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Die
Erfindung betrifft ein Schichtladespeichersystem zur Erwärmung, Bevorratung
und Bereitstellung eines Speichermediums, wie es insbesondere für die Trinkwarmwasserversorgung
Anwendung findet, sowie ein Verfahren zu seinem Betrieb.
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Gattungsgemäße Schichtladespeichersysteme
umfassen einen das Speichermedium beinhaltenden Speicherbehälter mit
Anschlüssen
an eine Kaltwasserzulaufleitung und eine Kaltwasserauslaufleitung
im unteren Behälterbereich,
und mit Anschlüssen
an eine Warmwasserzulaufleitung und eine Warmwasserauslaufleitung
im oberen Behälterbereich.
Ferner umfassen solche Schichtladespeichersysteme einen das Speichermedium
erwärmenden
Speicherladekreis, der über
einen Wärmeübertrager
mit primärseitiger
Anbindung an einen Wärmeerzeuger
und sekundärseitigen
Anschlüssen
an die Kaltwasserauslaufleitung und die Warmwasserzulaufleitung
verfügt,
sowie über
eine Umwälzpumpe zur
Umwälzung
des Speichermediums durch den Wärmeübertrager.
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Bekannte
Schichtladespeicher, wie sie für Trinkwarmwasser
beispielsweise aus der
DE
83 10 135 U1 hervorgehen, weisen einen mit Trinkwasser gefüllten Speicherbehälter auf,
bei dem aufgrund der unterschiedlichen Dichte eine Schichtung zwischen dem
im oberen Behälterbereich
befindlichen warmen Wasser und dem im unteren Behälterbereich
befindlichen kalten Wasser entsteht. Zum Laden des Speichers, also
zum Erwärmen
des Trinkwassers, ist ein Speicherladekreis mit einer Umwälzpumpe
vorgesehen, die das kühlere
Wasser aus dem unteren Behälterbereich über eine
Kaltwasserauslaufleitung zu einem Wärmeübertrager oder Wärmeerzeuger
fördert. Hier
wird das Wasser auf eine vorgegebene konstante Solltemperatur erwärmt, die
(in etwa) gleich der Warmwasserauslauf-Solltemperatur des Schichtladespeichers
ist. Das warme Wasser wird über
eine Warmwasserzulaufleitung wieder in den oberen Behälterbereich
eingeleitet. Über
die zu angeschlossenen Zapfstellen führende Warmwasserauslaufleitung wird
das warme Speicherwasser im oberen Behälterbereich entnommen und durch
dem unteren Behälterbereich über eine
Kaltwasserzulaufleitung neu zugeführtes kaltes Wasser ersetzt.
Die verschiedenen Zulaufleitungen und Auslaufleitungen können an
jeweils zugeordneten, einzelnen Be hälteranschlüssen in den Speicherbehälter münden, oder
sie können
im oberen und unteren Behälterbereich
jeweils paarweise zu einem Anschluss zusammengefasst sein. Der Wärmeübertrager
zur Erwärmung
des Speicherwassers wird primärseitig
in der Regel von einem Heizfluid beheizt, das seinerseits in einem öl- oder
gasgefeuerten Wasserheizgerät
oder im Kondensator einer Wärmepumpe
erwärmt
wurde.
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In
der
DE 103 44 003
B3 wird eine Schichtladespeicheranordnung mit einem Speicherbehälter und
einem Ladekreis vorgeschlagen. Der Speicherbehälter ist mit einem Kaltwasserabzug
und einem Warmwasserzulauf an einen Wärmetauscher angeschlossen.
Im Ladekreis ist eine Umwälzpumpe
angeordnet, die eine Wasserumlaufmenge zum Aufladen des Speicherbehälters fördert. Im
Ladekreis ist ferner ein Wassermengenregler angeordnet, der die Wasserumlaufmenge
im Ladekreis steuert bzw. regelt, so dass die Wasserumlaufmenge
der Kaltwassertemperatur und/oder der Warmwassertemperatur angepasst
wird. Gekennzeichnet ist die Schichtladespeicheranordnung durch
ein Wassermengenregelventil, das als ein elektrisch beheizbares
thermisches Ausdehnungselement ausgeführt ist.
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Das
Speicherwasser wird bei der Speicherladung im Wärmeübertrager in einem Schritt
von der jeweils gerade herrschenden Kaltwasserauslauftemperatur
auf die vorgegebene, konstant hohe Warmwasserauslauf-Solltemperatur
erwärmt,
da dies ja die Temperatur ist, die abrufbereit im Speicherbehälter vorliegen
soll. Für
den Wirkungsgrad des Wärmeübertragers
und/oder Wärmeerzeugers
kann das nachteilig sein. So führen
hohe Wärmeübertragertemperaturen
wegen der geringeren Kühlwirkung
auf das Heizfluid zu ebenfalls erhöhten Betriebstemperaturen des
Wärmeerzeugers,
beispielsweise eines Abgaswärmeübertragers
eines Brennwertheizgerätes
bzw. eines Wärmepumpenkondensators.
Dies ist wiederum für
eine verminderte Kondensation im Brennwertheizgerät oder in
der Wärmepumpe
verantwortlich. Dagegen profitieren die genannten Wärmeübertrager
bzw. Wärmeerzeuger
von niedrigen Betriebstemperaturen zur Optimierung ihres Wirkungsgrades
bzw. ihrer Leistungszahl (COP-Wert, coefficient of performance).
Eine nach herkömmlichem
Speicherkonzept damit einhergehende niedrigere Trinkwarmwassertemperatur
würde dem
Nutzer einer solchen Trinkwarmwasseranlage allerdings nicht den
gewünschten
Warmwasserkomfort gewähren.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schichtladespeichersystem
zur Erwärmung, Bevorratung
und Bereitstellung eines Speichermediums zu entwickeln, das die
konstruktiven Randbedingungen für
möglichst
hohe Wirkungsgrade bzw. Leistungszahlen schafft. Ferner ist es Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem das
erfindungsgemäße Schichtladespeichersystem
bei möglichst
hohen Wirkungsgraden bzw. Leistungszahlen betrieben werden kann,
ohne dass dabei der Warmwasserkomfort eingeschränkt wird.
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Erfindungsgemäß wird dies
mit den Merkmalen der unabhängigen
Patentansprüche
1 und 9 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Der
erfindungsgemäße Aufbau
des Schichtladespeichersystems ist gekennzeichnet durch einen funktional
in ein oben liegendes Bereitschaftsvolumen und ein darunter liegendes
Reservevolumen untergliederten Speicherbehälter, und durch einen Speicherladekreis,
der neben der den Wärmeübertrager
mit dem Bereitschaftsvolumen verbindenden Warmwasserzulaufleitung
W1 eine weitere Warmwasserzulaufleitung W2 umfasst, die den Wärmeübertrager
mit dem Reservevolumen verbindet.
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Im
Bereitschaftsvolumen liegt jederzeit eine ausreichend große Menge
Trinkwarmwasser bei Warmwasserauslauf-Solltemperatur zum Auslauf aus
dem Speicherbehälter
zum Nutzer bereit, so ist eine schnelle Versorgung des Nutzers bei
verschieden großen
Warmwasseranwendungen gewährt.
Zur Ladung des Bereitschaftsvolumens fließt Warmwasser bei Warmwasser-Solltemperatur
vom Wärmeübertrager über die
Warmwasserzulaufleitung W1 in den Speicherbehälter. Das Reservevolumen bevorratet
eine Warmwassermenge, die bei Bedarf oder Wärmeangebot seitens eines Wärmeerzeugers
bis auf Warmwasserauslauf-Solltemperatur erwärmt wird. Zur Ladung des Reservevolumens
fließt
Warmwasser bei Temperaturen kleiner oder gleich der Warmwasser-Solltemperatur
vom Wärmeübertrager über die
Warmwasserzulaufleitung W2 in den Speicherbehälter.
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An
den Warmwasserzulaufleitungen W1 und W2 ist mindestens ein ihnen
gemeinsamer Temperaturfühler
S3 angeordnet, der die Temperatur des durch die Warmwasserzulaufleitungen
W1 und/oder W2 umgewälzten
Speichermediums misst und überwacht.
Der Temperaturfühler
S3 kann beispielsweise in oder an einem strömungsabwärts des Wärmeübertragers angeordneten, den
beiden Warmwasserzulaufleitungen W1 und W2 gemeinsamen Leitungsstück angebracht
sein.
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Die
Warmwasserzulaufleitung W2 mündet
in einer Ausführung
an einem Speicherbehälteranschluss
im Bereich des Reservevolumens. Sie kann sich aber auch innerhalb
des Speicherbehälters
an die Warmwasserzulaufleitung W1 nach unten bis in den Bereich
des Reservevolumens anschließen.
In diesem Fall könnte
ein an der Verbindungsstelle zwischen den beiden Warmwasserzulaufleitungen
W1 und W2 angeordnetes Ventil bei Wechsel eines von der Umwälzpumpe
dem zulaufenden Speichermedium aufgeprägten Förderdruckes selbsttätig zwischen einem
Zulauf in den Bereich des Bereitschaftsvolumens und einem Zulauf
in den Bereich des Reservevolumens umschalten. So wäre ein Behälteranschluss
gegenüber
der erstgenannten Ausführung einzusparen.
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Eine
erfindungsgemäße Ausführung umfasst zwei
Umwälzpumpen,
die in jeweils einer der beiden Warmwasserzulaufleitungen W1 und
W2 angeordnet sind. Damit kann der Warmwasserzulauf in die genannten
Behälterbereiche
gesteuert werden. Eine oder beide Umwälzpumpen können über eine Vorrichtung zur Drehzahlregelung
verfügen,
mit der sich ihre Förderleistung
einstellen lässt.
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Alternativ
dazu verfügt
der Speicherladekreis über
ein umschaltbares Dreiwegeventil, mit dem das erwärmte Speichermedium
entweder in das Bereitschaftsvolumen oder in das Reservevolumen
gelenkt wird. Das Dreiwegeventil kann zum Beispiel an einer Abzweigstelle
der Warmwasserzulaufleitung W2 von der Warmwasserzulaufleitung W1,
hinter einem den beiden Warmwasserzulaufleitungen W1 und W2 gemeinsamen
Leitungsstück sitzen.
In diesem Fall ist die Umwälzpumpe
zweckmäßigerweise
in der Kaltwasserauslaufleitung, und in den Warmwasserzulaufleitungen
W1 und W2 jeweils eine einstellbare Drossel angeordnet.
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Innerhalb
des Speicherbehälters
ist das Bereitschaftsvolumen nach oben durch den oberen Behälterboden
und nach unten durch einen von einem Speichertemperaturfühler S1
definierten Behälterquerschnitt
begrenzt. Das darunter liegende Reservevolumen ist nach unten wiederum
durch den unteren Behälterboden
begrenzt, wobei im unteren Bereich des Reservevolumens ein weiterer
Speichertemperaturfühler
S2 angeordnet ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Betreiben eines Schichtladespeichersystems zur Erwärmung, Bevorratung
und Bereitstellung eines Speichermediums, insbesondere für die Trinkwarmwasserversorgung,
ist gekennzeichnet durch einen in ein oben liegendes Bereitschaftsvolumen
und ein darunter liegendes Reservevolumen untergliederten Speicherbehälter.
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Ausgelöst wird
der Speicherladezyklus für das
Bereitschaftsvolumen, wenn die an einem Speichertemperaturfühler S1
gemessene Temperatur um mehr als eine zugelassene Temperaturdifferenz
unter der Warmwasserauslauf-Solltemperatur liegt. Diese zulässige Temperaturdifferenz
kann zum Beispiel 3 K betragen. Angestrebt wird in dieser Betriebsphase die
möglichst
schnelle Bereitstellung einer komfortablen Warmwassermenge auf Solltemperatur.
Die Speicherladung des Bereitschaftsvolumens erfolgt daher über eine
Warmwasserzulaufleitung W1, die einen Wärmeübertrager mit dem Bereitschaftsvolumen
verbindet. Der Speicherladezyklus für das Bereitschaftsvolumen
basiert auf einer konstanten Warmwasserzulauftemperatur T1 des umgewälzten Speichermediums
in der Warmwasserzulaufleitung W1, wobei die Warmwasserzulauftemperatur
T1 in etwa gleich einer Warmwasserauslauf-Solltemperatur ist. Das
ist die Temperatur, bei der das Warmwasser zum Auslauf aus dem Speicher
zur Zapfung bereitstehen soll. Aufgrund von Wärmeverlusten zum Beispiel in
der Warmwasserzulaufleitung W1 kann die Warmwasserzulauftemperatur
T1 geringfügig über der
Warmwasserauslauf-Solltemperatur liegen. Die während des Speicherladezyklus' für das Bereitschaftsvolumen
sich einstellende Warmwasserzulauftemperatur T1 ist eine Funktion
der Parameter Kaltwasserauslauftemperatur, Heizleistung des Wärmeerzeugers
und/oder des Wärmeübertragers,
Förderleistung
der Umwälzpumpe
und/oder Drosselwirkung einer einstellbaren Drossel in der Warmwasserzulaufleitung
W1. Die Einhaltung der Sollvorgabe an die Warmwasserzulauftemperatur
T1 (Begrenzung durch die vorgegebene Warmwasserauslauf-Solltemperatur)
erfolgt durch eine geeignete Verstellung einzelner oder aller Parameter
innerhalb der zur Verfügung
stehenden Regel- und
Wertebereiche. Das kann beispielsweise eine Modulation der Wärmeerzeugerheizleis tung
oder der Wärmeübertragerheizleistung
sein oder eine Veränderung
der Pumpendrehzahl.
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Der
Speicherladezyklus für
das Reservevolumen wird ausgelöst,
sobald die an einem Speichertemperaturfühler S2 gemessene Temperatur
um mehr als eine zugelassene Temperaturdifferenz unter einer Reservevolumen-Solltemperatur
liegt. Angestrebt werden in dieser Betriebsphase optimierte Betriebsbedingungen
für Wärmeerzeuger
wie Wärmepumpen
und Brennwertheizgeräte.
Durch die Wahl vergleichsweise niedriger Betriebstemperaturen im Speicherladekreis
werden die Leistungszahlen bzw. Wirkungsgrade der Wärmeerzeuger
deutlich erhöht. Die
Speicherladung des Reservevolumens erfolgt über eine Warmwasserzulaufleitung
W2, die den Wärmeübertrager
mit dem Reservevolumen verbindet. Der Speicherladezyklus für das Reservevolumen basiert
auf einer Warmwasserzulauftemperatur T2 des umgewälzten Speichermediums
in der Warmwasserzulaufleitung W2, wobei die Warmwasserzulauftemperatur
T2 um einen vorgebbaren, vergleichsweise geringen Betrag über der
Kaltwasserauslauftemperatur des umgewälzten Speichermediums in der
Kaltwasserauslaufleitung liegt, jedoch maximal gleich der Warmwasserauslauf-Solltemperatur
ist. Das dabei umgewälzte
Wasservolumen kann wegen der vergleichsweise geringen Temperaturerhöhung deutlich
größer als
bei der Speicherladung des Bereitschaftsvolumens sein. Eine während des
Speicherladezyklus' für das Reservevolumen
am Wärmeübertrager
sich einstellende Temperaturdifferenz zwischen Kaltwasserauslauftemperatur
und Warmwasserzulauftemperatur T2 ist eine Funktion der Parameter
Kaltwasserauslauftemperatur, Wärmeerzeugerheizleistung,
Wärmeübertragerheizleistung,
Umwälzpumpenförderleistung
sowie der Drosselwirkung einer einstellbaren Drossel in der Warmwasserzulaufleitung
W2. Bei einer einfachen Ausführungsform wird
die gewünschte
Temperaturdifferenz am Wärmeübertrager
für die
Aufladung des Reservevolumens durch in geeigneter Weise definiert
vorgegebene Einstellungen der genannten Parameter festgelegt. Die
Warmwasserzulauftemperatur T2 steigt gleitend in etwa rampenförmig oder
stufenförmig über der
Zeit an und liegt um einen vorgebbaren Betrag von zum Beispiel 10
K über
der Kaltwasserauslauftemperatur. In der Regel und je nach Kaltwasserauslauftemperatur
reicht eine teilweise oder einmalige Umwälzung des Speichermediums mit
Erwärmung um
zum Beispiel 10 K nicht aus, um es bis auf Solltemperatur zu erwärmen. Daher
wird das im Reservevolumen bevorratete Speichermedium während des
Speicherladezyklus' für das Reservevolumen
bis zum Erreichen einer den Speicherladezyklus beendenden Abschaltbedingung
in der Regel mehrfach über
den Wärmeübertrager
umgewälzt.
Eine natürliche
Warmwasserschichtung, wie sie sich im Reservevolumen unter Einwirkung
der Dichte verschieden temperierten Wassers einstellt, hat zur Folge,
dass immer das kühlste
Wasser im Reservevolumen im unteren Behälterbereich liegt und in den
Speicherladekreis gelangt. Bei mehrmaliger Umwälzung und schrittweiser Erwärmung wird schließlich die
Solltemperatur erreicht. Erreicht wird damit ein vergleichsweise
langer Betrieb des Speicherladekreises bei vergleichsweise niedrigen
Betriebstemperaturen. Dadurch werden die Betriebsbedingungen für Wärmepumpen
und für
kondensierende Wärmeerzeuger wie
zum Beispiel Brennwertheizgeräte
optimiert, da deren Leistungszahlen bzw. Wirkungsgrade entscheidend
von der Betriebstemperatur ihrer Wärmeübertrager abhängen.
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Der
Speicherladezyklus für
das Bereitschaftsvolumen hat Vorrang vor dem Speicherladezyklus
für das
Reservevolumen. Das gewährleistet, dass
die Komfortanforderungen des Nutzers an die Trinkwarmwasserversorgung
jederzeit zu erfüllen sind.
Die Warmwasserzulauftemperaturen T1 und/oder T2 werden mittels eines
Temperaturfühlers S3
gemessen und überwacht.
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Ein
Speicherladezyklus wird aus Sicherheitsgründen (z. B. Verbrühungsschutz
für den
Nutzer) dann beendet, wenn die Warmwasserzulauftemperaturen T1 oder
T2 die Warmwasserauslauf-Solltemperatur, trotz Ausschöpfen der
zur Verfügung
stehenden Regel- und Wertebereiche der einstellbaren und/oder vorgebbaren
Randbedingungen von Wärmeerzeugerheizleistung,
Wärmeübertragerheizleistung,
Umwälzpumpenförderleistung
und/oder Drosseleinstellung, übersteigen.
Das bedeutet, dass zur Senkung oder Einhaltung der Warmwasserauslauf-Solltemperatur
am Temperaturfühler
S3 beispielsweise zunächst
die Heizleistung des Wärmeerzeugers
reduziert oder die Förderleistung
der Umwälzpumpe
erhöht
wird, bevor der Speicherladezyklus beendet wird.
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Eine
Regelabschaltung des Speicherladezyklus' für
das Bereitschaftsvolumen erfolgt bei Erreichen und/oder Überschreiten
der Warmwasserauslauf-Solltemperatur am Speichertemperaturfühler S1. Dann
ist davon auszugehen, dass das gesamte Bereitschaftsvolumen von
oben her bis zur Position des Speichertemperaturfühlers S1
auf Solltemperatur aufgeladen ist.
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Eine
Regelabschaltung des Speicherladezyklus' für
das Reservevolumen erfolgt bei Erreichen und/oder Überschreiten
einer vorgebbaren Reservevolumen-Solltemperatur am Speichertemperaturfühler S2.
Diese Solltemperatur kann die Warmwasserauslauf-Solltemperatur oder eine andere, darunter
liegende Temperatur sein. Dann ist davon auszugehen, dass das gesamte
Reservevolumen zwischen den Speichertemperaturfühlern S1 (oben) und S2 (unten)
auf Solltemperatur aufgeladen ist.
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Mit
dieser Erfindung werden ein Schichtladespeichersystem und ein Verfahren
zu seinem Betrieb insbesondere für
die Trinkwarmwasserversorgung vorgestellt, die basierend auf der
Unterteilung des Speicherbehälters
in ein Bereitschaftsvolumen und ein Reservevolumen die konstruktiven
Rand- und Verfahrensbedingungen für möglichst hohe Wirkungsgrade
bzw. Leistungszahlen schaffen. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb des Schichtladespeichersystems
gewährt
einerseits uneingeschränkten
Warmwasserkomfort aus dem Bereitschaftsvolumen heraus. Mit dem Speicherladezyklus für das Reservevolumen
sind optimierte Betriebsbedingungen für einen Einsatz von an Brennwertheizgeräte oder
Wärmepumpensysteme
angeschlossenen Wärmetauschern
geschaffen.
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Die
Zeichnung stellt in zwei Figuren zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung
dar. Es zeigt:
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1 Schichtladespeichersystem
mit zwei Umwälzpumpen
im Speicherladekreis und
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2 Schichtladespeichesystem
mit Umwälzpumpe
und Dreiwegeventil.
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Das
Schichtladespeichersystem in 1 umfasst
einen Speicherbehälter 1,
der in ein Bereitschaftsvolumen 2 und ein Reservevolumen 3 untergliedert
ist. Gespeist wird der Speicherbehälter 1 über eine
Kaltwasserzulaufleitung 4. Über eine Warmwasserauslaufleitung 5 wird
das warme Speichermedium den Zapfstellen (nicht dargestellt) zugeführt. Am
oder im Speicherbehälter 1 sind
zwei Temperaturfühler
S1 und S2 angeordnet. Das Schichtladespeichersystem umfasst ferner
einen Speicherladekreis 6. Durch eine Kaltwasserauslaufleitung 7 wird
das kalte Speichermedium aus dem unteren Bereich des Reservevolumens 3 abgezogen
und einem Wärmeübertrager 8 zugeführt, der
seinerseits primärseitig
an einen Wärmeerzeuger 9 angebunden ist. Über zwei
Warmwasserzulaufleitungen W1 und W2 fließt das erwärmte Wasser zurück in den Speicherbehälter 1.
An oder in einem den beiden Warmwasserzulaufleitungen gemeinsamen
Leitungsstück
ist ein Temperaturfühler
S3 angeordnet. Die Zirkulation des Speichermediums im Speicherladekreis 6 wird
durch die Umwälzpumpen 10 oder 11 erreicht.
Zur Speicherladung des Bereitschaftsvolumens 2 wird kaltes
Speichermedium über
die Kaltwasserauslaufleitung 7 dem Reservevolumen 3 entnommen
und im Wärmeübertrager 8 auf
Warmwasserauslauf-Solltemperatur
erwärmt.
Die Umwälzpumpe 10 fördert das
warme Wasser durch die Warmwasserzulaufleitung W1 in das Bereitschaftsvolumen 2 des
Speicherbehälters.
Das Speichermedium wird solange gefördert und erwärmt, bis
am Speichertemperaturfühler
S1 die Warmwasserauslauf-Solltemperatur anliegt. Zur Speicherladung
des Reservevolumens wird kaltes Speichermedium über die Kaltwasserauslaufleitung 7 dem
Reservevolumen 3 entnommen und im Wärmeübertrager 8 um eine vorgegebene
Temperaturdifferenz von beispielsweise 10 K erwärmt. Die Umwälzpumpe 11 fördert das warme
Wasser durch die Warmwasserzulaufleitung W2 in das Reservevolumen
des Speicherbehälters, wo
es sich seiner Temperatur und Dichte entsprechend einschichtet.
Das Speichermedium im Reservevolumen wird solange umgewälzt und
erwärmt,
bis am Speichertemperaturfühler
S2 die Reservevolumen-Solltemperatur anliegt. Die Zirkulation des
Speichermediums im Speicherladekreis 6 von 2 wird durch
die Umwälzpumpe 12 in
der Kaltwasserauslaufleitung 7 erreicht. Strömungsabwärts des
Wärmeübertragers 8 bestimmt
die Stellung eines Dreiwegeventils 13, ob das warme Wasser
durch die Warmwasserzulaufleitung W1 oder W2 in den Speicherbehälter zurückströmt. Mit
Drosseln 14 und 15 wird der Volumenstrom im Speicherladekreis
eingestellt.