ausmachende unvermischte
Speicherung des erwärmten Wassers vom noch nicht erwärmten Wasser, die unter anderem
auch eine Erwärmung in einem einmaligen Durchsatz der Wärmepumpe ermöglicht, ließe
sich ersichtlich auch durch andere Ausgestaltungen des Speichers erzielen.