EP4521036B1

EP4521036B1 - Bivalentes multifunktionsspeichersystem

Info

Publication number: EP4521036B1
Application number: EP24199200.7A
Authority: EP
Original assignee: Zeeh Gabriele
Current assignee: Zeeh Gabriele
Priority date: 2023-09-08
Filing date: 2024-09-09
Publication date: 2026-04-01
Anticipated expiration: 2044-09-09
Also published as: EP4521036A1

Description

Die Erfindung betrifft allgemein einen bivalentes Multifunktionsspeichersystem gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs. Dieser umfasst einen Pufferspeicher als Bestandteil eines Heizungssystems sowie eine Vorrichtung zur Warmwasserbereitung.
Zu den Multifunktionsspeichern im Sinne der Erfindung zählen insbesondere Pufferspeicher, welche beispielsweise als Mehrzonenschichtladespeicher ausgebildet sind, mit integrierter Warmwasserbereitung für Brauchwasser. Der Pufferspeicher ist mit einer externen Wärmequelle verbunden, beispielsweise einer Heizungsanlage und/oder einer Wärmepumpe oder einer Solaranlage, welche über eine Vorlaufleitung den Pufferspeicher mit Heizwasser belädt, welches die für die Raumheizung erforderliche Temperatur aufweist. Besagte Wärmequelle wird nachfolgend als extern bezeichnet, da sie nicht Bestandteil des Multifunktionsspeichersystems ist.
Zur Gewinnung von Wärme und Warmwasser ist der Speicherbehälter mit Heizwasser gefüllt, wobei auch jedes andere wärmetragende Speichermedium geeignet ist. Das Speichermedium im Speicherbehälter wird mittels der Wärmequelle oder mit einer im Innern des Speicherbehälters angeordneten Heizfläche, welche an eine Wärmequelle, beispielsweise eine Wärmepumpe, angeschlossen ist, derart erhitzt, dass sich im Speicherbehälter stets eine Schichtladung mit mehreren Schichten des Speichermediums mit unterschiedlichen Temperaturen befindet. Die Temperaturschichtung wird derart eingestellt und aufrechterhalten, dass die Schichtladung wenigstens eine Pufferspeicherzone und wenigstens eine darüber liegende Warmwasserladungszone aufweist. Zur Ausbildung und Aufrechterhaltung der Schichtung des Speichermediums werden verschiedene Ausführungen des Schichtladespeichers und/oder die Verwendung von geeigneten Leitblechen, Trennscheiben bzw. Lochscheiben, mit äußerem Ringspalt, Strömungsleitvorrichtungen und anderen Einbauten im Speicherbehälter verwendet. Sofern die Warmwasserladezone nicht durch eine Lochscheibe von der Pufferspeicherzone getrennt ist, kann der Fachmann auch anhand anderer Merkmale die beiden Zonen des Mehrzonen-Schichtladespeichers identifizieren, beispielsweise anhand der Dichte und Steigung der Wendelungen oder der Temperaturverteilung im Speichermedium.
Regelmäßig ist zur Gewinnung von Warmwasser ein Gegenstrom-Brauchwassererhitzer im Mehrzonenschichtladespeicher integriert. Dazu ist an der Kaltseite des Speicherbehälters der Zufluss der Brauchwasserleitung für Kaltwasser und an der Warmseite der Abfluss für Warmwasser angeordnet. Der Gegenstrom-Brauchwassererhitzer umfasst die Brauchwasserleitung und eine die Brauchwasserleitung umhüllende und einen Strömungsspalt bildenden Strömungsleitung. Die Wärmetauscherfläche ist hinsichtlich des Materials und gegebenenfalls auch hinsichtlich der Gestaltung der Oberfläche der Leitung auf eine gute Wärmeübertragung auf das in der Leitung strömende Brauchwasser ausgebildet.
Der Gegenstrom-Brauchwassererhitzer umfasst weiter eine Brauchwasserladepumpe zur Beladung des Strömungsspaltes mit dem Speichermedium, in welchem der Gegenstrom-Brauchwassererhitzer angeordnet ist. Von den beiden im Gegenstrom verwendeten Leitungen verläuft der Strom des Brauchwassers von unten nach oben und der Strom des Speichermediums im Strömungsspalt von oben nach unten. Zur Erzeugung des Stroms im Strömungsspalt wird das Speichermedium aus dem oberen Bereich der Warmwasserladezone mittels der Brauchwasserladepumpe in den dort befindlichen Eingang des Strömungsspalts gepumpt. Der Eingang befindet sich regelmäßig eine oder zwei Wendelungen unterhalb des Ausgangs der Brauchwasserleitung aus dem Speicherbehälter, so dass diese Wendelungen direkt mit dem Speichermedium im Speicherbehälter in thermischem Kontakt stehen. Der Gegenstrom-Brauchwassererhitzer umfasst weiter Messfühler und eine Zirkulationsleitung, wobei die Zirkulationsleitung am Rücklaufanschluss in die Brauchwasserleitung einmündet. Die Menge des im Kreislauf befindlichen, strömenden Wassers hängt unmittelbar vom Wärmeeintrag durch das Speichermedium ab, wobei die Temperaturschichtung im Speichermedium weitestgehend erhalten bleiben soll.
Der Einsatz eines solchen Durchlauferhitzers verbessert die Auskühlung des Speichermedium bis in die Nähe der Kaltwassertemperatur und damit den Entladewirkungsgrad des Multifunktionsspeichers. Auch dessen grundlegender Aufbau innerhalb des Mehrzonenschichtladespeichers ist dem Fachmann hinreichend bekannt.
Ein Multifunktionsspeichersystem umfasst auch eine Steuereinheit, welche geeignet und ausgebildet ist zum Betreiben des Systems. Eine solche Steuereinheit kommuniziert mit Temperatursensoren, welche die Temperaturen des Speichermediums in verschiedenen Positionen im Speicherbehälter messen, wie die Temperaturschichtung, insbesondere im oberen Bereich des Speicherbehälters, sowie die Temperatur des Brauchwassers, insbesondere an dessen Zapfstelle. Sie ist darüber hinaus konzipiert, die Pumpen des Multifunktionsspeichersystems anzusteuern, insbesondere die Brauchwasserladepumpe sowie optional zusätzliche Pumpen.
Ein Mehrzonenschichtladespeicher mit Pufferspeicher und integrierter Warmwasserbereitung ist aus dem DE 10 2010 028 198 A1 bekannt. Ein derartiges Heizsystem weist eine Wärmepumpe als Wärmequelle zum Erwärmen des Speichermediums im Speicherbehälter auf. Das Speichermedium weist eine Temperaturschichtung auf, die während des Betriebs des Mehrzonenschichtladespeichers möglichst wenig gestört werden soll. Auch andere Wärmequellen für Pufferheizsysteme sind bekannt. Das in einem derartigen Mehrzonenschichtladespeicher ausgebildete Warmwasserbereitungssystem arbeitet im Durchfluss-Gegenstrom-Prinzip und umfasst eine rohrförmige, meist gewendelte Brauchwasserleitung, welche als Wärmetauscherfläche ausgebildet ist und aus einem korrosionsbeständigen Material besteht. Die Brauchwasserleitung ist von einer biegsamen, temperatur- und druckbeständigen Strömungsleitung derart umgeben, dass ein ringförmiger Strömungsspalt entsteht. Der Strömungspalt mündet zumindest oben offen, in dieser Ausführung beidseitig offen im Pufferspeicher, mit einem Abstand zur oberen und zur unteren Wandung des Speicherbehälters, so dass das Speichermedium unter Verwendung einer von oben drückenden oder alternativ unten saugenden Ladepumpe den Strömungsspalt durchfließen und in thermischen Kontakt mit der Brauchwasserleitung gelangen kann. Mündet das untere Ende des Strömungsspaltes in alternativen Ausführungen nicht im Pufferspeicher, dann ist es beispielsweise mittels einer Rohrschleife mit dem unteren Bereich des Speichervolumen fluidisch verbunden ( DE 298 16 006 U1 , DE 10 2009 026 420 A1 ).
Im Mehrzonenschichtladespeicher der DE 10 2009 026 420 A1 ist das Speichervolumen ebenfalls in die untere, temperaturgeschichtete Pufferspeicherzone und die darüber liegende Warnwasserladezone unterteilt. Als Wärmequelle wird hier eine Wärmepumpe verwendet, dessen Kältemittel durch eine gewendelte Leitung durch den Speicherbehälter geführt wird und das darin vorhandene Speichermedium je nach gewünschter Temperaturschichtung erwärmt. Die Ladepumpe erzeugt die Strömung des Mediums im Strömungsspalt entgegen der Strömungsrichtung des Brauchwassers, indem warmes Wasser aus dem oberen, heißen Bereich der Warmwasserladungszone in den oberen Bereich des Strömungsspalts eingespeist wird.
Die Wärmetauscherfläche des Gegenstrom-Brauchwassererhitzers ist für eine optimale Wärmeübertragung zwischen dem im Strömungspalt fließenden Speichermedium und dem in der Brauchwasserleitung fließenden Brauchwasser ausgebildet, beispielsweise durch die Wahl des Materials der Wärmetauscherfläche, die Wendelung der Leitungen und durch geeignete, die Oberfläche vergrößernde Strukturierung und/oder andere bekannte Ausführungen der Wärmetauscherfläche.
Derartige Multifunktionsspeichersysteme sind zunehmend bivalent ausgeführt. Der Begriff bivalent wird in der Energieerzeugung so verstanden, dass zwei verschiedene Wärmeenergieerzeuger miteinander kombiniert werden zur Erwärmung des Heiz- und/oder Brauchwassers.
Die bekannten bivalenten Lösungen sind immer dann, wenn die Wärmezufuhr von der Wärmequelle über Fernheizung, Wärmepumpen oder thermische Solarkollektoren erfolgt, durch relativ hohe Herstellungskosten bei immer noch relativ geringem Wirkungsgrad gekennzeichnet. Der geringe Wirkungsgrad ergibt sich als Folge der aus hygienischen Gründen erforderlichen Betriebstemperaturen für die Trinkwassererwärmung von über 60°C. Zudem führt jede Brauchwasserentnahme dazu, dass die Heizungsanlage häufig Wärme bereitstellen muss, um die Flüssigkeit im Speicher auf die für die Brauchwassererwärmung und ggf. Heizung erforderliche Temperatur zu bringen.
Um die relativ hohe Taktung der Heizungsanlage zu reduzieren, werden zunehmend Einschraubheizkörper in den Speicher integriert, welche durch eine Photovoltaik- (PV-) Anlage gespeist werden können und als zusätzliche Wärmequelle zur Erwärmung des Speichermediums dienen. Beispielsweise in der EP 3812678 A1 wird ein solcher Elektroheizkörper, allgemein auch als Elektropatrone oder E-Patrone bezeichnet, beschrieben, welche in das zylinderförmige, die gewendelte Brauchwasserleitung umgebende Strömungsleitung hineinragt, zur Erwärmung des Mediums im Strömungsleitung.
E-Patronen sind allgemein als stromdurchflossene Heizwendel bekannt, deren grundlegender Form im Wesentlichen stabförmig sind, aber auch andere für den Zweck der Erfindung auch andere geeignete Formen aufweisen kann. Die Heizwendel kann eine wärmeleitende Umhüllung aufweisen. Dem Fachmann für das Fachgebiet der Heiztechnik sind sehr verschiedene Ausführungen bekannt.
Um die notwendige Energie zur Erwärmung des Speichermediums aufzubringen, werden mitunter auch zahlreiche E-Patronen integriert, die entsprechend des jeweiligen Wärmeenergiebedarfs mit unterschiedlichen Leistungen betrieben werden und in den ihrer Leistung entsprechenden Schicht des Pufferspeichers integriert sind. Zwar gestattet eine solche Lösung, insbesondere in der warmen und lichtintensiveren Jahreszeit, die Reduzierung der durch die Heizanlage aufzubringenden Energie und ersetzt diese durch Solarenergie. Jedoch wirkt sich in dieser Lösung der technische Aufwand durch die Heizpatronen und deren Steuerung sowie die damit verbundene Beeinflussung der Schichtung im Speicher negativ auf den Wirkungsgrad aus.
Daraus ergibt sich als Aufgabe der Erfindung, ein vorteilhaftes Konzept anzugeben, welches geeignet ist, die Herstellungs- und Betriebskosten von Multifunktionsspeichersystemen für Wärmepumpen, Fernheizung und andere Wärmequellen mit Warmwasserbereitung zu senken und den Wirkungsgrad zu verbessern.
Darüber hinaus ist es wünschenswert, die Auslastung der Solarenergie einer Photovoltaik- (PV-) Anlage des Betreibers des Multifunktionsspeichers zu erhöhen und den PV-Überschuss so weit als möglich durch deren Betreiber selbst zu verwenden.
Die Aufgabenstellung wird mit einem bivalenten Multifunktionsspeichersystem gemäß Hauptanspruch und einem Verfahren zum Betrieb eines solchen Multifunktionsspeichersystems gemäß Anspruch 8 gelöst: Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den darauf bezogenen abhängigen Ansprüchen formuliert.
Bezogen auf die Erfindung umfasst der Begriff des bivalenten Multifunktionsspeichersystems einen primäreren Heizwärmeerzeuger, welcher zumindest die Grundlast und für den Fall, dass die sekundäre Energiequelle temporär keine Energie liefern kann, die gesamte Energie einbringt, und zumindest eine E-Patrone, welcher mittels einer Photovoltaikanlage betrieben wird. Als primärer Heizwärmeerzeuger kann bspw. eine Verbrennungsheizung, Fernwärme oder einer anderer Heizwärmeerzeuger dienen.
Die Aufgabe ist durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst, wobei darauf abgestellt ist, dass das Multifunktionsspeichersystem folgende Komponenten umfasst:

einen Mehrzonen-Schichtladespeicher mit einen Speicherbehälter zur Aufnahme des Speichermediums,
eine externe Wärmequelle, welche zur Erhitzung von im Speicherbehälter befindlichem Speichermedium mit dem Mehrzonen-Schichtladespeicher verbunden ist,
wobei der Mehrzonen-Schichtladespeicher Vorrichtungen umfasst zur Ausbildung einer durch unterschiedliche Temperaturen des Speichermediums erzeugten Schichtladung derart, dass über einer Pufferspeicherzone eine darüber liegende Warmwasserladungszone ausgebildet ist, derart dass die Temperatur des Speichermediums mit zunehmender Höhe im Speicherbehälter zunimmt;
einen Gegenstrom-Brauchwassererhitzer, welcher zumindest abschnittsweise durch die Warmwasserladungszone verläuft,
wobei der Gegenstrom-Brauchwassererhitzer eine als Wärmetauscherfläche ausgebildete, gewendelte Brauchwasserleitung aufweist, deren Brauchwasserausgang oberhalb deren Brauchwassereingangs liegt,
sowie eine die Brauchwasserleitung konzentrisch umhüllende Strömungsleitung derart, dass zwischen beiden Leitungen ein Strömungsspalt ausgebildet ist,
wobei der obere Eingang und der darunter liegende untere Ausgang des Strömungsspalts offen im Speichermedium münden;
wobei der Eingang des Strömungsspaltes eine Abstand A zum obersten inneren Abschluss der Behälterwandung aufweist;
eine Brauchwasserladepumpe, ausgebildet zur Beladung des Strömungsspaltes mit Speichermedium, deren Saugseite mit dem über dem Eingang des Strömungsspaltes liegenden, oberen Bereich des Volumens des Speicherbehälters und deren Druckseite mit dem Eingang des Strömungsspalts fluidisch verbunden ist,
eine Steuereinheit, ausgebildet und konfiguriert zum Betreiben des Multifunktionsspeichersystems,
zumindest eine Elektropatrone, hier verkürzt auch als E-Patrone bezeichnet, deren Heizfläche zur Erwärmung des Speichermediums in einem Heizbereich innerhalb der Warmwasserladezone angeordnet ist, mit einem Abstand E, gemessen vom obersten inneren Abschluss der Behälterwandung des Speicherbehälters bis zur Unterkante der Heizfläche der E-Patrone,
wobei sich der Heizbereich maximal bis zur achten Wendelung der Brauchwasserleitung erstreckt.

Als Multifunktionsspeicher gemäß der Erfindung können verschiedene der bekannten Speichertypen verwendet werden. Aus der DE 10 2010 028 198 A1 ist wie oben zum Stand der Technik beschrieben ein Pufferspeicher bekannt. In der DE 10 2009 026 420 A1 sind die Pufferspeicherzone und die Warmwasserladungszone durch eine perforierte Trennscheibe mit Ringspalt voneinander entkoppelt. Auf beide Anmeldungen wird hier vollumfänglich Bezug genommen.
Zur erfindungsgemäßen Brauchwassererwärmung ist die zumindest eine E-Patrone im oberen, heißen Heizbereich der Warmwasserladezone integriert, ohne in den Strömungsspalt zu ragen, in welchem das Brauchwasser mittels des von oben nach unten hindurchströmenden Speichermediums erwärmt wird.
Erfindungsgemäß ist der Heizbereich, in welchem die E-Patrone das Speichermedium über die übliche Temperaturschichtung hinaus erwärmt, im oberen Bereich des Speicherbehälters angeordnet. Das dort zusätzlich erwärmte Speichermedium wird in den Eingang des Strömungsspaltes gepumpt, wo das Brauchwasser bereits deutlich erwärmt ist und erhält sowohl im Strömungsspalt als auch oberhalb davon einen zusätzlichen Temperaturschub. Damit gelingt es, die für das Multifunktionsspeichersystem notwendige Primärenergie zu reduzieren, insbesondere die Taktung der Heizanlage für die Brauchwassererwärmung. Trotz der zusätzlichen Erwärmung des Speichermediums im Heizbereich wird die darunter liegende Temperaturschichtung nicht oder nur geringfügig beeinflusst, da das beheizte Speichermedium unmittelbar in den Strömungsspalt gepumpt und somit die zusätzliche Energie der E-Patrone hauptsächlich zur Brauchwassererwärmung verwendet wird.
Erfindungsgemäß sind solche E-Patronen verwendbar, welche entsprechend der nachfolgenden Beschreibung in der Warmwasserladezone platziert und mit der vorgeschlagenen Leistung betrieben werden können. Deren Leistung kann fest eingestellt, stufenweise einstellbar oder modulierbar (stufenlos einstellbar) sein, wobei eine automatische Temperaturbegrenzung dem Schutz der E-Patrone dient. Die Heizfläche der zumindest einen E-Patrone erstreckt sich durch eine dafür ausgebildete Öffnung in der Wandung des Speicherbehälters in das Speichermedium.
Der Abstand der E-Patrone zur oberen Wandung des Speicherbehälters wird nachfolgend mit E bezeichnet, gemessen vom inneren höchsten Punkt der Behälterwandung bis zum niedrigsten Punkt der Heizfläche der E-Patrone. Der Abstand des oberen Eingangs des Strömungsspaltes von besagtem höchsten Punkt der Wandung des Speicherbehälters wird mit A bezeichnet, wobei A bis zum niedrigsten Punkt der Öffnung der Wandung der Strömungsleitung an deren Eingang gemessen wird.
Erfindungsgemäß erstreckt sich der Heizbereich maximal bis zur achten Wendelung der Brauchwasserleitung, optional bis zur siebten, sechsten, fünften, vierten, dritten oder zweiten Wendelung. Die Zählung der Wendelungen der Brauchwasserleitung erfolgt hier stets vom oberen Abschluss des Speicherbehälters nach unten verlaufend. Der oberste innere Abschluss der Behälterwandung dient auch als Bezug zur Messung der Abstände A für den Eingang des Strömungsspaltes und E für die Unterkante der im Speichermedium befindlichen Heizfläche der E-Patrone.
Der Bezug auf die Unterkante der Heizfläche der E-Patrone dient lediglich der eindeutigen Definition des Heizbereichs zum Zweck der Beschreibung der Erfindung und ist nicht geeignet, den thermisch Bereich zu erfassen, welcher durch die eine oder mehreren E-Patrone(n) in der Warmwasserladezone tatsächlich beeinflusst wird. Sofern der definitionsgemäße untere Abschluss des heißen Bereichs für den jeweils beschriebenen Aspekt von geringer oder ohne Bedeutung ist, wird dieser betreffende Bereich nachfolgend auch als "heißer Bereich" beschrieben.
Die Anordnung "zwischen den Wendelungen" bedeutet, dass die betrachtete E-Patrone zwischen zwei benachbarten Wendelungen innerhalb dieses Bereichs horizontal eingeführt, wobei Abweichungen von der horizontalen Lage je nach Abstand zwischen den Wendelungen möglich sind. Die zumindest eine E-Patrone wird beispielsweise zwischen der zweiten und dritten, der dritten und vierten oder der vierten und fünften Wendelung usw. eingeführt. Werden mehrere E-Patrone zur erfindunsgemäßen Brauchwassererwärmung verwendet, können diese zwischen denselben Wendelungen über den Umfang verteilt liegen oder zwischen verschiedenen Wendelungen im benannten Bereich, optional ebenfalls umfänglich verteilt.
Es hat sich herausgestellt, dass mit der Anordnung der E-Patrone im genannten Heizbereich des Speicherbehälters bis zur, von oben gezählt, maximal achten Wendelung der Brauchwasserleitung und dabei innerhalb der Warmwasserladezone die Erwärmung des Brauchwassers auf die erforderliche Temperatur effektiv und mit geringsten Auswirkungen auf die Temperaturschichtung des Speichermediums möglich ist. Ist die Warmwasserladezone verkürzt, ist die E-Patrone augenscheinlich höher als bis zur achten Wendelung zu positionieren.
Entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit ausgebildet und konfiguriert zum Betreiben des Multifunktionsspeichersystems, insbesondere der zumindest einen E-Patrone, unter Verwendung der Energie einer externen, d. h. nicht zur Erfindung gehörigen Photovoltaik-Anlage (PV-Anlage), bevorzugt deren PV-Überschusses. Als PV-Überschuss wird jener Anteil der Solarenergie einer PV-Anlage bezeichnet, welche erzeugt wird, vom Betreiber der PV-Anlage jedoch nicht selbst verwendet werden kann und deshalb in das Netz eingespeist wird.,
Die E-Patrone ist zu diesem Zweck mit der PV-Anlage zumindest kommunizierend verbunden und für einen Leistungsbereich beispielsweise bis zu einem fünfstelligen Wattbetrag konfiguriert. Dieser Leistungsbereich ist mit den gegenwärtigen PV-Anlagen geeignet, die Solarenergie und insbesondere den PV-Überschuss für die Brauchwassererwärmung zu verwenden. In Abhängigkeit von der Größe des Speichers, des Umfangs der regelmäßigen Brauchwasserentnahme und der Leistung der PV-Anlage können auch andere regelbare Leistungsbereiche erforderlich sein. Auch infolge der zukünftigen Entwicklung der PV-Anlagen und der E-Patronen können auch andere regelbare Leistungsbereiche verwendbar werden. Die Leistung der E-Patrone kann gleichbleibend, modulierbar oder in Stufen über den verwendbaren Leistungsbereich regelbar sein, so dass die durch den PV-Überschuss zur Verfügung stehende Leistung optimal zur Deckung der für die Brauchwassererwärmung benötigte Leistung nutzbar ist. Eine stufenlose Regelung von 0 bis 100% des zur Verfügung stehenden Leistungsbereichs ist beispielsweise mittels Pulsweitenmodulation möglich.
Gleiches gilt auch für die Verwendung mehrerer E-Patronen, wobei diese gleiche oder voneinander abweichende Leistungen oder Leistungsbereiche aufweisen können, je nach der von der PV-Anlage anfallenden oder aufgrund des Brauchwasserverbrauchs erforderlichen Leistung. Es können kaskadierende, d. h. in Reihe geschaltete E-Patronen verwendet werden, welche nacheinander hinzugeschaltet werden können. Auch stufenweise aufeinander abgestimmte E-Patronen, die je nach der aktuellen Situation verwendet werden, sind möglich. Die Leistungen und/oder Leistungsbereiche können dabei derart aufeinanderfolgend abgestimmt sein, dass der jeweils anfallendem PV-Überschuss optimal zur Brauchwassererwärmung genutzt werden kann.
Beispielsweise umfasst die Steuereinheit einen Energiezähler oder ist mit einem solchen kommunizierend verbunden. Ein Energiezähler dient dazu und ist dafür ausgeführt und konfiguriert, den von der PV-Anlage verfügbaren Energieüberschuss anhand des Vergleichs mit der voreingestellten Einspeiseenergie festzustellen. Der Energiezähler kann auch ausgebildet sein, die kommunizierende Verbindung der E-Patrone mit der externen PV-Anlage zu realisieren. Er steuert oder regelt die zumindest eine oder die mehreren E-Patronen in Abhängigkeit von der erforderlichen Leistung zur Erzielung der benötigten Brauchwassertemperatur und/oder in Abhängigkeit vom zur Verfügung stehenden PV-Überschuss. Ein Energiezähler ist bekannt als Vorrichtung zur Stromverbrauchsmessung und ist für die Regelung der E-Patrone mit dieser über eine Kabel- oder Funkverbindung kommunizierend verbunden, so dass die Leistung der E-Patrone an den zur Verfügung stehenden und gemessenen PV-Überschuss anpassbar ist. Der Energiezähler kann darüber hinaus konfiguriert sein, Messwerte der E-Patrone, wie Temperatur an der Heizwendel, die eingestellte Sicherheitstemperaturbegrenzung sowie die Temperaturen an weiteren Messpunkten im Speichermedium zu erhalten und anhand vordefinierter Parameter auszuwerten.
Die Anordnung der zumindest einen E-Patrone oder mehrerer davon im Heizbereich hängt von verschiedenen Parametern des Speicherbehälters und der Gegenstrom-Brauchwassererhitzers ab, wie beispielsweise dem Volumen und dem Durchmesser des Speicherbehälters, der Breite des Strömungsspaltes, der Steigung der Wendelung, der Temperaturschichtung des Speichermediums und anderen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die E-Patrone unterhalb des offenen Ausgangs des Strömungsspalts anzuordnen. Diese Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand E, die Lage der E-Patrone definierend, größer ist als der Abstand A, die Lage des oberen Eingangs des Strömungsspaltes definierend. In dieser Ausführungsform sind die direkt benachbart zu der E-Patrone verlaufenden Wendelungen von der Strömungsleitung umhüllt. Als unmittelbar benachbart zur E-Patrone angeordnet wird solch eine Wendelung angesehen, welche in der Seitenansicht unmittelbar neben der E-Patrone liegt. Als Wendelung wird allgemein ein Abschnitt einer gewendelten Leitung angesehen, welcher in der Draufsicht einen Vollkreis bildet.
Es hat sich herausgestellt, dass mittels der Anordnung der E-Patrone unterhalb des Eingangs des Strömungsspaltes ein störungsfreier Ablauf der erfindungsgemäßen Brauchwassererwärmung gesichert werden kann. Die E-Patrone kann mehr Wärmeenergie an das umgebende Speichermedium abgeben und droht nicht zu überhitzen.
Indem entsprechend einer weiteren Ausführungsform umfasst das Multifunktionsspeichersystem eine weitere Pumpe mit zur Brauchwasserladepumpe entgegengesetzter Pumprichtung. Dabei ist deren Druckseite mit dem heißen Speichermedium im Heizbereich des Speicherbehälters fluidisch verbunden ist und die Saugseite mit dem ebenfalls im oberen Heizbereich liegenden Eingang des Strömungsspalts, d. h. Saug- und Druckseite der weiteren Pumpe sind vertauscht im Vergleich zur Brauchwasserladepumpe bei deren zuvor beschriebenen Normalbetrieb. Diese Pumpe wird zu Unterscheidung als Schichtladepumpe bezeichnet. Mittels der Schichtladepumpe wird Speichermedium aus dem unteren, kälteren Bereich des Speicherbehälters durch den Strömungsspalt in den Heizbereich gepumpt und vermischt sich mit dem dortigen, mittels E-Patrone zusätzlich erhitzten Speichermedium. Auch diese Maßnahme dient dem Schutz der E-Patrone, die infolgedessen bei Überschreitung einer vordefinierten Grenztemperatur von Speichermedium umspült wird. Dieses weist eine geringere Temperatur auf als das Speichermedium im Heizbereich.
Alternativ oder ergänzend kann die Saugseite der Schichtladepumpe über eine Bypassleitung direkt mit dem unteren Bereich des Speicherbehälters fluidisch verbunden sein und über die Bypassleitung kälteres Speichermedium in den Heizbereich fördern. Optional kann auch in dieser Ausführungsform das Speichermedium in den obersten Bereich des Speicherbehälters eingeleitet werden oder in einen tiefer liegenden Bereich des Heizbereichs.
Die Schichtladepumpe kann mit der Brauchwasserladepumpe in Reihe angeordnet sein, wobei in diesem Fall solche Pumpen verwendet werden, welche gegenläufige Strömungen verarbeiten können. Andernfalls würde die Verwendung einer der in Reihe angeordneten Pumpen zur Zerstörung der zweiten Pumpe führen. Alternativ können beide Pumpen auch in einer Pumpe mit wechselbarer Pumprichtung ausgebildet sein.
Zur Steuerung der Pumpen können Temperatursensoren an verschiedenen, dafür geeigneten Positionen angeordnet sind, beispielsweise im obersten und optional unteren Bereich Speichers sowie in der Entnahme des Brauchwassers oder an weiteren Positionen.
Gemäß einer Ausführungsform kann zumindest eine weitere E-Patrone in einem tieferen Bereich des Speicherbehälters angeordnet sein, wo die Schichtung einen signifikanten Temperaturunterschied sowohl zur obersten als auch zu untersten Schicht aufweist, insbesondere in einem mittleren Abschnitt des Speichers, beispielsweise in der Pufferspeicherzone. Auch ein Abstand von mehr als einer Wendelung zur E-Patrone in der Warmwasserladezone, bei mehreren dortigen E-Patronen unterhalb deren untersten E-Patrone, ist von Vorteil. Bevorzugt ist ein Abstand von zwei, drei, vier, fünf oder mehr Wendelungen, in Abhängigkeit von der Größe des Speicherbehälters und der Anzahl deren Wendelungen, sowie dessen Temperaturschichtung Die weitere, untere E-Patrone kann kaskadiert oder separat zur ersten, d. h. der eingangs beschriebenen oberen E-Patrone, betreibbar ausgebildet sein, beispielsweise kann diese E-Patrone in einem Energiebereich betrieben werden, welcher über jenem der oberen E-Patrone liegt. Sie kann optional stufig regelbar sein. Die untere E-Patrone beheizt dann eine mittlere oder untere Schicht des Speichers und bildet eine Grundlast. Zu dieser kann die obere E-Patrone je nach Brauchwasserentnahme bei Bedarf modulierend zugeschaltet werden. Optional kann dann die obere E-Patrone auch ausgeschaltet werden.
Eine solche kaskadierte Anordnung mit entsprechend angepassten Regelbereichen und kaskadierten Betrieb ist auch bei der Verwendung von mehr als zwei übereinander angeordneten E-Patronen möglich. Die mehreren E-Patronen können einzeln oder gemeinsam regelbar sein, auch zu Gruppen zusammengefasst sein.
Die Steuereinheit des Multifunktionsspeichersystem kann zur automatischen oder manuellen Steuerung und Regelung der Abläufe des Multifunktionsspeichersystems, wie beispielsweise der Überwachung der Temperatur des Speichermediums und des Brauchwassers an verschiedenen Positionen im und am Speicherbehälter sowie der Temperaturregulierung, der Herstellung der Gegenströmung im Strömungsspalt, der Ermittlung des zur Verfügung stehenden PV-Überschusses und anderer, auch untergeordneter Prozesse ausgebildet sein. Neben den Temperatursensoren, umfasst das Multifunktionsspeichersystem zu diesem Zweck weitere elektronische Komponenten, wie Signalwandler, Strömungsschalter zur Steuerung der Pumpen und andere, sowie hydraulische Komponenten wie Pumpen, Ventile, Pufferspeicher zum Puffern von möglichen Druckschlägen infolge von Schaltvorgängen und andere.
Der Betrieb der einen oder der optional mehreren E-Patrone(n) mittels des PV-Überschusses sowie deren Regelung zur Optimierung des Eigenverbrauchs des Solarstroms, der mit dem Heizungssystem und dem Multifunktionsspeichers verknüpften PV-Anlage kann auf der Basis der Temperatursensoren drahtlos erfolgen.
Mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Multifunktionsspeichersystems in Verbindung stehend wird die Aufgabe verfahrensseitig durch dessen Betrieb gelöst, wobei die E-Patrone(n) durch jenen Anteil an Solarenergie einer PV-Anlage des Heizungsbetreibers gespeist wird, welcher durch den Betreiber selbst nicht verwendbar ist und deshalb in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden müsste ("überschüssige Solarenergie" oder "PV-Überschuss"), jedoch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben der Brauchwassererwärmung effektiv nutzbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb des zuvor beschriebenen Multifunktionsspeichersystems umfasst folgende Merkmale:

Im Speicherbehälter wird in der bekannten Weise mittels einer bzgl. der Vorrichtung beschriebenen externen Wärmequelle und mittels dort ebenfalls beschriebener Vorrichtungen eine durch unterschiedliche Temperaturen des Speichermediums (3) erzeugte Schichtladung des Speichermediums ausgebildet, mit von oben nach unten abnehmender Temperatur des Speichermediums, zur Ausbildung einer Pufferspeicherzone und einer darüber liegenden Warmwasserladungszone.
Weiter wird das Brauchwasser mittels des Gegenstrom-Brauchwassererhitzers im Multifunktionsspeichersystem erhitzt, indem das Brauchwasser in der Brauchwasserleitung von unten nach oben geleitet wird und das Speichermedium des Speicherbehälters durch den Strömungsspalt von oben nach unten, zumindest im Bereich der Warmwasserladezone, mittels der Brauchwasserladepumpe gepumpt werden. Auch eine solche Brauchwassererwärmung erfolgt gemäß Stand der Technik.
Ein oberer Heizbereich der Warmwasserladezone, aus welchem das Speichermedium in den Strömungsspalt gepumpt wird, wird mittels zumindest einer E-Patrone beheizt.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt das Konzept zugrunde, das Speichermedium im obersten Bereich des Speicherbehälters, dem oben beschriebenen Heizbereich, welcher der Warmwasserladezone zugeordnet ist, mittels einer dort angeordneten E-Patrone zusätzlich und über die für das Speichermedium übliche und erforderliche Temperatur zu erhitzen und mittels der Brauchwasserladepumpe in den Eingang des Strömungsspalt zu pumpen. Auf diese Weise wird die Brauchwasserleitung nahe ihres Ausgangs aus dem Speicherbehälter auf ein Maß erwärmt, welches deutlich über jener Temperatur liegt, welche mittels der regulären Temperaturschichtung des Speichermediums im Speicherbehälter aufgrund der eingangs beschriebenen Funktionsweise des Multifunktionsspeichersystems erzielbar ist. Eine Absenkung der Temperaturschichtung zumindest in der Pufferspeicherzone kann vermieden werden oder ist möglich, ohne die Temperatur des Brauchwassers unter das Temperaturniveau absenken zu lassen. Die Taktung des Betriebs der Wärmequelle des Multifunktionsspeichersystems und der Energiebedarf der Wärmequelle kann signifikant reduziert werden.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die zumindest eine E-Patrone mit Strom betrieben, welcher von einer externen Photovoltaik-Anlage (PV-Anlage) erzeugt wird. Aufgrund der Verwendung der Energie einer Photovoltaik-Anlage, bevorzugt einer PV-Anlage des Betreibers des Multifunktionsspeichersystems, zum Betreiben der E-Patrone kann die Wärmezufuhr von der Wärmequelle in das gesamte Speichermedium weiter reduziert werden. Dies erfolgt in einer Weise, welche die Schichtung trotz Brauchwasserentnahme nicht nur in solch geringem Maß beeinflusst, dass Energie von der Wärmequelle nur dann benötigt wird, wenn größere Mengen Brauchwasser entnommen wird. Ab welcher Menge eine Energiezufuhr von der Wärmequelle erforderlich wird, kann zudem mittels der Konfiguration und des Betreibens der einen oder mehreren E-Patronen beeinflusst werden.
Erfindungsgemäß wird das Speichermedium im oberen Bereich der Warmwasserladezone, welcher der oberste Bereich im Speicherbehälter ist und hier auch als Heizbereich bezeichnet wird, beheizt und am dort befindlichen Eingang des Gegenstrom-Wärmetauschers in dessen Strömungsspalt gepumpt und kommt dort mit der Wärmetauscherfläche der Brauchwasserleitung in direkten thermischen Kontakt. Infolgedessen wird das Brauchwasser, welches den Wärmetauscher in entgegengesetzter Richtung, von unten nach oben, durchfließt und infolgedessen vorgewärmt wurde, im oberen Abschnitt des Wärmetauschers am intensivsten erwärmt.
Die zusätzliche Wärmeenergie wird mittels einer oder mehrerer E-Patronen zugeführt, wobei die E-Patrone Strom von der externen PV-Anlage erzeugt wird. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist dies die PV-Anlage des Betreibers des Multifunktionsspeichersystems, wodurch deren PV-Überschuss für die zusätzliche Beheizung des Speichermediums verwendbar ist.
Der Betrieb der E-Patrone erfolgt in einem solchen Leistungsbereich, dass auch geringe Leistungen der PV-Anlage, insbesondere der PV-Überschuss verwendbar sind. Gegenwärtig liegt dieser Bereich bei bis zu einem fünfstelligem Wattbetrag, kann sich jedoch mit der Weiterentwicklung der verwendeten Heiz- und PV-Systeme zukünftig ändern. Je nach Ausführung der einen oder mehreren E-Patrone kann die optimal nutzbare Leistung durch eine Regelung, beispielsweise mittels Pulsweitenmodulation, oder eine Einstellung der zumindest einen E-Patrone oder Zu- oder Abschaltung weiterer, vorhandener E-Patronen erzielt werden. Basis dafür sind Temperaturmessungen im Speicherbehälter und/oder des entnommenen Brauchwassers.
Für eine optimale Nutzung der zur Verfügung stehenden PV-Leistung wird erfindungsgemäß ein Energiezähler verwendet. Dieser wird mit dem Elektroverteiler des Hauses, in welchem das Multifunktionsspeichersystem verwendet wird, kommunikativ verbunden und ermittelt den von der verwendeten PV-Anlage den aktuell verfügbaren PV-Überschuss. An diesen ermittelten Wert wird die Leistung der einen oder mehreren E-Patronen angepasst.
Bei einer Verwendung von mehreren E-Patronen steht in weiteren Ausführungsformen die Möglichkeit der Kombination der, gegebenenfalls variierbaren, Leistungsbereiche der E-Patronen zur Verfügung. Die E-Patronen können beispielsweise in mehreren Stufen gleicher oder unterschiedlicher Leistung oder in kaskadierenden Stufen innerhalb der Warmwasserladungszone oder innerhalb der Warmwasserladungszone und der Pufferspeicherzone betrieben werden. Letztere Verteilung von E-Patronen unterstützt beispielsweise die Aufrechterhaltung der Temperaturschichtung im Speicherbehälter, da diese in den verschiedensten hier beschriebenen Situationen der Nutzung des Speichermediums zur Einstellung der Temperatur des Brauchwassers und des Heizbereichs beeinflusst werden kann.
Für den Fall, dass PV-Strom in einem solchen Maß zur Verfügung steht, dass das Speichermedium im Heizbereich soweit erhitzt wird, dass dessen Temperatur eine nicht zu überschreitende, vordefinierte Solltemperatur übersteigt, wird entsprechend einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens Speichermedium aus einem unteren Bereich des Speicherbehälters, dessen Temperatur geringer ist als die Solltemperatur, mittels der oben beschriebenen Schichtladepumpe in den Heizbereich gepumpt, zumindest bis zur Unterschreitung besagter Solltemperatur. Die Zufuhr des kälteren Speichermediums kann optional durch den Strömungspalt erfolgen oder durch eine Bypassleitung, welche optional unabhängig von der Temperaturschichtung außerhalb des Speicherbehälters verlaufen kann. Das Pumpen des kälteren Speichermediums kann in einer weiteren Ausführungsform durch die Brauchwasserladepumpe erfolgen, indem beide Pumpen in Reihe geschaltet sind. Auch eine Kombination beider Ausführungsformen ist möglich.
Im ersten Fall wird Speichermedium aus dem unteren Bereich gezogen, in welchem der Ausgang des Strömungsspaltes liegt. Dieser Bereich ist durch die Anlage definiert und umfasst Speichermedium einer relativ geringen Temperatur, bezogen auf die zur Verfügung stehenden Temperaturschichten des Multifunktionsspeichersystems. Dabei wird der Gegenstrom im Strömungsspalt für die Zufuhr des kälteren Speichermediums umgekehrt. Die Einstellung Solltemperatur ist aufgrund der bevorzugt nicht oder nur gering gestörten Temperaturschichtung allein über die Menge des zugeführten Speichermediums möglich.
Im zweiten Fall umfasst das Multifunktionsspeichersystem eine, optional auch mehrere Bypassleitungen, welche sich innerhalb oder außerhalb des Speicherbehälters von zumindest einem unterhalb des Heizbereiches liegenden, kälteren Bereich des Speichermediums in den Heizbereich führen. Die Verwendung mehrerer Bypassleitungen, welche jeweils auf unterschiedliche Temperaturschichten zugreifen, gestattet es, dass die Temperatur des zugeführten Speichermediums variiert werden kann.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit, vorhandene Multifunktionsspeichersysteme mit einer oder mehreren E-Patronen zwecks Nutzung des PV-Überschusses nachzurüsten. Eine solche Integration zumindest einer E-Patrone schließt augenscheinlich auch deren Steuerung ein, wobei die vorhandenen Temperatur- und Drucksensoren dafür verwendbar und sofern erforderlich durch weitere Sensoren ergänzbar sind. Weiter wird die Integration durch die verfügbaren Energiezähler unterstützt, welche mit der Stromverteilung des Hauses verbunden werden können und entsprechend der so möglichen Ermittlung des zur Verfügung stehenden PV-Überschusses kabelgebunden oder über Funkverbindung die Steuerung des oder der E-Patrone(n) realisieren können.
Zusammenfassend können mit dem erfindungsgemäßen Multifunktionsspeichersystem und dessen Verfahren zu Betrieb folgende Vorteile erzielt werden:

Die Betriebstemperatur für Brauchwasser kann erzielt werden, ohne dafür Wärme vom Wärmeerzeuger, beispielsweise von der Heizungsanlage beziehen zu müssen. Zumindest jedoch kann die von der Heizungsanlage dafür zu liefernde Wärme signifikant reduziert werden.
Mittels der Konfiguration hinsichtlich Anzahl und Lage der E-Patronen, deren Leistungsbereiche und Regelungen kann das Multifunktionsspeichersystem für verschiedenste Bedarfsmengen konfiguriert werden.
Es kann insbesondere der PV-Überschuss einer PV-Anlage optimal für die Brauchwassererwärmung genutzt werden.
Eine Störung der Temperaturschichtung zumindest in der Pufferspeicherzone des Speicherbehälters kann auf verschiedene Weisen verhindert oder zumindest signifikant reduziert werden.
Die Komponenten zur Ausführung des Verfahrens sind in bestehende Anlagen integrierbar.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Der Fachmann würde die zuvor und nachfolgend in den verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung realisierten Merkmale in weiteren Ausführungsformen zweckmäßig kombinieren, soweit es die jeweiligen Anforderungen für das Multifunktionsspeichersystem erfordern und gestatten. Die zugehörigen Figuren zeigen in

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des Multifunktionsspeichersystems mit einer E-Patrone im Heizbereich, und
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des Multifunktionsspeichersystems gemäß Fig. 1 mit einer weiteren E-Patrone in der Pufferspeicherzone.

Die Figuren stellen die Erfindung nur schematisch und in einem solchen Umfang dar, wie es zum Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Sie erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder Maßstäblichkeit. Beispielsweise sind die externe Energiequelle nicht und die Wendelungen des Gegenstrom-Brauchwassererhitzers vergrößert dargestellt, so dass die darstellbare Anzahl der Wendelungen der Leitungen und die darstellbaren Positionen der E-Patronen zwischen den Wendelungen begrenzt sind.
Fig. 1 zeigt ein Multifunktionsspeichersystem 1 mit einem Speicherbehälter 2, welcher mit einem Speichermedium 3 gefüllt ist. Im Speichermedium 3 ist eine Temperaturschichtung erzeugt und aufrechterhalten, mit von unten nach oben steigender Temperatur. Der Temperaturverlauf von niedrigen zu höheren Temperaturen ist in Fig. 1 durch eine zunehmende Graustufe der Fläche im Speicherbehälter 2 dargestellt. Mittels der Temperaturschichtung wird eine Pufferspeicherzone 5 im unteren Bereich und einer darüber liegende Warmwasserladezone 6 im darüber liegenden Bereich des Speicherbehälters 2 erzeugt, wobei eine scharfe Trennung zwischen beiden Zonen nicht vorhanden und nicht erforderlich ist. Dargestellt ist die optionale Ausführung mit einer perforierten Trennscheibe 9, welche umlaufend einen Ringspalt (nicht dargestellt) zur Wandung des Speicherbehälters 2 aufweist.
Im Innenraum des Speicherbehälters 2 ist der, im dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Pufferspeicherzone 5 und die Warmwasserladezone 6 verlaufende, Gegenstrom-Brauchwassererhitzer 10 ausgebildet. Dieser umfasst eine als Wärmetauscherfläche 11 ausgebildete Brauchwasserleitung 11, deren Brauchwasserausgang 13 oben aus dem Speicherbehälter 2 mündet, und deren Brauchwassereingang 12 am Fuß des Speicherbehälters 2 angeordnet ist. Optional kann der Gegenstrom-Brauchwassererhitzer10 auch verkürzt sein, indem der Brauchwassereingang 12 und der Ausgang 17 des Strömungsspalts 15 höher als dargestellt angeordnet sind. Ergänzend oder alternativ kann auch der Eingang 16 des Strömungsspalts 15 eine andere Position haben. Im dargestellten Ausführungsbeispiel liegt dieser ca. eine halbe Wendelung der Brauchwasserleitung 11 unterhalb deren oberen Durchtritts durch die Wandung 4. Der Gegenstrom-Brauchwassererhitzer 10 verläuft jedoch zumindest durch die Warmwasserladezone 6.
Der Gegenstrom-Brauchwassererhitzer 10 umfasst weiter eine die Brauchwasserleitung 11 konzentrisch umhüllende Strömungsleitung 14. Die Strömungsleitung 14 ist über ihre gesamte Länge derart angeordnet, dass zwischen beiden Leitungen ein Strömungsspalt 15 ausgebildet ist. Das Speichermedium 3 wird mittels einer Brauchwasserladepumpe 18 von oben nach unten durch den Strömungsspalt 15 gepumpt, wobei deren Druckseite am oberen Ende des Strömungsspalts15, dessen Eingang 16 angeschlossen ist. Das untere Ende des Strömungsspalts 15 ist folglich dessen Ausgang 17. Der Steigungswinkel der Wendelungen in der Pufferspeicherzone 5 sind im Ausführungsbeispiel größer gewählt als der Steigungswinkel in der Brauchwasserladezone 6. Andere Verhältnisse der Wendelungen und/oder der Anzahl der Wendelungen in beiden Zonen sind möglich.
Der Eingang der Strömungsleitung 14 befindet sich im dargestellten Ausführungsbeispiel zirka eine halbe Wendelung unterhalb des Brauchwasserausgangs 13 aus dem Speicherbehälter 2. Andere Positionen von Eingang 16 und Ausgang 17 des Strömungsspaltes 15 sind entsprechend der Länge der Strömungsleitung 14 möglich.
Eingang 16 und Ausgang 17 des Strömungsspalts 15 münden offen im Speichermedium 3. Die Brauchwasserladepumpe 18 ist in einer Bypassleitung 27 angeordnet, die außerhalb des Speicherbehälters 1 verläuft. Deren Druckseite (die in Richtung der Bypassleitung zeigende Spitze des dreieckigen Symbols) ist über die Bypassleitung 27 mit dem Eingang 16 des Strömungsspalts 15 und deren Saugseite (die gegenüber liegende Basis des dreieckigen Symbols) mit dem obersten Abschluss der Wandung des Speicherbehälters 2 über dieselbe Bypassleitung 27 verbunden. Die Brauchwasserladepumpe 18 fördert das im obersten Abschluss des Speicherbehälters 2 befindliche heißeste Speichermedium 3 in den Eingang 16 des Strömungsspalts 14 zur Erwärmung des Brauchwassers auf die erforderliche Temperatur.
Die Schichtladepumpe 19 ist in Reihe zur Brauchwasserladepumpe 18 in derselben Bypassleitung 27 angeordnet, jedoch mit umgekehrter Pumprichtung (dargestellt durch des entgegengesetzt gerichtete Pumpsymbol). Sie pumpt kälteres Speichermedium 3 durch den Strömungsspalt 15 aus dem unteren Bereich der Pufferladungszone 5 in den obersten Abschluss der Wandung des Speicherbehälters 2. Eine optionale Bypassleitung 27' (gestrichelt dargestellt) führt von den Pumpen 18, 19 zu einem oberhalb des Brauchwassereingangs 12 angeordneten Eingang in die Pufferspeicherzone 5.
In jenem Abschnitt der Brauchwasserleitung 11, welcher nicht von der Strömungsleitung umgeben ist und somit direkt durch das Speichermedium 3 im Speicherbehälter 2 erwärmt wird, ragt der Eingang der Zirkulationsleitung 8, so dass auch deren Brauchwasserinhalt erwärmt wird.
Zur Temperaturmessung des Speichermediums 3 im oberen Bereich des Speicherbehälters 2 ist dort ein Temperatursensor 22 angeordnet. Weitere Temperatursensoren an weiteren Positionen sind möglich, zur Unterstützung der, bevorzugt automatischen, Steuerung des Multifunktionsspeichersystems 1. Lediglich beispielhaft sind Temperatursensoren 22 in der Pufferspeicherzone 5 und im Brauchwasserausgang 13 dargestellt.
Zwischen der ersten Wendelung 25 der Brauchwasserleitung 11 und der mit einem Abstand zur ersten darunter liegenden dritten Wendelung 26 der Brauchwasserleitung 11 ist eine E-Patrone 20.1 angeordnet, deren stabförmige Heizfläche zwischen beide Wendelungen 25, 26 ragt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist E größer als A, so dass die E-Patrone 20.1 im Bereich der Strömungsleitung 14 angeordnet ist. Andere Verhältnisse von A und E zueinander und daraus folgend andere Positionen zwischen den Wendelungen sind gemäß obiger Beschreibung möglich.
Zur Bestimmung der Position der E-Patrone 20.1 und des Eingangs 16 des Strömungsspalts 15 im Speicherbehälter 2 werden beide Punkte zum obersten Punkt der Innenwandung des Speicherbehälters 2 gemessen und können auf dieser Basis zueinander in Relation gesetzt werden. Der Abstand des Eingangs 16 des Strömungsspalts 15 zum obersten Abschluss der Behälterwandung des Speicherbehälters 2, wird mit A bezeichnet. Der unterste Punkt der Heizfläche der E-Patrone 20.1 zum selben Punkt der oberen Wandung wird mit E bezeichnet. Der Abstand E bestimmt auch das Maß des "Heizbereichs" gemäß obiger Definition.
Mittels einer Steuereinheit 21 erfolgt eine automatische oder manuelle Steuerung und Regelung der Abläufe des Multifunktionsspeichersystems 1, wie beispielsweise Temperaturmessungen, der Betrieb der zumindest einen E-Patrone 20.1, der Betrieb der Pumpen 18, 19, der Ermittlung des PV-Überschusses mittels eines Energiezählers 23 und anderer, auch untergeordneter Prozesse. Zur Verwendung der Energie der zur Verfügung stehenden PV-Anlage 24 und der Ermittlung des PV-Überschusses ist die Steuereinheit 21 mit der PV-Anlage kommunikativ verbunden.
Das Multifunktionsspeichersystem gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von jenem der Fig. 1 durch eine weitere E-Patrone 20.2, welche in der Pufferspeicherzone 5 angeordnet ist und die dort befindliche Temperaturschicht zur Ausbildung einer Grundlast beheizt. Die weitere E-Patrone 20.2 befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel zwischen der dritten und fünften Wendelung der Brauchwasserleitung 11. Auch hier sind andere Positionen und/oder mehrere E-Patronen innerhalb der Pufferspeicherzone 5 möglich.
Weiter sind die Pufferspeicherzone 5 und die Warmwasserladezone 6 nicht durch eine Trennscheibe getrennt. Im Übrigen wird auf die Darlegungen zu Fig. 1 verwiesen.

Bezugszeichenliste

1: Multifunktionsspeichersystem
2: Speicherbehälter
3: Speichermedium
4: Wandung
5: Pufferspeicherzone
6: Warmwasserladezone
7: Heizbereich
8: Zirkulationsleitung
9: Trennscheibe
10: Gegenstrom-Brauchwassererhitzer
11: Brauchwasserleitung, Wärmetauscherfläche
12: Brauchwassereingang
13: Brauchwasserausgang
14: Strömungsleitung
15: Strömungsspalt
16: Eingang des Strömungsspalts 15
17: Ausgang des Strömungsspalts 15
18: Brauchwasserladepumpe
19: Schichtladepumpe
20.1; 20.2: Elektropatrone, E-Patrone
21: Steuereinheit
22: Temperatursensor
23: Energiezähler
24: PV-Anlage
25: zweite Wendelung der Brauchwasserleitung 11
26: dritte Wendelung der Brauchwasserleitung 11
27, 27': Bypassleitung

A: Abstand Oberseite Wandung - Unterkante Eingang Strömungsspalt
E: Abstand Oberseite Wandung - Unterkante Heizfläche E-Patrone

Claims

Bivalentes Multifunktionsspeichersystem ausgebildet zur Erzeugung von Heizwärme zwecks Raumheizung mittels Heizwärmespeicherung in einem wärmetragenden, durch eine externe Wärmequelle erwärmten Speichermedium sowie zur häuslichen Brauchwassererwärmung, folgende Komponenten umfassend:
- einen Mehrzonen-Schichtladespeicher mit einen Speicherbehälter (2) zur Aufnahme des Speichermediums (3),

- eine externe Wärmequelle, welche zur Erhitzung von im Speicherbehälter (2) befindlichem Speichermedium (3) mit dem Mehrzonen-Schichtladespeicher verbunden ist

- wobei der Mehrzonen-Schichtladespeicher Vorrichtungen umfasst zur Ausbildung einer durch unterschiedliche Temperaturen des Speichermediums (3) erzeugten Schichtladung derart, dass über einer Pufferspeicherzone (5) eine darüber liegende Warmwasserladungszone (6) ausgebildet ist, derart dass die Temperatur des Speichermediums (3) mit zunehmender Höhe im Speicherbehälter (2) zunimmt;

- einen Gegenstrom-Brauchwassererhitzer (10), welcher zumindest abschnittsweise durch die Warmwasserladungszone (6) verläuft,

- wobei der Gegenstrom-Brauchwassererhitzer (10) eine als Wärmetauscherfläche ausgebildete, gewendelte Brauchwasserleitung (11) aufweist, deren Brauchwasserausgang (13) oberhalb deren Brauchwassereingangs (12) liegt,

- sowie eine die Brauchwasserleitung (11) konzentrisch umhüllende Strömungsleitung (14) derart, dass zwischen beiden Leitungen ein Strömungsspalt (15) ausgebildet ist,

- wobei der obere Eingang (16) und der darunter liegende untere Ausgang (17) des Strömungsspalts (15) offen im Speichermedium (3) münden und der Eingang (16) des Strömungsspaltes (15) einen Abstand A zur oberen Wandung (4) des Speicherbehälters (2) aufweist;

- eine Brauchwasserladepumpe (18), ausgebildet zur Beladung des Strömungsspaltes (15) mit Speichermedium, deren Saugseite mit dem über dem Eingang (16) des Strömungsspaltes (15) liegenden, oberen Bereich des Volumens des Speicherbehälters (2) und deren Druckseite mit dem Eingang (16) des Strömungsspalts (15) fluidisch verbunden ist,

- eine Steuereinheit (21), ausgebildet und konfiguriert zum Betreiben des Multifunktionsspeichersystems (1);
dadurch gekennzeichnet, dass:
- das Multifunktionsspeichersystem (1) zumindest eine Elektropatrone (20.1) umfasst, hier verkürzt auch als E-Patrone bezeichnet, deren Heizfläche in einem oberen Heizbereich innerhalb der Warmwasserladezone (6) angeordnet ist, mit einem Abstand E, gemessen vom obersten Abschluss der Wandung (4) des Speicherbehälters (2) bis zur Unterkante der Heizfläche der E-Patrone (20.1),

- wobei sich der Heizbereich maximal bis zur achten Wendelung der Brauchwasserleitung (11) erstreckt.
Bivalentes Multifunktionsspeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (21) ausgebildet und konfiguriert ist zum Betreiben der zumindest einen E-Patrone (20.1) unter Verwendung der Energie einer externen Photovoltaik-Anlage (24).
Bivalentes Multifunktionsspeichersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (21) des Multifunktionsspeichersystems (1) einen Energiezähler (23) umfasst, welcher ausgebildet ist zur Ermittlung eines von einer externen PV-Anlage (24) verfügbaren PV-Überschusses und zur Anpassung der Leistung der zumindest einen E-Patrone (20.1) an den ermittelten PV-Überschuss.
Bivalentes Multifunktionsspeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand E größer ist als der Abstand A.
Bivalentes Multifunktionsspeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Schichtladepumpe (19), deren Druckseite mit dem oberen Bereich des Volumens des Speicherbehälters (2) und deren Saugseite mit dem Eingang (16) des Strömungsspalts (15) und/oder der Pufferspeicherzone (5) fluidisch verbunden ist.
Bivalentes Multifunktionsspeichersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brauchwasserladepumpe (18) und die Schichtladepumpe (19) in Reihe geschaltet sind.
Bivalentes Multifunktionsspeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Multifunktionsspeichersystem (1) zumindest eine weitere E-Patrone (20.2) aufweist, welche in der Pufferspeicherzone (5) angeordnet ist.
Verfahren zum Betrieb eines Multifunktionsspeichersystems nach einem der vorstehenden Ansprüche,
- wobei im Speicherbehälter (2) mittels besagter externer Wärmequelle und mittels besagter Vorrichtungen eine durch unterschiedliche Temperaturen des Speichermediums (3) erzeugte Schichtladung des Speichermediums (3) ausgebildet wird, mit von oben nach unten abnehmender Temperatur des Speichermediums (3), zur Ausbildung einer Pufferspeicherzone (5) und einer darüber liegenden Warmwasserladungszone (6),

- wobei das Brauchwasser mittels des Gegenstrom-Brauchwassererhitzers (11) im Multifunktionsspeichersystem (1) erhitzt wird, indem das Brauchwasser in der Brauchwasserleitung (11) von unten nach oben geleitet wird und das Speichermedium (3) des Speicherbehälters (2) durch den Strömungsspalt (15) vom oberen Eingang (16) zum unteren Ausgang (17) des Strömungsspalts (15) mittels der Brauchwasserladepumpe (18) gepumpt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
besagter oberer Heizbereich der Warmwasserladezone (6), aus welchem das Speichermedium (3) in den Strömungsspalt (15) gepumpt wird, mittels zumindest einer E-Patrone (20.1) beheizt wird.
Verfahren zum Betrieb eines Multifunktionsspeichersystems nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine E-Patrone (20.1) mit dem Strom, bevorzugt mit dem PV-Überschuss betrieben wird, welcher von einer externen Photovoltaik-Anlage (PV-Anlage) (24) erzeugt wird.
Verfahren zum Betrieb eines Multifunktionsspeichersystems nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Energiezählers (23) ein von der externen PV-Anlage (24) verfügbare PV-Überschuss ermittelt und die Leistung der zumindest einen E-Patrone (20.1) an den ermittelten PV-Überschuss angepasst wird.
Verfahren zum Betrieb eines Multifunktionsspeichersystems nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere E-Patronen (20.1, 20.2) in mehreren Stufen gleicher Leistung oder in kaskadierenden Stufen innerhalb der Warmwasserladungszone (6) oder innerhalb der Warmwasserladungszone (6) und der Pufferspeicherzone (5) betrieben werden.
Verfahren zum Betrieb eine Multifunktionsspeichersystems nach Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Schichtladepumpe (19) Speichermedium (3) aus dem Eingang (16) des Strömungsspalts (15) und/oder aus der Pufferspeicherzone (5) des Speicherbehälters (2) in den Heizbereich gepumpt wird.
Verfahren zum Betrieb eine Multifunktionsspeichersystems nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass besagtes Speichermedium (3) durch die Brauchwasserladepumpe (18) hindurch gepumpt wird.
Verfahren zum Betrieb eine Multifunktionsspeichersystems nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine E-Patrone (20.1) in die Warmwasserladezone eines bestehenden Multifunktionsspeichersystems (1) integriert wird.