DE7835177U1

DE7835177U1 - Vorrichtung zur warmwasserbereitung

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Publication number: DE7835177U1
Application number: DE19787835177U
Authority: DE
Original assignee: Pechiney Ugine Kuhlmann SA
Current assignee: Pechiney Ugine Kuhlmann SA
Priority date: 1977-11-29
Filing date: 1978-11-27
Publication date: 1979-03-15
Also published as: IL56051A; DE2851169A1; PT68835A; IT1160277B; FR2402841B2; IT7830257A0; DE2851169C2; FR2402841A2; IL56051A0; ES475536A2; GR61553B

Description

Die Neuerung bezieht sich auf eine Anlage zur Bereitung von Warmwasser unter Ausnutzung der Sonnenenergie.

Bekannt ist die Wai'mwass erber eitung ausgehend von zwei Energiequellen, nämlich Sonnenenergie und elektrische Energie, wobei die Sonnenenergie sehr weitgehend ausgenutzt und der Verbrauch an elektrischer Energie auf ein Minimum zurückgedrängt wird. Dazu dient eine Vorrichtung, die im wesentlichen aus zwei hintereinander geschalteten Wasserbehältern besteht; der erste Behälter wird über'einen Wärmeaustauscher durch Sonnenenergie beheizt, der zweite Behälter wird elektrisch beheizt. Auf diese Weise wird das in den ersten Behälter eintretende kalte Wasser zunächst mit Sonnenenergie vorerwärmt und dann im zweiten Behälter mit Hilfe elektrischer Energie auf höhere Temperatur gebracht. Mit Hilfe einer Pumpe kann das Wasser in geschlossenem Kreislauf zwischen den beiden Behältern geführt werden, um in manchen Fällen die Wassertemperaturen in beiden Behältern auszugleichen.

Der Warmwasserkreislauf kann dabei über eine thermostatisch gesteuerte Mischbatterie gleichzeitig mit beiden Behältern verbunden werden. Auf diese Weise kann das Wa-sser aus dem mit Sonnenenergie beheizten Behälter entweder unmittelbar mit

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der herrschenden Temperatur genutzt werden oder es wird mit I heisserem Wasser aus dem elektrisch beheizten Behälter ver- | mischt. Andererseits kann gegebenenfalls auch die Temperatur des Wassers aus dem mit Sonnenenergie beheizten Behälter durch Zufuhr von kaltem Wasser aus einer zweiten Mischbatterie, die mit der ersten Mischbatterie in Reihe geschaltet ist, herabgesetzt werden.

Die Praxis hat gezeigt, dass auf diese Weise erhebliche Energieeinsparungen möglich sind. Wird nämlich die thermisch gesteuerte Mischbatterie so eingestellt, dass sie das Wasser bei der für jede Art von Gebrauch notwendigen Temperatur liefert, lässt sich 19in erheblich grösserer Anteil an Wärme, die von der Sonnenenergie beigesteuert wird, entnehmen, als wenn man sich damit begnügt, das Wasser bei der höchsten Temperatur aus dem am stärksten aufgeheizten Behälter zu entnehmen und mit Kaltwasser zu vermischen. Es kann auch in Kreislaufrichtung nach der ersten thermostatisch gesteuerten Mischbatterie eine zweite Mischbatterie angeordnet werden, mit deren Hilfe gegebenenfalls kaltes Wasser zugeführt wird, wenn die Gebrauchstemperatur niedriger ist als die Temperatur in dem mit Sonnenenergie beheizten Behälter.

Nachteilig an dieser bekannten Vorrichtung ist der relativ hohe Preis für die Gesamteinrichtung, bestehend aus zwei Warmwasserbehälter und die hierfür benötigten Leitungen und Armaturen. Der Literpreis für derartige Behälter ist nämlich umgekehrt proportional dem Volumen der Einheiten. Zwei Behälter sind somit wesentlich teurer als ein einziger Behälter mit dem doppelten Volumen; das gleiche gilt für die Installationskosten und den Raumbedarf.

Nach der Neuerung wird anstelle von 2 Wasserbehältern nur ein Wasserbehälter vorgesehen. Durch genaue Festlegung der Lage oder Standorte der Wärmequellen und der Wasserzu- und -ableitungen in Abhängigkeit von der Dimension des Behälters, in dem man in Zonen Wasser unterschiedlicher Temperatur erzeugen kann,

deren Grenzen relativ gut definiert sind und die sich in vollkommen vorherbestimmbarer Weise nach den zeitlichen und örtlichen Bedingungen verschieben bzw. verändern lassen.

Es wurde insbesondere festgestellt, dass man -in gleicher Weise wie in einer Vorrichtung mit 2 Wasserbehältern- aus 2 verschiedenen Zonen des einzigen Behälters Wasser von unterschiedlicher Temperatur abziehen und mit Hilfe einer Mischbatterie Wasser der gewünschten Temperatur erhalten kann.

Es wurde weiterhin festgestellt, dass man gegebenenfalls die elektrische Heizung durch eine andere Art der Wärmezufuhr ersetzen kann, beispielsweise durch einen zweiten Wärmeaustauscher, dessen Übertragungsmedium seinerseits von einer anderen Wärmequelle als Sonnenenergie aufgeheizt wird, oder durch eine Gasheizung.

Die Neuerung wird an Hand der Zeichnung und des Beispiels näher erläutert.

In der Zeichnung ist schematisch die neue Vorrichtung gezeigt.·- Der Wasserbehälter 1 ist in diesem Falle ein Blechzylinder mit vertikaler Achse, dessen Höhe vorzugsweise mindestens das zweifache des Durchmessers beträgt. Er ist zu beiden Seiten durch beliebig geformte Böden abgeschlossen. Im unteren Bereich ist ein Wärmeaustauscher -beispielsweise in Form eines Schlangenrohres 2- über Leitungen 3 mit einem oder mehreren (nicht gezeigten) Sonnenkollektoren verbunden. Ein flüssiger Wärmeträger, der in den Leitungen im geschlossenen Kreislauf umläuft, stellt in bekannter Weise den Transport der von den Sonnenkollektoren eingefangenen Wärmeenergie zu den im Behälter befindlichen V/asser über das Schlangenrohr 2 sicher. Eine Widerstandsheizung 4 ist in der oberen Hälfte des Wasserbehälters vorgesehen und wird über einen Thermostat geregelt, dessen Thermofühler 5 auf einer Höhe angeordnet ist, die praktisch das elektrisch zu heizende Volumen bestimmt.

Das Kaltwasser wird über die Leitung 6 unten in den Behälter zugeführt, wobei durch ein Ablenkblech 7 sich das kalte Wasser in gleichmässiger Schicht im unteren Teil des Bodens verteilt und gleichmässig die darüberliegende Warmwasserschicht anhebt in der Art eines Kolbens, wobei ein Vermischen der beiden Schichten auf ein Minimum zurückgedrängt wird.

Es sind 2 Warmwasserleitungen 8 und 9 vorgesehen, nämlich Leitung 8 oben und Leitung 9 in der oberen Hälfte des Behälters jedoch etwas unter dem Thermostaten 5.

Die thermostatisch gesteuerte Mischbatterie 10 wird von beiden Warmwasserleitungen 8, 9 gespeist. Eine zweite thermostatisch gesteuerte Mischbatterie 11 wird aus der ersten Mischbatterie 10 gespeist und ist über die Leitung 12 mit der Kaltwasser^· leitung 6 verbunden. Das Wasser mit der gewünschten Temperatur wird aus der Mischbatterie über die Leitung 13 entnommen. Man kann auf diese Weise -wenn gewünscht- die Temperatur des Warmwassers aus 9 auf eine niedere Temperatur einstellen. Dies ist von besonderem Vorteil in Zeiten starker Sonnenstrahlung. Man kann auch eine kombinierte thermostatisch gesteuerte Mischbatterie 10 +.11 vorsehen, die die maximale Wasserentnahme über 9 sicherstellt.

Eine Rücklaufleitung 14 zwischen Kopf und Boden des Behälters enthält ein Rückschlagventil 15 und eine Umlaufpumpe 16, die das Wasser von oben nach unten fördert und.damit ein Durchmischen des Wassers im Behälter bewirkt.

Die Leitung 14 kann im Isoliermantel des Behälters liegen oder auch im Innern des Behälters angeordnet sein, wobei dann die Umwälzpumpe 16 beispielsweise auf einem im Inneren des Behälters •fixierten Träger montiert ist. Es kann auch die Leitung 14 entfallen und der Wasserumlauf durch die Wärmeströmung im Inneren des Behälters mit Hilfe einer WärmeUbertragungs-Rohr, (Caloduc) erfolgen, die vertikal im Innern des Behälters angeordnet ist.

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Diese Einrichtung wird in a:.i sich bekannter Weise mit Hilfe eines ausserhalb des Behälters angeordneten Regelorgans ein- und ausgeschaltet, das seinerseits wie die Umwälzpumpe 6 betätigt werden kann.

Ein Thermofühler 17 ist vorzugsweise etwas unter der Widerstandsheizung 4 vorgesehen.

Ein elektrischer Stromkreis, der in allen Punkten dem der oben erwähnten bekannten Vorrichtung entspricht, ermöglicht die nachfolgend beschriebene Arbeitsweise.

Die Erfahrung hat vor allem gezeigt, dass -wenn der Thermofühler 17 auf eine Temperatur T^ eingestellt wird, die beispielsweise um 10 - 20 K unter der Temperatur T des Thermostaten 5 liegt und wenn die Gesamtanlage bei durchschnittlicher Sonneneinstrahlung arbeitet- sich im Behälter, sofern kein Wasser abgezogen wird, 2 Wasserschichten mit unterschiedlicher Temperatur ausbilden: eine obere Schicht mit der Temperatur T_?> die durch den Thermostaten 5 bedingt ist, und die untere Schicht sich bei einer Temperatur 1" befindet, wobei T,<^T. . Die vorgegebene Temperatur T>, ist ausreichend hoch eingestellt, dass sie nur bei starker Sonneneinstrahlung erreicht wird. Die Grenze zwischen den beiden Wasserschichten -wenn kein Wasser entnommen wird- liegt unmittelbar unter dem Thermostaten 5, d.h. auf etwa

3/4 der Höhe des in der Figur gezeigten Behälters.

Unter diesen Bedingungen findet eine besonders wirtschaftliche Nutzung im gesamten Temperaturbereich zwischen T^ und T„ statt. Bei Jeder Wasserentnahme wird, indem die Mischbatterie 10 auf

eine Temperatur zwischen T, und Tp einreguliert wird, über die Leitungen 8 und 9 Wasser abgezogen, das aus den beiden vorhandenen Schichten stammt. Wenn man Wasser bei einer Temperatur = Τ, benötigt, wird es ausschliesslich aus der unteren Schicht über 9 entnommen.

Dieser Entnahmemechanismus ermöglicht eine maximale Ausnutzung der eingestrahlten Sonnenenergie.

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Das entnommene Wasser wird automatisch durch eine gleiche Menge Kaltwasser mit Temperatur Tq ersetzt, das allmählich die untere Zone des Behälters, beginnend bei 6, auffüllt. Nach Entnahme einer bestimmten Menge Warmwasser entsteht somit eine Kaltwasserschicht mit Temperatur Tq in der unteren Zone während sich gleichzeitig die Grenze zwischen den Wasserschichten mit den Temperaturen T-, und Tp hebt, abhängig von der Menge des über 8 und 9 entnommenen Wassers<■ Die Versuche haben ergeben, dass in der Praxis der Wärmeaustausch zwischen den übereinanderliegenden Wasserschichten mit T_Q, T, und T außerordentlich gering ist. Es lassen sich daher über die Leitungen 8 oder 9 etwa 80 90% der Wassermenge abziehen*, die entweder in der oberen oder unteren Zone enthalten ist, ohne dass die Temperatur des austretenden Wassers um mehr als nur einige Grad gegenüber der ursprünglichen Temperatur absinkt.

Die anderen Arbeitsbedingungen -wie bekannt- lassen sich mit die ser Vorrichtung in gleicher Weise einhalten.

Bei starker Sonneneinstrahlung kann daher T die. vorgegebene Temperatur T erreichen; dadurch wird die elektrische Heizung abgeschaltet und durch Inbetriebnahme der Umwälzpumpe die Temperatur im gesamten Behälter auf einen Wert von>T„ ausgeglichen Bei geringer oder gar keiner Sonneneinstrahlung arbeitet die elektrische Heizung alleine; sie beheizt ausschliesslich die obere Zone oder mit Hilfe der Umwälzpumpe den Gesamtinhalt des Behälters.

Die neue Vorrichtung mit nur einem Behälter ist ausserordentlich anpassungsfähig und bietet alle Möglichkeiten wie die bekannte Vorrichtung mit 2 Behältern. Sie bietet gegenüber der bekannten Vorrichtung erhebliche wirtschaftliche Vorteile sowie Vorteile hinsichtlich der Konstruktion und der Installation. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass dank der kompakten Ausführungsform und den kürzeren und wenigeren Leitungen die Wärmeverluste geringer sind als in der Vorrichtung mit 2 Behältern.

Die Ausbildung der Wasserschichten mit unterschiedlichen Temperaturen ist umso besser und beständiger, je höher der Behälter im Verhältnis zu seinem Durchmesser ist. In diesem Falle können

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jedoch Verluste an Wärmeenergie eintreten. Bevorzugt wird deshalb ein Verhältnis von Höhe zu maximalem Durchmesser (Breite) von 2 bis 6 und meistens eine zylindrische Form des Behälters mit vertikaler Achse. i

Die Ausbildung der Wasserschichten kann auch dadurch verstärkt werden, dass an entsprechenden Stellen im Behälter ein oder mehrere Leit- oder Lochblech(e) vorgesehen ist (sind), das (die) die Wärmekonvektion und damit die Durchmischung | des Wassers einschränken soll. *

Die Lage der elektrischen Heizung bestimmt die maximale Wassermenge, die auf die Temperatur T₂ gebracht werden kann. Die Wahl dieser Lage hängt stark von den Gebrauchsbedingungen und den klimatischen Verhältnissen ab. Allgemein befindet sich die * elektrische Heizung zwischen einem 1/4 oder 2/3 oder 3/4 der Höhe des Wasserbehälters. Es ist auch möglich, die elektrische Heizung höher oder tiefer anzuordnen, abhängig von den klimatischen Bedingungen, oder auf andere Weise das elektrisch beheizte Volumen den gerade vorherrschenden Bedürfnissen anzupassen.

Claims

1. Vorrichtung zur Warmwasserbereitung zumindest teilweise durch Sonnenenergie gekennzeichnet durch einen Behälter (1), dessen Höhe grosser ist als der breites Lo Querschnitt, in dessem unteren Teil die mit Sonnenenergie betriebene Heizung angeordnet ist und sich eine nicht mit Sonnenenergie betriebene Heizung =1/4 der Behälterhöhe über dem Boden vorgesehen ist. in dem Bereich des Behälterbodens eine Zuleitung für Kaltwasser (6) einmündet, eine Warmwasserentnahmeleitung (8) in dem oberen Teil des Behälters und eine zweite (9) etwas unter der nicht mit Sonnenenergie betriebenen Heizung vorgesehen sind und beide Untnahmeleitungen in eine Mischbatterie (10) und zur Wasserentnahme führen.

2„ Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeich net, dass der untere und der obere Teil des Behälters über eine Rücklaufleitung (14) mit Rückschlagventil (15) und Umwälzpumpe (16) zur Förderung des V/assers von oben nach unten versehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass eine 2. Mischbatterie (11) in Reihe mit der 1.. Mischbatterie zur Zumischung von Kaltwasser zu Warmwasser vorgesehen ist.