EP3156739A1

EP3156739A1 - Wasserspeicher

Info

Publication number: EP3156739A1
Application number: EP16193963.2A
Authority: EP
Inventors: Helmut Schmiedbauer-Wenig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-10-14
Filing date: 2016-10-14
Publication date: 2017-04-19

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wasserspeicher (1), aufweisend einen Flüssigkeitswärmetauscher (3) sowie Heizelement (4). Um eine besonders effiziente Aufheizung von Wasser zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Wasserspeicher (1) ein gekrümmtes Rohr (2), insbesondere ein Edelstahlrohr, zur Aufnahme von zu erwärmendem Wasser mit einem ersten Ende (10) und einem zweiten Ende (11) aufweist, in welchem der Flüssigkeitswärmetauscher (3) sowie das Heizelement (4) angeordnet sind, wobei das Heizelement (4) zumindest teilweise oberhalb des Flüssigkeitswärmetauschers (3) positioniert ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Verwendung eines derartigen Wasserspeichers (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Wasserspeicher, aufweisend einen Flüssigkeitswärmetauscher sowie ein Heizelement.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Verwendung eines derartigen Wasserspeichers.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Wasserspeicher der eingangs genannten Art bekannt geworden, um beispielsweise in Wohnhäusern benötigtes Warmwasser bereitstellen zu können. Nachteilig bei Wasserspeichern des Standes der Technik ist, dass ein Bereitstellen von warmem bzw. heißem Wasser nur auf kostenintensive Weise möglich ist. Einerseits erfolgt ein Aufheizen des Wassers in der Regel mit elektrischer Energie oder konventionellen Brennstoffen. Andererseits benötigen Wasserspeicher des Standes der Technik einen relativ großen Bauraum, sodass insbesondere bei teuren Innenstadtgebäuden bereits ein beträchtlicher Teil der Baukosten bzw. des Wohnraumes dazu verwendet werden muss, um Raum für den Wasserspeicher bereitzustellen.
Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wasserspeicher der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem eine Bereitstellung von warmem Wasser auf besonders effiziente und somit kostengünstige Weise möglich ist.
Darüber hinaus soll eine Verwendung eines derartigen Wasserspeichers angegeben werden.
Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wasserspeicher der eingangs genannten Art gelöst, welcher ein gekrümmtes Rohr, insbesondere ein Edelstahlrohr, zur Aufnahme von zu erwärmendem Wasser mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende aufweist, in welchem der Flüssigkeitswärmetauscher sowie das Heizelement angeordnet sind, wobei das Heizelement zumindest teilweise oberhalb des Flüssigkeitswärmetauschers positioniert ist.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass Energiekosten reduziert werden können, wenn das Heizelement über dem Flüssigkeitswärmetauscher angeordnet ist. So kann der Flüssigkeitswärmetauscher mit einer kostengünstigen Niedertemperaturquelle wie einer Wärmepumpe, einer Niedertemperatur-Geothermie-Anlage oder dergleichen betrieben werden. Erwärmtes Wasser weist eine geringere Dichte als kaltes Wasser auf, weswegen im Wasserspeicher durch den Flüssigkeitswärmetauscher erwärmtes Wasser aufsteigt und erst anschließend das Heizelement erreicht. Durch das Heizelement muss das Wasser somit nur mehr um jene Temperaturdifferenz erwärmt werden, um welche eine gewünschte Temperatur des warmen bzw. heißen Wassers im Gebäude eine Temperatur des durch die Niedertemperaturquelle erwärmten Flüssigkeitswärmetauschers übersteigt.
Der Flüssigkeitswärmetauscher ist üblicherweise als Rohrregister-Wasser-Wasser-Wärmetauscher oder dergleichen ausgebildet und kann mit einem von einer zentralen Heizung stammenden warmen Heizungswasser als Heizungsvorlauf angeströmt werden. Ein Rücklauf des Flüssigkeitswärmetauschers kann dann zur zentralen Heizung, beispielsweise einer durch eine Wärmepumpe mit Niedertemperaturwärme versorgten Heizung, zurückströmen.
Ein gekrümmtes Rohr zur Aufnahme des zu erwärmenden Wassers hat sich als besonders günstig erwiesen, weil sich dadurch eine vorteilhafte Strömung von im Wasserspeicher befindlichen Wasser ergibt, sodass kaltes Wasser zuerst durch den Flüssigkeitswärmetauscher und erst anschließend durch das Heizelement erwärmt wird. Darüber hinaus kann der Wasserspeicher dann auch besonders kostengünstig hergestellt werden, indem nämlich ein Rohr einfach entsprechend gebogen wird. Somit kann auf kostenintensive übliche Schweißkonstruktionen von Wasserspeichern weitgehend verzichtet werden, welche mit einem entsprechenden Korrosionsschutz wie Anoden versehen werden müssen.
Ferner hat sich die Ausbildung des Wasserspeichers mit einem gekrümmten Rohr besonders bewährt, um bei gleichem Fassungsvermögen einen flachen Wasserspeicher zu erreichen, welcher beispielsweise in einer Wand eines Gebäudes, insbesondere in einer Innenwand, angeordnet werden kann. Dadurch ergibt sich eine bessere Integrierbarkeit des Wasserspeichers in Räume, sodass durch den benötigten Bauraum bedingte Kosten reduziert werden, welche in Großstädten bereits etwa im Bereich von 1.500 bis 3.500 Euro pro Quadratmeter liegen. In der Regel ist das Rohr derart gekrümmt, dass zumindest bereichsweise wenigstens zwei Rohrabschnitte nebeneinander angeordnet sind, beispielsweise indem das Rohr schneckenförmig oder meanderförmig gekrümmt ist.
Um eine Ausbeutung einer Niedertemperaturwärmequelle zu maximieren, ist es günstig, wenn der Flüssigkeitswärmetauscher gänzlich unterhalb des Heizelementes angeordnet ist. Dadurch wird auf effektive Weise verhindert, dass kaltes Wasser gleichzeitig durch das Heizelement und den Flüssigkeitswärmetauscher erwärmt wird. Der Flüssigkeitswärmetauscher kann dabei seitlich unter dem Heizelement oder direkt vertikal unter dem Heizelement angeordnet sein. In letzterem Fall können Heizelementzuleitungen durch den Flüssigkeitswärmetauscher, insbesondere vertikal im Flüssigkeitswärmetauscher, geführt sein. Um dennoch zu verhindern, dass durch gegebenenfalls auch als Heizung wirkende Heizelementzuleitungen Wasser erwärmt wird, welches noch nicht durch den Flüssigkeitswärmetauscher erwärmt wurde, kann zwischen den Heizelementzuleitungen und dem Flüssigkeitswärmetauscher einer thermische Isolation vorgesehen sein, beispielsweise ein Auftriebsrohr. Unter dem Heizelement wird hier eine thermisch aktive bzw. heiße Zone einer Heizeinrichtung verstanden, üblicherweise eine Heizspirale. Die Heizeinrichtung kann darüber hinaus natürlich Zonen aufweisen, welche bei einem Betrieb nicht erhitzt werden. Diese thermisch nicht aktiven Zonen der Heizeinrichtung können unabhängig von einer Position des Flüssigkeitswärmetauschers angeordnet werden, also auch unterhalb des Flüssigkeitswärmetauschers. Ferner kann die Heizeinrichtung auch Heizelementzuleitungen aufweisen, welche ebenfalls unabhängig vom Flüssigkeitswärmetauscher positioniert werden können. Diese Heizelementzuleitungen werden üblicherweise jedoch thermisch gegenüber dem Flüssigkeitswärmetauscher isoliert, in der Regel mit einem Auftriebsrohr.
Das Heizelement ist üblicherweise als elektrisches Heizelement insbesondere als Elektroheizkörper ausgebildet. Selbstverständlich kann das Heizelement jedoch auch als mittelbar oder unmittelbar durch einen fossilen Energieträger erwärmte Einrichtung ausgebildet sein, beispielsweise als mit einem Heizkessel verbundener Flüssigkeitswärmetauscher wie ein Wasser-Wasser-Wärmetauscher mit einer höheren Temperatur als der mit der Niedertemperaturquelle verbundene Flüssigkeitswärmetauscher. Alternativ oder ergänzend kann das Heizelement auch durch Biomasse, industrielle Abwärme, Hochtemperatur-Geothermie oder Solarenergie mit Energie versorgt werden. Unabhängig davon, wie das Heizelement mit Energie versorgt wird, ist eine Temperatur des Heizelementes bei einem Betrieb bzw. einem Aufheizvorgang üblicherweise höher als eine Temperatur des Flüssigkeitswärmetauschers.
Selbstverständlich können auch mehrere Flüssigkeitswärmetauscher bzw. Heizelemente im Wasserspeicher angeordnet sein. Dabei wird üblicherweise eine Temperatur der einzelnen Flüssigkeitswärmetauscher bzw. Heizelemente derart gewählt, dass mit zunehmender Höhe, mit welcher diese Einrichtungen im Wasserspeicher positioniert sind, eine Betriebstemperatur der Flüssigkeitswärmetauscher bzw. Heizelemente steigt, sodass die Betriebstemperatur der Flüssigkeitswärmetauscher bzw. Heizelemente einer Temperaturschichtung im Wasserspeicher entspricht.
Eine Integrierbarkeit des Wasserspeichers in eine Wand oder eine Decke eines Gebäudes wird auf besonders einfache Weise erreicht, wenn sich das Rohr im Wesentlichen in einer Ebene erstreckt. Das Rohr kann dabei beispielsweise meanderförmig, schneckenförmig oder spiralförmig gekrümmt sein.
Eine günstige Wärmeübertragung im Wasserspeicher wird bei gleichzeitig vorteilhafter Raumausnutzung erreicht, wenn das Rohr etwa spiralförmig ausgebildet ist. Dadurch kann auch eine günstige Herstellbarkeit erreicht werden. Üblicherweise ist das Rohr etwa in Form einer elliptischen Spirale bzw. ähnlich einer Büroklammer gebogen, sodass bei geringem Bauraum eine große Speicherkapazität erzielt wird.
Um den Wasserspeicher auf einfache Weise warten zu können, hat es sich bewährt, dass das erste Ende des Rohres mit einem ersten Verschluss verschlossen ist, durch welchen Anschlüsse des Heizelementes ragen. Der Verschluss kann beispielsweise als in das Rohr einschraubbarer oder mit dem Rohr verschraubbarer Flansch ausgebildet sein.
Günstig ist es, wenn der erste Verschluss zur reversiblen Entnahme und Fixierung des Heizelementes im Rohr ausgebildet ist, insbesondere als Flansch mit einer Aufnahmeverschraubung für das Heizelement.
Es ist von Vorteil, wenn Heizelementzuleitungen des Heizelementes zumindest teilweise im Rohr angeordnet und von einem Auftriebsrohr umgeben sind. Dadurch wird einerseits eine günstige Herstellbarkeit erreicht, weil das Heizelement dann einfach an einem Ende in das Rohr eingeführt werden kann. Andererseits kann das Heizelement dann auch einfach entnommen werden, sodass der Wasserspeicher einfach zu warten ist. Durch Anordnung eines Auftriebsrohres um die Heizelementzuleitungen des Heizelementes wird erreicht, dass durch die Heizelementzuleitungen, welche auch als Pfähle ausgebildet sein können und in der Regel selbst heiß sind bzw. als Elektroheizkörper wirken, erhitztes Wasser nur im Auftriebsrohr aufsteigt und somit aufgrund eines Dichteunterschiedes zum Heizelement transportiert wird. Dadurch wird einerseits eine günstige Schichtung im Wasserspeicher erreicht. Andererseits ist somit durch das Auftriebsrohr auch eine thermische Trennung der heißen Heizelementzuleitungen des Heizelementes von einem in einem unteren Bereich des Wasserspeichers befindlichen Wasser gegeben, welches in thermischem Kontakt mit dem relativ zum Heizelement kühleren Flüssigkeitswärmetauscher steht. Dadurch wird gewährleistet, dass durch das Heizelement das Wasser nur um jene Temperaturdifferenz erhitzt werden muss, um welche eine gewünschte Heißwassertemperatur sich von einer Temperatur der Niedertemperaturwärmequelle bzw. des Flüssigkeitswärmetauschers unterscheidet. Ein Eintreten von Wasser in das üblicherweise oben offene Auftriebsrohr kann einfach durch bodenseitige und/oder seitliche Auftriebsrohraussparungen erreicht werden.
Das üblicherweise als Elektroheizkörper ausgebildete Heizelement kann auch über einem Zentrum des Flüssigkeitswärmetauschers angeordnet sein. Dies ist besonders dann günstig, wenn das Heizelement direkt vertikal oberhalb des Flüssigkeitswärmetauschers positioniert ist. Wenn der Flüssigkeitswärmetauscher eine Rohrwendel aufweist, können die Heizelementzuleitungen dabei durch die Rohrwendel geführt sein, wobei mit Vorteil zwischen Rohrwendel und Heizelementzuleitungen ein Auftriebsrohr angeordnet ist.
Für eine günstige Herstellbarkeit und Wartbarkeit ist es ferner vorteilhaft, wenn das zweite Ende des Rohres mit einem zweiten Verschluss verschlossen ist, durch welchen Wärmetauscherzuleitungen des Flüssigkeitswärmetauschers ragen. Es kann somit der Flüssigkeitswärmetauscher auf einfache Weise montiert und gegebenenfalls getauscht werden.
In dem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn der zweite Verschluss zur reversiblen Entnahme und Fixierung des Flüssigkeitswärmetauschers im Rohr ausgebildet ist, insbesondere als Flansch mit einer Aufnahmeverschraubung für den Flüssigkeitswärmetauscher.
Um eine günstige Temperaturschichtung von im Wasserspeicher befindlichen Wasser zu erreichen und auszunutzen, hat es sich bewährt, dass eine Kaltwasserzuleitung für Kaltwasser in das Rohr ragt und in einen unteren Bereich des Rohres mündet. Somit wird Kaltwasser in jenem Bereich des Rohres zugeführt, in welchem das Wasser auch im Betrieb aufgrund der durch den Dichteunterschied bedingten Temperaturschichtung eine minimale Temperatur erreicht.
Die Kaltwasserzuleitung ist üblicherweise so ausgerichtet, dass bei Entnahme von heißem Wasser gleichzeitig ein einströmendes Kaltwasser sowohl den Flüssigkeitswärmetauscher als auch das Heizelement umspült und durch diese erzwungen Strömung Wärmetauscherwirkungsgrade deutlich über jenen ohne Warmwasserentnahme, also nur mit Thermosysphon-Auftriebswirkung der anliegenden Flüssigkeit, liegen. Mit Vorteil wirkt der Wasserspeicher bei einer Warmwasserentnahme als Durchlauf-Erhitzer für Wasser, sodass unbegrenzt Heiß- bzw. Warmwasser abgegeben werden kann. Durch einen dadurch erzielten Effekt einer Wärmetauscherleistungserhöhung durch erzwungen Umströmung des Flüssigkeitswärmetauscher und des Heizelements wird somit verglichen mit Wasserspeichern des Standes der Technik eine höhere Entnahmekapazität erreicht.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn eine Entnahmeleitung für erhitztes Wasser in das Rohr ragt und in einen oberen Bereich des Rohres mündet. Aufgrund der sich beim erfindungsgemäßen Wasserspeicher einstellenden Temperaturschichtung wird somit durch die Entnahmeleitung jenes Wasser entnommen, welches im Wasserspeicher die maximale Temperatur hat. Durch eine Führung der Entnahmeleitung zumindest teilweise im Wasserspeicher wird auch auf einfache Weise verhindert, dass eine von der Entnahmeleitung abgegebene Wärme bzw. Wärmeverluste der Entnahmeleitung an eine Umgebung abgegeben werden.
Mit Vorteil sind das Heizelement im Bereich des ersten Endes des Rohres und der Flüssigkeitswärmetauscher im Bereich des zweiten Endes des Rohres angeordnet. Dadurch ist ein Austausch der einzelnen Einrichtungen, also sowohl des Heizelementes als auch des Flüssigkeitswärmetauschers, unabhängig von einem Tausch der jeweils anderen Einrichtung möglich.
Eine vorteilhafte Aufheizung des im Wasserspeicher befindlichen Wassers ergibt sich, wenn ein an das erste Ende angrenzender erster Bereich und ein an das zweite Ende angrenzender zweiter Bereich des Rohres nebeneinander angeordnet sind, insbesondere parallel.
In dem Zusammenhang hat es sich bewährt, dass der erste Bereich und der zweite Bereich einen Abstand von weniger als einem Durchmesser des Rohres aufweisen. Dadurch wird eine sehr günstige Raumausnutzung erreicht.
Vorteilhaft ist es, wenn eine erste Verbindungsleitung vorgesehen ist, welche das erste Ende direkt mit dem zweiten Bereich verbindet. Es ist dann ein Flüssigkeitsaustausch zwischen erstem Bereich und zweitem Bereich nicht nur durch das Rohr selbst, sondern auch durch die Verbindungsleitung möglich, sodass sich eine vorteilhafte Strömung im Rohr ergibt, wenn der Flüssigkeitswärmetauscher und das Heizelement erwärmt sind. Üblicherweise hat die Verbindungsleitung einen geringeren Durchmesser als das Rohr. Durch den sich daraus ergebenden Strömungswiderstand wird gewährleistet, dass Wasser erst dann vom Flüssigkeitswärmetauscher durch die Verbindungsleitung zum Heizelement im ersten Bereich transportiert wird, wenn das Wasser durch den Flüssigkeitswärmetauscher auf die Temperatur der Niedertemperaturquelle erwärmt wurde, sodass eine Aufheizung von kaltem Wasser durch das Heizelement vermieden wird.
Eine Aufheizung von kaltem, höhenmäßig unter dem Heizelement befindlichen Wasser wird durch einen Dichteunterschied zu höher gelegenem Wasser vermieden, weil kälteres Wasser ein höheres spezifisches Gewicht aufweist.
Ferner ist es günstig, wenn eine zweite Verbindungsleitung vorgesehen ist, welche das zweite Ende direkt mit dem ersten Bereich verbindet. Üblicherweise ist das zweite Ende oberhalb des ersten Endes angeordnet. Über die zweite Verbindungsleitung kann somit ebenfalls durch den Flüssigkeitswärmetauscher bereits erwärmtes Wasser zum ersten Bereich transportiert werden, um dort vom Heizelement auf eine gewünschte Temperatur aufgeheizt zu werden. Darüber hinaus kann diese zweite Verbindungsleitung als Entlüftung des zweiten Endes dienen, um zu verhindern, dass sich am zweiten Ende eine Luftblase bildet.
Alternativ zu einer ersten Verbindungsleitung und einer zweiten Verbindungsleitung können das erste Ende und das zweite Ende des Rohres auch großflächig miteinander verbunden werden, sodass sich ein in sich geschlossenes Rohr bzw. eine Ringleitung mit geringem Strömungswiderstand ergibt.
Voreilhaft ist es, wenn ein definierter Bereich in der Größenordnung kleiner oder gleich des Rohrdurchmessers oberhalb des ersten Endes des gekrümmten Rohres verbleibt, in welchem definierten Bereich keine wie auch immer geartete Verbindung zum zweiten Ende des Rohres bzw. eines Rohrabschnittes vor dem zweiten Ende des Rohres besteht, insbesondere keine Verbindungsleitung zum zweiten Bereich. In diesem definierten Bereich sollten sich ebenfalls noch keine bodenseitigen und/oder seitlichen Auftriebsrohraussparungen befinden.
In diesem definierten Bereich, welcher in der Regel eine am tiefsten gelegene Position des ersten Bereiches bildet, können sich gegebenenfalls Kalk oder ähnliche Ablagerungen aus dem Wasser ansammeln, welche durch den Betrieb des Heizelementes mit hohen Temperaturen aus dem Wasser abgetrennt werden und absinken. Durch einen am ersten Ende des Rohres angebrachten Flansch können diese Ansammlungen im Zuge einer Wartung entfernt werden.
Das Heizelement ist üblicherweise im ersten Bereich oberhalb des Flüssigkeitswärmetauschers bzw. oberhalb des zweiten Endes des Rohres angeordnet. Heizelementzuleitungen des Heizelementes ragen dabei vom ersten Ende des Rohres bis zum Heizelement und sind üblicherweise von einem eine thermische Isolierung zum Flüssigkeitswärmetauscher darstellenden Auftriebsrohr umgeben, um eine unerwünschte Aufheizung von Wasser in einem Bereich unterhalb des Heizelementes bzw. in einem Bereich des Flüssigkeitswärmetauschers zu vermeiden. Es ist daher vorteilhaft, wenn ein Auftriebsrohr zwischen dem ersten Ende und der zweiten Verbindungsleitung angeordnet ist. Ferner ist es zur Vermeidung einer unerwünschten Aufheizung von in Kontakt mit dem Flüssigkeitswärmetauscher stehenden Wasser günstig, wenn der erste Bereich mit dem zweiten Bereich nur durch zwei Verbindungsleitungen verbunden ist, welche einen geringeren Durchmesser als das Rohr aufweisen.
Ferner ist es zur Vermeidung einer unerwünschten Aufheizung von in Kontakt mit dem Flüssigkeitswärmetauscher stehendem Wasser durch die Heizelementzuleitungen günstig, wenn das Auftriebsrohr nur in radialer Richtung, jedoch nicht axial, wie eine thermische Isolierung wirkt. Im Inneren des Auftriebsrohres erwärmen die Heizelementzuleitungen dann die Flüssigkeit, welche durch den dabei entstehenden Auftrieb nach oben strömt und oberhalb des Auftriebsrohres verbleibt. Dadurch ist gewährleistet, dass relativ große elektrische Leistungen des Heizelements samt den Zuleitungen in einer sehr schlanken Bauweise in den Wasserspeicher integriert sind. Gleichzeitig können somit auch die heißen Heizelementzuleitungen auf derselben Höhe wie der Flüssigkeitswärmetauscher angeordnet sein, ohne dass Wasser, welches noch nicht durch den Flüssigkeitswärmetauscher erwärmt ist, durch vergleichsweise teure Energie mittels der Heizelementzuleitungen erwärmt wird.
Der Wasserspeicher kann auf besonders einfache Weise gewartet werden, wenn der Flüssigkeitswärmetauscher eine Rohrwendel aufweist und Heizelementzuleitungen des Heizelementes in der Rohrwendel angeordnet sind. Das Heizelement und der Flüssigkeitswärmetauscher sind dann gleichzeitig zugänglich, sodass beispielsweise wenn der Flüssigkeitswärmetauscher und das Heizelement in einem an das erste Ende angrenzenden Bereich positioniert sind, beide Einrichtungen nach Öffnen eines das erste Ende verschließenden Flansches gewartet werden können. Um eine Aufheizung von in Kontakt mit der Rohrwendel stehendem Wasser durch die Heizelementzuleitungen zu verhindern, ist üblicherweise ein Auftriebsrohr zwischen der Rohrwendel und den Heizelementzuleitungen angeordnet.
Bei einem Gebäude wie einem Wohnhaus oder dergleichen mit einem Wasserspeicher ist es vorteilhaft, wenn der Wasserspeicher erfindungsgemäß ausgebildet ist. Es kann dann ein benötigtes Heißwasser unter Verwendung einer Niedertemperaturquelle wie einer Wärmepumpe aufgeheizt werden, sodass mittels des Heizelementes eine Aufheizung nur noch um eine reduzierte Temperaturdifferenz erfolgen muss.
Eine günstige Raumausnutzung des Gebäudes ergibt sich, wenn der Wasserspeicher in einer Wand des Gebäudes angeordnet ist.
Üblicherweise ist der Flüssigkeitswärmetauscher mit einer Niedertemperaturwärmequelle wie einer Wärmepumpe verbunden. Dadurch wird eine zusätzlich benötigte Energie zur Erhitzung des Wassers minimiert.
Mit Vorteil ist der Wasserspeicher derart ausgebildet, dass eine Bevorratung einer definierten Trink- oder Nutzwassermenge in einem höheren Volumenteil des Speichers lediglich kleinere Nachheizleistungen aller beteiligten Wärmetauscher ermöglicht, da ein bevorratetes Wasservolumen über einen längeren Zeitraum hinweg mit kleiner Wärmeleistung erhitzt werden kann. Dieser Zeitraum kann deutlich über einem Zapfzeitraum, also einer Zeit, in welcher Wasser verbraucht wird, liegen bzw. ein Vielfaches davon sein.
Die weitere Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, wenn ein erfindungsgemäßer Wasserspeicher zur Aufheizung von Wasser eines Gebäudes wie eines Wohnhauses verwendet wird.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiele. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Wasserspeicher;
Fig. 2 einen weiteren erfindungsgemäßen Wasserspeicher.

Fig. 1 und 2 zeigen erfindungsgemäße Wasserspeicher 1 in schematischer Darstellung mit jeweils einem gekrümmten Rohr 2 mit einem verschlossenen ersten Ende 10 und einem verschlossenen zweiten Ende 11, einem Heizelement 4 und einem Flüssigkeitswärmetauscher 3. Bei den Wasserspeichern 1 sind die Rohre 2 jeweils derart gekrümmt, dass mehrere Rohrabschnitte nebeneinander angeordnet sind.
Der in Fig. 1 dargestellte Wasserspeicher 1 weist ein etwa elliptisch spiralförmig gekrümmtes Rohr 2 auf. In dem vorzugsweise aus Edelstahl bestehenden Rohr 2 ist in einem an ein erstes Ende 10 angrenzenden ersten Bereich 12 ein als Heizspirale ausgebildetes Heizelement 4 angeordnet. Alternativ kann das Rohr 2 auch aus einem anderen Werkstoff bestehen, insbesondere auch aus einem temperatur- und druckfesten Kunststoff, einem keramischen Material oder anderen temperatur- und druckfesten Materialien.
Heizelementzuleitungen 5 des Heizelementes 4 sind durch ein Auftriebsrohr 19 und einen das erste Ende 10 verschließenden Flansch 9 geführt, um das Heizelement 4 mit elektrischer Energie versorgen und in Kontakt mit den Heizelementzuleitungen 5 stehendes Wasser im Inneren des Auftriebsrohres 19 erwärmen zu können. Durch das in radialer Richtung thermisch isolierende Auftriebsrohr 19 wird sichergestellt, dass durch die Heizelementzuleitungen 5 kein mit dem Flüssigkeitswärmetauscher 3 in Kontakt stehendes Wasser erwärmt wird. Ohne das Auftriebsrohr 19 könnte dies nicht gewährleistet werden, weil die Heizelementzuleitungen 5 wie dargestellt auf einer Höhe mit dem Flüssigkeitswärmetauscher 3 positioniert sind. Heizelementzuleitungen 5 und Heizelement 4 sind Teil einer Heizeinrichtung zur Aufheizung des im Wasserspeicher 1 befindlichen Wassers über eine Temperatur des Flüssigkeitswärmetauschers 3 hinaus. Das Auftriebsrohr 19 wirkt somit in der Regel seitlich nach außen bzw. radial wie eine thermische Isolierung und nach oben bzw. axial thermisch aktiv bzw. nicht isolierend.
Die Kaltwasserzuleitung 6 ist dazu derart ausgebildet, dass im Betrieb ein austretendes kaltes Wasser auf den Flüssigkeitswärmetauscher 3 strömt. Hierzu ist die Kaltwasserzuleitung wie in Fig. 1 dargestellt endseitig verschlossen und weist eine nach oben bzw. etwa in Richtung des Flüssigkeitswärmetauschers 3 ausgerichtete Austrittsöffnung 22 auf.
Durch den das erste Ende 10 verschließenden Flansch 9 ist ferner eine Entnahmeleitung 8 geführt, welche in einen oberen Bereich des Rohres 2 mündet. Im Rohr 2 ergibt sich im Betrieb eine Temperaturschichtung, sodass erhitztes Wasser im oberen Bereich und kaltes Wasser im unteren Bereich angeordnet sind. Es kann somit durch die Entnahmeleitung 8 erhitztes Wasser entnommen werden. Eine Kaltwasserzuleitung 6 für kaltes bzw. zu erwärmendes Wasser mündet in einen unteren Bereich des Rohres 2. Darüber hinaus kann auch eine sich in einem oberen Bereich des Rohres 2 gegebenenfalls ansammelnde Luft durch die Entnahmeleitung 8 entnommen werden.
Wie ersichtlich ist in einem an ein zweites Ende 11 angrenzenden zweiten Bereich 13 ein Flüssigkeitswärmetauscher 3 mit einer Rohrwendel positioniert, welcher beispielsweise mit einer Niedertemperaturwärmequelle wie einer Wärmepumpe verbunden werden kann, um kaltes Wasser in einem unter dem Heizelement 4 befindlichen Bereich des Wasserspeichers 1 auf eine Temperatur der Niedertemperaturwärmequelle zu erwärmen. Der Flüssigkeitswärmetauscher 3 kann dabei sowohl nach einem Gleichstromprinzip als auch nach einem Gegenstromprinzip betrieben werden und ist seitlich versetzt unterhalb des Heizelementes 4 angeordnet. Wärmetauscherzuleitungen 7 des Flüssigkeitswärmetauschers 3 sind dabei durch einen das zweite Ende 11 des Rohres 2 verschließenden Flansch 9 geführt. Durch die Temperaturschichtung wird somit erreicht, dass ein durch die Kaltwasserzuleitung 6 zugeführtes kaltes Wasser zuerst mittels des Flüssigkeitswärmetauschers 3 und erst anschließend durch das Heizelement 4 erwärmt wird. Dadurch muss mittels des Heizelementes 4 nur noch jene Energie zugeführt werden, welche erforderlich ist, um das bereits auf eine Temperatur des Flüssigkeitswärmetauschers 3 erwärmte Wasser auf eine gewünschte Heißwassertemperatur aufzuheizen. Somit wird eine für das Heizelement 4 benötigte Energie reduziert und kann eine Niedertemperaturwärmequelle optimal genutzt werden.
Das Rohr 2 ist derart gekrümmt, dass der erste Bereich 12 und der zweite Bereich 13 etwa angrenzend nebeneinander positioniert und darüber hinaus etwa parallel ausgerichtet sind. Ein Abstand 21 zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 13 beträgt vorzugsweise weniger als ein Durchmesser des Rohres 2. Das Rohr 2 weist in der Regel vom ersten Ende 10 bis zum zweiten Ende 11 etwa einen kreisförmigen Querschnitt mit gleichbleibendem Durchmesser auf. Zwischen einer Höhenposition des ersten Endes 10 und einer Höhenposition des zweiten Endes 11 sind bei diesem Wasserspeicher 1 drei Abschnitte des Rohres 2 nebeneinander angeordnet, sodass sich eine günstige Raumausnutzung ergibt.
Ferner sind eine erste Verbindungsleitung 14 sowie eine zweite Verbindungsleitung 15 vorgesehen, welche den ersten Bereich 12 und den zweiten Bereich 13 verbinden. Ein Durchmesser der Verbindungsleitungen 14, 15 ist geringer als ein Durchmesser des Rohres 2. Im Ausführungsbeispiel entspricht der Durchmesser der Verbindungsleitungen 14, 15 weniger als der Hälfte des Durchmessers des Rohres 2. Die erste Verbindungsleitung 14 verbindet dabei das erste Ende 10 direkt mit dem zweiten Bereich 13 und ist mit einem Abstand von etwa einem Durchmesser des Rohres 2 oder weniger oberhalb des Flansches angeordnet, während die zweite Verbindungsleitung 15 das zweite Ende 11 direkt mit dem ersten Bereich 12 verbindet. Die Verbindungsleitungen 14, 15 ermöglichen somit eine Strömung zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 13 bzw. im Rohr 2 eine kreisförmige Strömung in Rohrrichtung. Dadurch wird unterhalb der ersten Verbindungsleitung 14 ein definierter Bereich 23 mit einer Länge von etwa einem Durchmesser des Rohres 2 gebildet, in welchem sich gegebenenfalls Kalkablagerungen oder dergleichen ansammeln können. Diese können dann einfach über den ersten Flansch 9 entfernt werden.
Aufgrund des reduzierten Durchmessers und des dadurch erreichten Strömungswiderstandes der Verbindungsleitungen 14, 15 ist jedoch gewährleistet, dass Wasser erst dann vom ersten Bereich 12 in den zweiten Bereich 13 bzw. vom Flüssigkeitswärmetauscher 3 zum Heizelement 4 strömt, wenn eine entsprechende Erwärmung erfolgt ist.
Zwischen erster Verbindungsleitung 14 und zweiter Verbindungsleitung 15 ist im ersten Bereich 12 ein Auftriebsrohr 19 mit in einem unteren Bereich positionierten Auftriebsrohraussparungen 20 angeordnet. Dadurch wird auf effektive Weise verhindert, dass durch die üblicherweise ebenfalls als Heizdrähte ausgebildeten Heizelementzuleitungen 5 des Heizelementes 4 Wasser erwärmt wird, welches noch in thermischer Verbindung mit dem Flüssigkeitswärmetauscher 3 steht. Ferner wird durch das Auftriebsrohr 19 eine günstige Strömung im ersten Bereich 12 erreicht, um eine optimale Aufheizung des Wassers bei minimalem Energiebedarf zu gewährleisten.
Wie ersichtlich ist das Rohr 2 derart gekrümmt, dass dieses etwa in einer Ebene liegt, hier etwa in Form einer Büroklammer. Dadurch eignet sich der erfindungsgemäße Wasserspeicher 1 besonders vorteilhaft zum Einbau in Wände. Es ergibt sich somit eine sehr günstige Integrierbarkeit des Wasserspeichers 1 in Gebäude und daher eine Reduktion eines für den Wasserspeicher 1 benötigten Bauraumes. Das Rohr 2, in welchem das aufzuheizende Wasser positioniert ist, wird im Ausführungsbeispiel durch eine Stahlkonstruktion 17 abgestützt und ist von einer Wärmedämmung 16 umgeben. In der Wärmedämmung 16 ist jedoch auch eine Aussparung 18 vorgesehen, sodass der Flüssigkeitswärmetauscher 3 über das zweite Ende 11 bzw. den an diesem angeordneten Flansch 9 gegebenenfalls gewartet oder getauscht werden kann.
Der in Fig. 2 dargestellte Wasserspeicher 1 unterscheidet sich insbesondere dadurch von dem in Fig. 1 dargestellten Wasserspeicher 1, dass sowohl das Heizelement 4 als auch der Flüssigkeitswärmetauscher 3 im an das erste Ende 10 angrenzenden ersten Bereich 12 angeordnet sind. Dabei ist das Heizelement 4 direkt oberhalb des mit einer Rohrwendel ausgebildeten Flüssigkeitswärmetauschers 3 positioniert und sind Heizelementzuleitungen 5 in der Rohrwendel bzw. im Flüssigkeitswärmetauscher 3 geführt. Dadurch können sowohl der Flüssigkeitswärmetauscher 3 als auch das Heizelement 4 durch die erste Öffnung, welche mit einem lösbaren Flansch 9 verschlossen ist, gewartet werden. Zwischen dem zweiten Ende 11 und dem ersten Ende 10 ist auch hier eine erste Verbindungsleitung 14 vorgesehen, sodass ein Flüssigkeitsaustausch zwischen dem ersten Ende 10 und dem zweiten Ende 11 möglich ist.
Um zu verhindern, dass durch die Heizelementzuleitungen 5 Kaltwasser erwärmt wird, welches in thermischem Kontakt mit dem Flüssigkeitswärmetauscher 3 steht, ist die Heizelementzuleitungen 5 umschließend ein oben offenes Auftriebsrohr 19 mit bodenseitigen Auftriebsrohraussparungen 20 angeordnet. Durch die Auftriebsrohraussparungen 20 kann somit Wasser eintreten, welches durch die Heizelementzuleitungen 5 erwärmt wird und aufsteigt. Dadurch wird eine günstige Strömung im Rohr 2 bzw. im Wasserspeicher 1 erreicht.
Analog zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wasserspeichers 1 münden auch hier eine Kaltwasserzuleitung 6 in einen unteren Bereich und eine Entnahmeleitung 8 in einen oberen Bereich des Rohres 2, um entsprechend der Temperaturschichtung kaltes Wasser in einen kalten Bereich des Wasserspeichers 1 zu führen und heißes Wasser aus einem heißen Bereich entnehmen zu können. Mit der Entnahmeleitung 8 kann der Wasserspeicher 1 auch entlüftet werden. Auch dieser Wasserspeicher 1 weist ein in einer Ebene gekrümmtes Rohr 2 auf und ist daher für einen Einbau in eine Wand besonders geeignet.
Alternativ kann der Wasserspeicher 1 nicht nur in eine Wand integriert, sondern mit entsprechender Außenverkleidung auch direkt als Wand oder Teil einer Wand ausgebildet sein. Darüber hinaus kann der Wasserspeicher 1 aufgrund einer flachen Bauweise auch bündig vor bzw. an eine Wand platziert ausgeführt sein.
Das Rohr 2 ist bei dem in Fig. 2 dargestellten Wasserspeicher 1 teilweise meanderförmig gekrümmt. Weiter sind das erste Ende 10 und das zweite Ende 11 auf gleicher Höhe angeordnet, sodass auf jeder Höhenposition des Wasserspeichers 1 zwei Abschnitte des Rohres 2 nebeneinander angeordnet sind, wobei ein erster Abschnitt einem Bereich vom ersten Ende 10 bis zu einem oberen Ende des Wasserspeichers 1 und ein zweiter Abschnitt einem Bereich des Rohres 2 vom oberen Ende bis zum zweiten Ende 11 entspricht. Es versteht sich, dass durch eine entsprechende Krümmung auch eine Anordnung des Rohres 2 mit wesentlich mehr nebeneinander angeordneten Abschnitten möglich ist, um eine günstige Raumausnutzung bei flacher Bauweise zu erreichen.
Auch bei dem in Fig. 2 dargestellten Wasserspeicher 1 wird unterhalb der Auftriebsrohraussparungen 20 im ersten Bereich 12 ein definierter Bereich 23 mit einer Länge von etwa einem Durchmesser des Rohres 2 zur Aufnahme von Kalkablagerungen gebildet. Auch hier können die Ablagerungen über den ersten Flansch 9 bei Bedarf entfernt werden.
Ein erfindungsgemäßer Wasserspeicher 1 ermöglicht eine kostengünstige Aufheizung von insbesondere in Wohnräumen benötigtem Wasser. Einerseits wird dies durch eine mögliche Kombination einer Niedertemperaturwärmequelle wie einer Wärmepumpe oder Abwärme mit einem Heizelement 4 erreicht, welches beispielsweise elektrisch oder durch kalorische Energieträger erwärmt ist. Andererseits ist durch die flache Ausbildung eine günstige Wandintegrierbarkeit gegeben, sodass der Wasserspeicher 1 beispielsweise in genormten Innenwänden in Trockenbauweise wie Gipskarton-Ständerwände integriert werden kann. Dadurch nimmt der Wasserspeicher 1 faktisch keinen Wohnraum in Anspruch, weswegen Kosten des Wohnraumes, welche in europäischen Großstädten beispielsweise zwischen 1.500 und 3.500 EU R je Quadratmeter liegen, nicht zu den Kosten des Wasserspeichers 1 addiert werden müssen.
Im Unterschied zu emaillierten Warmwasserspeichern ist durch Verwendung von Edelstahl kein Einsatz von Anoden zum Korrosionsschutz notwendig. Ferner ist durch die innovative Formgebung des gekrümmten Rohres 2 wie in Fig. 1 dargestellt sowohl eine Austauschbarkeit des Flüssigkeitswärmetauschers 3 als auch des Heizelementes 4 möglich, ohne den Wasserspeicher 1 ausbauen oder bewegen zu müssen. Durch die sich im Inneren des Wasserspeichers 1 bzw. des Rohres 2 ergebende Temperaturschichtung kann Warmwasser gleichzeitig mit einer Niedertemperaturwärme und dem Heizelement 4 beispielsweise elektrisch erwärmt werden, ohne dass hierfür eine Regelung erforderlich wäre. Der Wasserspeicher 1 ist daher auch besonders robust im Betrieb.

Claims

Wasserspeicher (1), aufweisend einen Flüssigkeitswärmetauscher (3) sowie ein Heizelement (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserspeicher (1) ein gekrümmtes Rohr (2), insbesondere ein Edelstahlrohr, zur Aufnahme von zu erwärmendem Wasser mit einem ersten Ende (10) und einem zweiten Ende (11) aufweist, in welchem der Flüssigkeitswärmetauscher (3) sowie das Heizelement (4) angeordnet sind, wobei das Heizelement (4) zumindest teilweise oberhalb des Flüssigkeitswärmetauschers (3) positioniert ist.
Wasserspeicher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitswärmetauscher (3) gänzlich unterhalb des Heizelementes (4) angeordnet ist.
Wasserspeicher (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (2) etwa in Form einer Büroklammer ausgebildet ist.
Wasserspeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Heizelementzuleitungen (5) des Heizelementes (4) zumindest teilweise im Rohr (2) angeordnet und von einem Auftriebsrohr (19) umgeben sind.
Wasserspeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ende (11) des Rohres (2) mit einem zweiten Verschluss verschlossen ist, durch welchen Wärmetauscherzuleitungen (7) des Flüssigkeitswärmetauschers (3) ragen.
Wasserspeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verschluss zur reversiblen Entnahme und Fixierung des Flüssigkeitswärmetauschers (3) im Rohr (2) ausgebildet ist, insbesondere als Flansch (9) mit einer Aufnahmeverschraubung für den Flüssigkeitswärmetauscher (3).
Wasserspeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kaltwasserzuleitung (6) für Kaltwasser in das Rohr (2) ragt und in einen unteren Bereich des Rohres (2) mündet.
Wasserspeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entnahmeleitung (8) für erhitztes Wasser in das Rohr (2) ragt und in einen oberen Bereich des Rohres (2) mündet.
Wasserspeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4) im Bereich des ersten Endes (10) des Rohres (2) und der Flüssigkeitswärmetauscher (3) im Bereich des zweiten Endes (11) des Rohres (2) angeordnet sind.
Wasserspeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein an das erste Ende (10) angrenzender erster Bereich (12) und ein an das zweite Ende (11) angrenzender zweiter Bereich (13) des Rohres (2) nebeneinander angeordnet sind, insbesondere parallel, wobei der erste Bereich (12) und der zweite Bereich (13) vorzugsweise einen Abstand (21) von weniger als einem Durchmesser des Rohres (2) aufweisen.
Wasserspeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitswärmetauscher (3) eine Rohrwendel aufweist und Heizelementzuleitungen (5) des Heizelementes (4) in der Rohrwendel angeordnet sind.
Gebäude mit einem Wasserspeicher (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserspeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.
Gebäude nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserspeicher (1) in einer Wand des Gebäudes angeordnet ist.
Gebäude nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitswärmetauscher (3) mit einer Niedertemperaturwärmequelle wie einer Wärmepumpe verbunden ist.
Verwendung eines Wasserspeichers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Aufheizung von Wasser eines Gebäudes wie eines Wohnhauses.