DE4443715A1 - Warmwasserbereiter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Warmwasserbereiter mit einem mit Wasser gefüll­ ten Speichergefäß mit einer äußeren Wärmeisolierung, Anschlüssen für den Vor- und Rücklauf einer Solarkollektoranlage einerseits und einer Warmwasserraumheizung andererseits, einer im Speichergefäß liegenden Brennkammer, einer Gas- oder Ölfeuerung und einem Durchflußwärmetauscher für Brauchwasser.

Bekannte Warmwasserbereiter für Heiz- und Brauchwasser stellen Kombinationen von Solar- und mit Brennstoffen beheizten Geräten dar, wobei nur geringe synergistische Effekte erzielt werden. So wird bei bekannten Warmwasserbereitem das warme Rück­ laufwasser einer Solaranlage im Bodenbereich des Kessels eingespeist, wobei im Kes­ sel oberhalb dieses Bodenbereiches die Brennkammer einer Öl- oder Gasfeuerung angeordnet ist und darüber wieder direkt in den Innenraum führende Anschlüsse für Vor- und Rücklauf der Warmwasserraumheizung. Im obersten Bereich des Flüssig­ keitsraumes befinden sich die Durchlauferhitzer für das Brauchwasser. In einer solchen Anlage kommt es zu einer Vermischung des von der Solaranlage oft mit hoher Tempe­ ratur zugeführten Heißwassers mit dem im Warmwasserbereiter vorhandenen Wasser. Damit kommt es zu einer äußerst starken Reduzierung der Exergie des aus der Solar­ anlage zugeführten Heißwassers und damit zu einem insgesamt niedrigen energeti­ schen Wirkungsgrad.

Um diese Nachteile zu vermeiden, ist es bei rein solarbeheizten Warmwasserbereitem bekannt, das zugeführte Wasser entsprechend seiner Temperatur geschichtet (war­ mes Wasser oben, kaltes Wasser unten) abzulegen, wie beispielsweise in der EP 0 384 423 B1 beschrieben. Bei solchen Anlagen kommt es zu einer Temperaturabsen­ kung nur in den Gebieten, in denen beispielsweise über einen Brauchwasserwärme­ tauscher tatsächlich Wärmeenergie entzogen wird.

Bei Warmwasser-Schichtenspeichern ist es bekannt, innerhalb des Schichtenspeichers einen Gegenstromwärmetauscher zur Erwärmung von Brauchwasser anzuordnen, der mit dem Thermo-Syphon-Prinzip betrieben wird (EP 0578 126 A2).

Solarbetriebene Anlagen haben den Nachteil, daß sie in Zeiten des größten Wärme­ bedarfs die geringste thermische Leistung erbringen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Warmwasserbereiter aufzuzeigen, der in exerge­ tisch optimierter Weise mit solarbeheiztem Wasser wie auch durch eine Feuerung beheizt werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Vorrichtung zum tempera­ turabhängigen Einschichten des Vorlaufwassers der Solarkollektoranlage im Speicher­ gefäß, eine Vorrichtung zum temperaturabhängigen Einschichten des Rücklaufwassers der Raumheizung im Speichergefäß, die Anordnung des Einlaufes des Vorlaufs der Raumheizung im Bereich des oberen Bodens des Speichergefäßes, die Anordnung der Brennkammer im oberen Bereich des Speicherinnenraumes, eine senkrechte Anordnung des Wärmetauschers für das Brauchwasser in einem senkrechten Führungsrohr, das in seinem oberen und unteren Bereich mit dem Wasser des oberen bzw. unteren Bodens des Speichergefäßes in Verbindung steht.

Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Anordnung der Brennkammer einschließlich deren Abgasleitung bei Brennwertaus­ führung der Feuerung im oberen Drittel führt zu einem hohen exergetischen Wirkungs­ grad. Eine geringe Menge des Wassers im oberen Bereich des Speichergefäßes, die zudem die höchste Temperatur auch ohne Brennerbetrieb hat, wird schnell auf die Vor­ lauftemperatur des Wärmetauschers bzw. des Heizkreises gebracht und auf dieser Temperatur gehalten, also dort, wo die Wärme abgezogen wird. Durch die Aufheizung des Wassers in der Schichtung mit der höchsten Wassertemperatur konnte es beim Betrieb des Brenners zu keiner thermal bedingten Wirbelbildung in den darunterlie­ genden Schichten niedrigerer Temperatur kommen. Deren Exergie wird also auch bei Brennerbetrieb erhalten und steigt daher mit der Ablagetemperatur zum oberen Bereich des Vorratsgefäßes. Das gesamte Wasservolumen des Speichergefäßes steht zur Speicherung der von der Solaranlage gelieferten Wärme zur Verfügung.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehen­ den im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben, die im Längsschnitt schematisch zwei Varianten für den Aufbau, des erfindungsgemäßen Warmwasserbereiters darstellt.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform.

Der Warmwasserbereiter 2 weist ein Speichergefäß 4 mit einem vorzugsweise zylin­ drischen Rumpf 6 auf, dessen Höhe größer ist als der Durchmesser. Das Verhältnis von Höhe zu Durchmesser liegt dabei beispielsweise im Bereich von 2 : 1. Das Spei­ chergefäß 4 ist außen mit einer Isolierung 8 versehen, deren Wärmedämmung so aus­ gelegt ist, daß praktisch keine Wärmeverluste über die Wandung des Speichergefäßes auftreten. Das Speichergefäß kann in der bei rein solarbeheizten Speichern üblichen Größe beispielsweise für 300 oder 600 l Wasser ausgelegt sein.

Der Boden 10 des Speichergefäßes ist vorzugsweise lösbar. Im Behälterboden sind übliche Anschlüsse für die Vor- und Rückläufe für eine Solarkollektoranlage, eine Heizungsanlage und bei der Ausführung nach Fig. 1 auch für eine Brauchwasser­ anlage angeordnet, die im einzelnen nicht dargestellt sind. Die in der Zeichnung nicht dargestellten Solarkollektoren sind durch ihren Vorlauf 12 und ihren Rücklauf 14 repräsentiert, und die ebenfalls nicht dargestellte Warmwasserraumheizung durch ihren Vorlauf 16 und ihren Rücklauf 18 sowie eine Umwälzpumpe 20. Im Inneren des Speichergefäßes 6 sind einerseits für das Wasser aus dem Rücklauf der Solarkol­ lektoren und andererseits für den Rücklauf des Heizungswassers senkrechte Rohre 22, 24 vorgesehen, die zum temperaturabhängigen Einschichten des Vorlaufwassers der Solarkollektoranlage und des Rücklaufwassers der Raumheizung andererseits ausgebildet sind. Vorzugsweise sind die Einschichtungsrohre jeweils mit seitlich mit Abstand übereinander angeordneten Auslässen 26 mit Ventilklappen (nicht dargestellt) versehen, die in Abhängigkeit von der Differenz der Dichte und damit der Tempe­ raturdifferenz des Wassers in dem Einschichtungsrohr und im Speichergefäß in Höhe des jeweiligen Anschlusses öffnen bzw. schließen. Einzelheiten einer solchen Anord­ nung zur temperaturkonformen Einschichtung des Warmwassers sind in der EP 0 384423 B1 beschrieben.

Für den Solarkreis ist im unteren Bereich des Einschichtungsrohres 22 ein Rohrab­ schnitt 28 dargestellt, der einen größeren Durchmesser hat und in dem ein Wärme­ tauscher für den Solarkreis angeordnet ist. Ein solcher Wärmetauscher 30 ist zweck­ mäßig, wenn der Solarkreis mit Frostschutz betrieben werden muß. Er kann entfallen, wenn auch der Heizungskreis mit Frostschutz betrieben wird.

Für den Heizungskreis führt dessen Rücklauf 18 in das Einschichtungsrohr 24. Das Rücklaufwasser der Heizung wird daher ebenfalls entsprechend seiner jeweiligen Temperatur in dem Speichergefäß in der dieser Temperatur entsprechenden Schicht abgelegt.

Der Vorlauf 16 des Heizungskreises innerhalb des Gefäßes mit einem Rohr 32 bis kurz unterhalb des oberen Bodens 34 geführt. Damit wird für den Heizungskreis das Vorlaufwasser jeweils aus dem Bereich der höchsten Wassertemperatur im Speicher­ gefäß abgezogen. Das Rohr 32 kann mit einem flächigen Einlauf 33 versehen sein, um eine Wirbelbildung durch die Querströmung des abgezogenen Wassers klein zu halten.

Bei der Ausführung nach Fig. 1 ist für Brauchwassererwärmung ein Kaltwasservorlauf 34 innerhalb des Gefäßes an einen senkrecht im Gefäß angeordneten Wärmetauscher 36 angeschlossen, der sich im wesentlichen über die gesamte Höhe des Speicherge­ fäßes erstreckt und mit seinem Auslaß 38 über einen hier ebenfalls im Boden des Speichergefäßes angeordneten Anschluß an den Brauchwasservorlauf 40 angeschlos­ sen ist. Der Wärmetauscher 36 ist in einem Führungsrohr 42 angeordnet, das sich vom Bereich unterhalb des oberen Bodens 34 des Speichergefäßes bis zum Bereich ober­ halb des unteren Bodens 10 erstreckt und an seinen beiden Enden offen ist. Durch dieses Führungsrohr 42 wird nach dem Thermo-Syphon-Prinzip eine Abwärtsströmung des Wassers in dem Führungsrohr bis in Bodennähe erzwungen. Der Wärmetauscher 36 und das Führungsrohr 42 sind zweckmäßig so ausgelegt, daß am unteren Ende das im Führungsrohr abwärts strömende Warmwasser bis annähernd auf die Eintrittstem­ peratur des Kaltwassers abgekühlt ist. Das in dem Führungsrohr abwärts strömende und durch den Wärmetausch abgekühlte Wasser schichtet sich damit im Bodenbereich des Speichergefäßes in das Speicherwasser ein.

Falls die natürliche Thermo-Syphon-Wirkung im Führungsrohr für die Erwärmung des Brauchwassers im Wärmetauscher nicht ausreichen sollte, kann eine temperatur­ gesteuerte Wasserförderung durch das Führungsrohr 42 erzwungen werden, bei­ spielsweise über eine Pumpe 44 mit einem Saugrohrende 46 im unteren Bereich des Führungsrohres 42 und einem seitlich gegen das Führungsrohr versetzten Auslaß 48 in Bodennähe, über dem beispielsweise ein Prallblech zur Vermeidung von Wirbel­ bildung angeordnet sein kann. Die Pumpe 44 wird über einen temperaturgesteuerten Regler 46 mit einem Temperaturfühler im unteren Bereich des Führungsrohres 42 in Abhängigkeit von der Temperatur des abwärts strömenden Wassers im unteren Bereich des Führungsrohres gesteuert.

Falls der Wärmetauscher so ausgelegt ist, daß über die Pumpe ständig Wasser mit einer höheren Temperatur abgesaugt wird, kann die Pumpe auch an den Rücklauf 18 des Heizungskreises angeschlossen und damit das Wasser temperaturgerecht in das Speichergefäß eingeschichtet werden.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist das den Wärmetauscher 36 für das Brauch­ wasser einschließende Führungsrohr 43 als geschlossenes Gefäß außerhalb des Speichergefäßes parallel zu dessen Rumpfwandung angeordnet. Der Vorlauf 34 des Kaltwassers ist hier durch den Boden des Führungsrohres an den Einlaß des Wärmetauschers 36 angeschlossen, dessen Warmwasservorlauf am oberen Ende durch die Wandung geführt ist. Es entfällt also die parallel zum Wärmetauscher nach unten zum Gefäßboden hin verlaufende Vorlaufleitung in der Ausführungsform nach Fig. 1.

Das geschlossene Führungsrohr hat im Bereich seines oberen Endes eine Verbindung 51 zum Speichergefäß 4. Eine ähnliche Verbindung kann im unteren Bereich des Füh­ rungsrohres 43 vorgesehen werden. Auch die Verbindung kann im Speichergefäß mit einem flächigen Einlauf 35 versehen sein. Bei einer Ausgestaltung, bei der durch Wärmetausch nur eine teilweise Abkühlung des abwärts strömenden Warmwassers erreicht wird oder werden soll, kann der Auslauf am unteren Ende des Führungsrohrs an den Rücklauf des Heizungskreises angeschlossen werden, und zwar über ein Rück­ schlagventil 48, das einen Nebenschluß beim Betrieb der Pumpen 20 des Heizungs­ kreises durch eine Förderung von Wasser aus dem Rücklauf des Heizungskreises in das Führungsrohr 43 verhindert. Auch bei der Ausführung nach Fig. 2 kann ein Zwangsumlauf durch eine temperaturgesteuerte Pumpe 44 mit Temperaturfühler 41 und einer elektrischen Schalteinheit 45 vorgesehen werden. Im Pumpenkreis kann ein Ventil 49 vorgesehen werden, mit dem unerwünschte Strömungen im Pumpenkreis unterbunden werden.

Das Führungsrohr 43 ist gegen den Mantel des Speichergefäßes isoliert oder über eine Verbindung mit niedrigem Wärmeübergangskoeffizienten angeschlossen, vorzugs­ weise aber insgesamt in die Isolierung 8 des Speichergefäßes eingeschlossen. In die Isolierung sollte dabei auch der Pumpenkreislauf mit der Pumpe, gegebenenfalls dem Ventil 48 und den zugehörigen Leitungen eingeschlossen sein.

Heizwarmwasser für den Heizungskreis wird im wesentlichen in Zeiten benötigt, in denen die Wärmezufuhr aus der Solaranlage gering ist, also während der sogenannten Heizperiode. Um über den Wasserbereiter auch in diesen Zeiten das notwendige Warmwasser für die Heizungsanlage und die Brauchwassererwärmung bereitzustellen, ist eine Gas- oder Ölfeuerung 50 vorgesehen, deren Brennkammer 52 im oberen Be­ reich des Speichergefäßes innerhalb des Speichergefäßes angeordnet ist. Die Feue­ rung 50 ist vorzugsweise als Brennwertfeuerung ausgebildet. Zu diesem Zweck ist die Abgasleitung der Brennkammer unterhalb der Brennkammer 52 im Wasserraum des Speichergefäßes nach unten geführt, so daß die Temperatur des Abgases durch Wärmetausch mit dem Wasser so weit wie möglich abgesenkt wird. Die Feuerung wird eingeschaltet, wenn eine vorbestimmte Temperatur des Speicherwassers im oberen Speicherbereich unterschritten wird. Dann steht aufgrund der Temperaturschichtung im oberen Drittel für die Abgasleitung im allgemeinen ein hinreichend großes Tempera­ turgefälle für die Abkühlung der Abgase bis in die Nähe des Taupunktes zur Verfü­ gung.

In Fig. 1 ist als Beispiel eine wendelförmige Abgasleitung 54 dargestellt, deren Auslaß etwa in Höhe von 2/3 bis 3/4 der Speichergefäßhöhe durch die Wandung des Spei­ chergefäßes geführt ist. Eine kompakte Bauweise kann erreicht werden, wenn die Abgasleitung unterhalb der Brennkammer an diese angegossen wird und damit mit dieser aus einem Stück besteht. Die Brennkammer und die Abgasleitung sind mit Rippen zur Erzielung eines optimalen Wärmetausches mit dem Wasser im Speicher versehen.

Die Feuerung 50 ist in der Zeichnung beispielsweise mit einem Gebläsebrenner 56 dar­ gestellt, mit einer Frischluftzufuhr 58, die koaxial innerhalb einer Leitung 60 angeordnet ist, durch die abgekühltes Abgas geführt werden kann und dabei die Frischluft vor­ wärmt. Das sich aus dem Abgas durch die Abkühlung abscheidende Kondensat wird über eine Kondensatleitung 62 abgeführt.

Der Brenner 56 wird in Abhängigkeit von der Temperatur des Wassers im oberen Drit­ tel des Speichergefäßes ein- bzw. ausgeschaltet. Der Brenners ist vorzugsweise für die maximal für die Brauchwassererwärmung benötigte Wärmeleistung ausgelegt, die bei entsprechend der Wärmeverordnung wärmegedämpften Ein- oder Zweifamilien­ häusern die für die Raumheizung aufzubringende Wärmeleistung übersteigt oder doch zumindest dieser im wesentlichen entspricht. Bei üblicher Vorrangschaltung für die Brauchwasserentnahme kommt es bei der Brauchwassererwärmung zu langen Brennereinschaltzeiten. Lange Einschaltzeiten werden dann auch bei der Heizungs­ wassererwärmung erreicht. Lange Brennereinschaltzeiten bedeuten neben der Wirt­ schaftlichkeit auch einen umweltverträglichen Brennerbetrieb.

Durch die beschriebene Anordnung der Brennkammer im oberen Bereich des Spei­ chergefäßes wird nach dem Einschalten des Brenners ein schneller Anstieg der Wassertemperatur in diesem Bereich des Speichergefäßes und damit für die Vorläufe des Brauchwassers bzw. der Heizungswasserkreise erreicht. Das Rücklaufwasser des Heizungskreises hat eine vom Wärmebedarf und damit im wesentlichen von der Außentemperatur bedingte Temperaturdifferenz zum Vorlaufwasser und wird in ent­ sprechender Höhe in das Speichergefäß eingeschichtet. Sein Wärmeinhalt gelangt dann ohne Exergieverluste in den Heizbereich des Brenners und gegebenenfalls seiner Abgasleitung.

Claims (15)

1. Warmwasserbereiter mit
einem mit Wasser gefüllten Speichergefäß (4), mit
einer äußeren Wärmeisolierung,
Anschlüssen für den Vor- (14) und Rücklauf (12) einer Solarkollektoranlage einer­ seits und dem Vor- (16) und Rücklauf (18) einer Warmwasserraumheizung anderer­ seits,
einer im Speichergefäß liegenden Brennkammer (52) einer Gas- oder Ölfeuerung (50) und
einem Durchflußwärmetauscher (36) für Brauchwasser,
gekennzeichnet durch
eine Vorrichtung (22) zum temperaturabhängigen Einschichten des Vorlaufwassers der Solarkollektoranlage im Speicherraum (2),
eine Vorrichtung (24) zum temperaturabhängigen Einschichten des Rücklaufwas­ sers der Raumheizung im Speichergefäß,
die Anordnung des Einlaufes (33) des Vorlaufs (16) der Raumheizung im Bereich des oberen Bodens (34) des Speichergefäßes,
die Anordnung der Brennkammer (52) im oberen Bereich des Speicherraumes, eine senkrechte Anordnung des Wärmetauschers (36) für das Brauchwasser in einem senkrechten Führungsrohr (42, 43), das in seinem oberen und unteren Bereich mit dem Wasser im Bereich des oberen (34) bzw. unteren Bodens (10) des Speicher­ gefäßes in Verbindung steht.

2. Warmwasserbereiter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Ausbildung der Feuerung als Brennwertfeuerung mit einer unterhalb der Brennkammer (52) innerhalb des Speichergefäßes (4) in dessen oberem Drittel angeordneten Abgasführung (54).

3. Warmwasserbereiter nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein als Schraubenwendel ausgebildetes Abgasrohr (54), das vom Ausgang der Brennkammer (53) im oberen Drittel des nach unten durch den Speicherinnenraum verläuft.

4. Warmwasserbereiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasführung über Abstandshalter an die Brennkammer (52) angegossen ist.

5. Warmwasserbereiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor- und Rücklaufanschlüsse (12, 14, 16, 18) der Solaranlage und der Raumheizung im unteren Boden (10) des Speichergefäßes (4) angeordnet sind, der mit dem Speichergefäß lösbar verbunden ist.

6. Warmwasserbereiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wassereinschichtungsvorrichtungen (22, 24) jeweils eine im Speicherinnen­ raum (4) senkrecht angeordnete rohrförmige Führung für das eingespeiste Wasser­ rohr aufweisen, welches mit in Abständen übereinander angeordneten Auslässen (26) mit Klappenventilen versehen ist, die in den Speicherinnenraum (4) öffnen.

7. Warmwasserbereiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Vor- (14) und Rücklauf (12) der Solarkollektoranlage an einen Wärmetauscher (30) angeschlossen sind, der innerhalb der rohrförmigen Führung (22) in dessen unterem Bereich angeordnet ist.

8. Warmwasserbereiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungsrohr (42) mit dem darin angeordneten Wärmetauscher (36) inner­ halb des Speichergefäßes (4) angeordnet und das Führungsrohr (42) an seinem unteren und oberen Ende in Abstand vom oberen bzw. unteren Boden (10, 34) des Speichergefäßes offen ist.

9. Warmwasserbereiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungsrohr (43) mit einer Wärmeisolierung versehen außen am Speichergefäß (4) angeordnet und oben und unten an das Speichergefäß ange­ schlossen ist.

10. Warmwasserbereiter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungsrohr innerhalb der Wärmeisolierung (8) des Speichergefäßes (4) gegen das Speichergefäß isoliert angeordnet ist.

11. Warmwasserbereiter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaltwasservorlauf (34) des Wärmetauschers (36) am unteren Ende des Führungsrohres (43) und der Warmwasservorlauf (40) an dessen oberen Ende angeordnet ist.

12. Warmwasserbereiter nach einem der Ansprüche 8-11, gekennzeichnet durch einen in Abhängigkeit von der Wasserentnahme einschalt­ baren Zwangsumlauf des durch das Führungsrohr (42) abwärts strömenden Was­ sers mit einem im unteren Bereich des Führungsrohrs (42) mündenden Ansaugrohr, einer temperaturgesteuerten (46) Umwälzpumpe (44) und einer in Bodennähe im Speichergefäß mündenden Einlaßleitung (48) für das von der Umwälzpumpe ge­ förderte Wasser.

13. Warmwasserbereiter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Bereich des Führungsrohres (42, 43) ein Temperaturfühler für die Temperatursteuerung (45) der Umwälzpumpe (44) vorgesehen ist.

14. Warmwasserbereiter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende des Führungsrohres über ein Rückschlagventil (49) an den Speicherbehälter angeschlossen ist.

15. Warmwasserbereiter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende des Führungsrohres an den Rücklauf (18) der Raumheizung angeschlossen ist.