DE20013247U1

DE20013247U1 - Wärmespeicheranordnung

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Publication number: DE20013247U1
Application number: DE20013247U
Authority: DE
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Current assignee: Individual
Priority date: 2000-08-01
Filing date: 2000-08-01
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2010-08-02

Description

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Bezeichnung
Wärmespeicheranordnung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Wärmespeicheranordnung mit einem Hauptspeicherbehälter und wenigstens einem Zusatzspeicherbehälter.

&iacgr;&ogr; Wärmespeicheranordnungen sind insbesondere in Verbindung mit solarthermischen Kollektoren im Einsatz. Zur Erhöhung der Speicherkapazität ist es an sich bekannt, mehrere Speicherbehälter vorzusehen und diese in der Art zu verbinden, daß ein Speicher als Hauptspeicher dient, in welchem Wärme aus dem Solarkreislauf eingespeichert wird, wobei Schichtspeichereinrichtungen vorgesehen sein können. Eine Einspeicherung von Wärme in die Zusatzspeicher aus dem Hauptspeicher erfolgt beispielsweise dann, wenn dieser vollständig auf die Solltemperatur aufgeladen ist. Bei absinkender Temperatur im Hauptspeicher kann Wärme aus einem Zusatzspeicher in den Hauptspeicher zurückgeführt werden. Der Austausch zwischen Hauptspeicher und Zusatz-Speicher ist mit erhöhtem Aufwand für Umwälzvorrichtungen und Regeleinrichtungen verbunden und führt im allgemeinen auch nicht zu einer befriedigenden Verteilung der Speicherwärme, insbesondere bei Wärmeentnahme aus dem Hauptspeicher.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Wärmespeicheranordnung mit einem Hauptspeicherbehälter und wenigstens einem Zusatzspeicherbehälter bei geringem Installationsaufwand die Verteilung der Wärme in den Speicherbehältern zu verbessern und in Verbindung mit einer

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solarthermischen Kollektoranordnung den Wirkungsgrad der Anlage zu erhöhen.

Die Erfindung ist im Anspruch 1 beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Anordnung führt sowohl bei einer Fluidführung erster Art als auch bei einer Fluidführung zweiter Art zu einer Wärmeverteilung in den Speicherbehältern, welche im wesentlichen einer Anordnung der Speichervolumina übereinander in einem einzigen entsprechend hohen Speicher mit nur einer Vorrichtung zur Zufuhr und/oder Abfuhr von Wärme über jeweils eine die gesamte Behälterhöhe durchgreifenden Einschichteinrichtung äquivalent ist.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß keine zusätzlichen Installationen, Mess- und Regeleinrichtungen, Ventile und Pumpen für den Austausch von Wärme zwischen den mehreren Speicherbehältern erforderlich sind. Die mehreren Speicherbehälter können gleiche oder verschiedene Größen und Formen aufweisen.

Die mehreren Speicherbehälter können in Anpassung an bauliche Gegebenheiten gewählt und aufgestellt werden. Insbesondere ist auch eine einfache Speichererweiterung ohne Eingriff in die Inneninstallation vorhandener Speicherbehälter möglich.

Bei einer Fluidführung erster Art, welche Speicherflüssigkeit führt, ist ein Fluidkreislauf nacheinander durch alle Speicherbehälter geführt und extern d. h. außerhalb der Speicherbehälter wieder geschlossen. Mittels einer in den Kreislauf eingefügten Pumpe kann Speicherflüssigkeit in dem geschlossenen Kreislauf umgewälzt werden, wobei die aus einem Speicher abströmende Flüs-

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sigkeit beim Eintreten in den im Kreislauf nächstfolgenden Speicher über eine Einschichteinrichtung geführt ist, um die Flüssigkeit temperaturrichtig und verwirbelungsarm einzuschichten. Der Hauptspeicherbehälter ist dabei in Strömungsrichtung für Wärmeentnahme der letzte und für Wärmeeinspeicherung der erste Speicher der Aufeinanderfolge der mehreren Speicherbehälter.

Die Anbindung einer Wärmequelle oder Wärmesenke an eine Fluidführung erster Art erfolgt vorteilhafterweise über eine in dem externen Rückschlußweg des Kreislaufs angeordnete Wärmetauscheranordnung.

Eine Fluidführung zweiter Art für ein von der Speicherflüssigkeit getrenntes Fluid sieht in den mehreren Speicherbehältern jeweils eine Wärmetauscheranordnung vor. Die Wärmetauscheranordnungen sind dabei vorzugsweise jeweils am Eingang einer Einschichteinrichtung zur optimalen Einschichtung der die Wärmetauscheranordnung umströmenden Speicherflüssigkeit angeordnet. Die Wärmetauscheranordnungen sind nacheinander von dem Fluid durchströmt, wobei wiederum der Hauptspeicher in Strömungsrichtung der erste oder der letzte Speicher der Aufeinanderfolge der mehreren Speicherbehälter ist.

Die Fluidführung zweiter Art kann extern zu einem Kreislauf geschlossen sein und dabei ein Fluid enthalten, welches vorteilhafterweise auf die Art der Fluidführung und der damit verbundenen Wärmesenke oder Wärmequelle abgestimmt sein kann. Insbesondere kann eine Fluidführung zweiter Art einen solarthermischen Kreislauf bilden, in welchem eine solarthermische Kollektoran-Ordnung unmittelbar von dem Fluid durchströmt ist. Das Fluid kann dabei in an sich bekannter Weise aus einer Substanz oder einer Mischung bestehen, welche gegenüber reinem Wasser oder auch gegenüber der Speicherflüssigkeit einen abgesenkten Gefrierpunkt und/oder einen erhöhten Siedepunkt besitzt. Besonders vorteilhaft ist die Verbindung einer solar-thermischen Anlage mit

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einer Umwälzpumpe im Solarkreislauf, welche ihre elektrische Betriebsleistung zumindest teilweise aus einer photovoltaischen Einrichtung bezieht und dabei auf eine Zieltemperatur des Fluids am Kollektorausgang geregelt ist oder auch allein photovoltaisch und ungeregelt betrieben sein kann.

Eine extern zu einem Kreislauf geschlossene Fluidführung zweiter Art kann auch, insbesondere beim Einsatz zur Brauchwassererwärmung, im externen Rückschluß eine weitere Wärmetauscheranordnung enthalten.

&iacgr;&ogr; Eine Fluidführung zweiter Art kann auch, anstelle des externen Schlusses zu einem Kreislauf, zwischen externen Anschlüssen einer Fluidquelle und einer Fluidsenke von einem Fluid durchströmt sein, wobei das Fluid hierbei insbesondere Brauchwasser sein kann und die Fluidführung zweiter Art einen Frischwasserzufluß mit einer Zapfstelle verbindet.

Die Wärmespeicheranordnung ist insbesondere als Pufferanordnung einer solarthermischen Anlage zur Brauchwassererwärmung eingesetzt. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann eine solche solarthermische Anlage durch eine konventionelle Heizeinrichtung ergänzt und/oder zur Bedienung eines Heizkreises mit herangezogen sein. Die konventionelle Heizeinrichtung kann vorteilhafterweise zur Aufheizung eines oberen Teilvolumens des Hauptspeichers und/oder zur Temperaturanhebung von für den Heizkreis aus dem Hauptspeicher entnommener Speicherflüssigkeit eingesetzt werden. Bei gleichzeitiger Verwendung der Speicherflüssigkeit für die Brauchwassererwärmung und für einen Heizkreis kann vorteilhafterweise für die Brauchwassererwärmung eine Fluidführung erster Art eingesetzt sein, deren kalte Rücklaufleitung mit dem Rücklauf des Heizkreises zusammengelegt ist.

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Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung, bei welcher sowohl die Zuführung als auch die Entnahme von Wärme aus dem Speichervolumen über eine Fluidführung erster und/oder zweiter Art erfolgen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildung noch eingehend veranschaulicht.

Die Abbildung zeigt eine Wärmespeicheranordnung mit einem Hauptspeicherbehälter HS und drei Zusatzspeicherbehältern ZS1, ZS2 und ZS3. Die mehreren Speicherbehälter sind bezüglich der Fluidführungen FF1 und FF2 kaskadiert aufeinanderfolgend angeordnet.

Die Wärmespeicheranordnung ist im skizzierten Beispiel Teil einer Gesamtanlage mit einer solarthermischen Kollektoranordnung STK₁ einer photovoltaischen Einrichtung PVM₁ Einrichtungen zur Brauchwassererwärmung, einem Heizkessel ZH und einem Heizkreis HK.

Die solarthermische Kollektoranordnung STK ist in einen geschlossenen Kreislauf einer Fluidführung FF2 zweiter Art eingefügt, in welchem über eine von der photovoltaischen Einrichtung PVM angetriebene Umwälzpumpe SP ein Solarfluid umgewälzt werden kann. Die Pumpe SP kann ungeregelt durch die von der photovoltaischen Einrichtung PVM gelieferte elektrische Leistung angetrieben sein. Eine andere vorteilhafte Betriebsweise der Pumpe SP kann vorsehen, daß die Förderleistung so gesteuert ist, daß das Solarfluid am Ausgang der Kollektoranordnung STK zur solaren Vorlaufleitung eine vorgebbare Zieltemperatur einnimmt. Die elektrische Leistung der Pumpe kann auch aus dem konventionellen Stromnetz oder einer Pufferbatterie entnommen sein. Die Pumpe SP ist vorzugsweise in der kalten solaren Rücklaufleitung SR angeordnet.

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Das in der Kollektoranordnung STK durch Sonneneinstrahlung erwärmte Solarfluid wird mittels der Pumpe über die solare Vorlaufleitung SV zu einer Wärmetauscheranordnung TH im Hauptspeicherbehälter HS befördert, durchläuft danach die in der Fluidführung FF2 in Strömungsrichtung folgenden Wämnetauscheranordnungen TZ1, TZ2 und TZ3 in den Zusatzspeicherbehältern Z1, Z2, Z3 und fließt vom Ausgang der letzten Wärmetauscheranordnung TZ3 des in der Aufeinanderfolge letzten Zusatzspeichers Z3 über die solare Rücklaufleitung SR wieder zur Kollektoranordnung STK. Die einzelnen Wärmetauscheranordnungen TH, TZ1, TZ2, TZ3 sind jeweils mit Schichtspeichereinrichtungen

&iacgr;&ogr; SE zur temperaturrichtigen Einschichtung der in den Wärmetauscheranordnungen erwärmten Speicherflüssigkeit im Speichervolumen verbunden. Die Wärmetauscheranordnungen sind zur Zuführung von Wärme aus der Kollektoranordnung als Wärmequelle in die Speicherflüssigkeit im untersten Bereich der Speicherbehälter angeordnet.

Beim Durchströmen der aufeinanderfolgenden Wärmetauscheranordnungen gibt das Solarfluid Wärme an kältere Speicherflüssigkeit in der Wärmetauscheranordnung ab und kühlt dabei bis zum Austritt aus der Wärmetauscheranordnung auf die Temperatur der Speicherflüssigkeit im untersten Speicherbereich ab. Die Temperatur des dem Eingang der Wärmetauscheranordnung TZ2 des ersten Zusatzspeichers Z1 zugeführten Solarfluids ist daher gleich der Temperatur der untersten und damit der kühlsten Schicht der Speicherflüssigkeit im Hauptspeicher HS. Dies führt vorteilhafterweise ohne gesonderte Steuer- oder Regeleinrichtungen dazu, daß vorrangig die Speicherflüssigkeit des Hauptspeichers vollständig auf die höchste Temperatur erwärmt wird und keine Erwärmung des nachfolgenden ersten Zusatzspeichers über die minimale Temperatur im Hauptspeicher erfolgt. Bei vollständig aufgeheizter Speicherflüssigkeit im Hauptspeicher wird, ohne daß der Eintritt dieses Zustands überwacht werden oder ein Leitungsweg umgeschaltet oder sonstwie betätigt wer-

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den muß, das aufgeheizte Solarfluid ohne Temperaturverlust durch die Wärmetauscheranordnung des Hauptspeichers durchgeleitet und erwärmt die Speicherflüssigkeit im ersten Zusatzspeicher Z1. Dieses Prinzip setzt sich bis zum letzten Zusatzspeicher Z3 fort, der dadurch als letzter der mehreren Speicherbehälter erwärmt wird und im Regelfall die niedrigste Maximaltemperatur aller Speicherbehälter aufweist. Dennoch steht das gesamte Speichervolumen aller Speicherbehälter für die Erwärmung auf die höchste Temperatur und damit die größtmögliche Wärmespeicherung zur Verfügung, wobei gleichzeitig das Solarfluid auf die niedrigste Temperatur in den geschichteten Volumina

&iacgr;&ogr; aller Speicher abgekühlt und dem Kollektor wieder zugeführt wird. Dies ist von Vorteil für einen hohen solaren Ertrag.

Eine Fluidführung FF1 erster Art ist in der Abbildung zur Wärmeentnahme aus der Speicherflüssigkeit für die Erwärmung von Brauchwasser skizziert. Die Fluidführung FF1 bildet einen extern geschlossenen Kreislauf für mittels einer Pumpe BP umgewälzte Speicherflüssigkeit. In dem extern geschlossenen Kreislauf ist eine weitere Wärmetauscheranordnung BT vorgesehen, welcher einerseits aus dem obersten Bereich des Hauptspeichers HS über eine Vorlaufleitung BV Speicherflüssigkeit hoher Temperatur zugeführt ist und die andererseits im Gegenzug von Frischwasser durchströmt ist. Das an einem Kaltwasserzulauf KW einströmende Frischwasser entzieht der im Kreislauf FF1 umgewälzten Speicherflüssigkeit in der Wärmetauscheranordnung BT Wärme und tritt am Warmwasserauslauf WW wieder zu einer Zapfstelle aus. Die in der Wärmetauscheranordnung BT abgekühlte Speicherflüssigkeit wird über eine Rücklaufleitung BR in den untersten Bereich des letzten Zusatzspeichers Z3 eingeleitet. Der Kreislauf FF1 ist durch Verbindungsleitungen VL zwischen den Flüssigkeitsräumen der mehreren Speicherbehälter in der Weise geführt, daß aus dem obersten Bereich des letzten Zusatzspeichers Z3 Speicherflüssigkeit in den untersten Bereich des vorletzten Zusatzspeichers geleitet wird, was sich

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über die Aufeinanderfolge der Speicherbehälter fortsetzt, bis Speicherflüssigkeit aus dem obersten Bereich des ersten Zusatzspeichers Z1 in den untersten Bereich des Hauptspeichers geführt wird. Bei der Einleitung in die untersten Bereiche der Speicher ist vorzugsweise jeweils wieder eine Einschichteinrichtung BE vorgesehen, welche für eine temperaturgerechte Einschichtung der eingeleiteten Speicherflüssigkeit sorgt. Durch die Führung der Verbindungsleitungen und die temperaturgerechte Schichtung der Speicherflüssigkeit in den Speicherbehältern wird aus einem Speicherbehälter jeweils Speicherflüssigkeit der in diesem Behälter maximalen Temperatur in den nächsten Behälter übergeleitet. Wenn die Temperatur der über die Rücklaufleitung BR in den letzten Zusatzspeicher eingeleiteten Speicherflüssigkeit höher liegt als die Temperatur der dort befindlichen Speicherflüssigkeit, so steigt die wärmere rückgeführte Speicherflüssigkeit unmittelbar in den obersten Bereich von Z3 auf und strömt dort über eine sich bildende dünne wärmere Schicht gleich weiter in den vorletzten Zusatzspeicher Z2, ohne daß in größerem Umfang Wärme an die Speicherflüssigkeit im letzten Zusatzspeicher Z3 abgegeben wird. Die Einleitung von Speicherflüssigkeit aus dem obersten Bereich eines Speicherbehälters in den nächstfolgenden Speicher kann auch in den oberen Bereich des Folgespeichers mit einer nach unten führenden Einschichteinrichtung erfolgen.

Anstelle der skizzierten Ausführung mit Erwärmung des Brauchwassers über eine Fluidführung erster Art kann die Brauchwassererwärmung auch über eine Fluidführung zweiter Art erfolgen, indem beispielsweise in einer ersten Variante die Fluidführung zweiter Art einen geschlossenen Kreislauf mit in den obersten Bereichen der Speicherbehälter angeordneten, nacheinander vom letzten Zusatzspeicher zum Hauptspeicher von einem von der Speicherflüssigkeit und vom Brauchwasser getrennten Wärmeträgerfluid bildet, welcher extern wieder die weitere Wärmetauscheranordnung BT umfaßt. Das abgekühlte rücklaufende Wärmeträgerfluid nimmt dann auf dem Weg durch die in den Speicherbe-

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hältern angeordneten Wärmetauscheranordnungen jeweils die in dem jeweiligen Speicher vorliegende maximale Temperatur an. Ein Austausch von Speicherflüssigkeit zwischen den Speicherbehältern findet dabei nicht statt.

In einer anderen Version zur Erwärmung von Brauchwasser über eine Fluidführung zweiter Art ist die Fluidführung nicht zu einem Kreislauf geschlossen und enthält kein gesondertes Wärmeträgerfluid, sondern ist direkt in den Brauchwasserfluß zwischen einem Kaltwasserzufluß und einer Warmwasserzapfstelle eingefügt und von Brauchwasser durchströmt.

In entsprechender Weise kann die Wärmequelle auch über eine Fluidführung erster Art mit den Speichern verbunden sein und direkt von der umgewälzten Speicherflüssigkeit durchströmt oder unter Zwischenfügung einer weiteren außerhalb der Speicherbehälter angeordneten Wärmetauschervorrichtung an die Speicherflüssigkeit gekoppelt sein.

Eine soweit beschriebene solar gespeiste Anlage zur Brauchwassererwärmung kann vorteilhafterweise mit einem zusätzlichen Heizkessel ZH versehen sein und/oder zur Versorgung eines Heizkreises mit herangezogen sein.

Durch den Heizkessel ZH kann beispielsweise bei geringer Sonneneinstrahlung und/oder hoher Entnahme erwärmten Brauchwassers gewährleistet werden, daß ein Bereitschafts-Mindestvolumen von z. B. einem Drittel des Hauptspeichervolumens in dessen oberstem Bereich immer eine Mindesttemperatur aufweist und bei Bedarf durch den Heizkessel über eine Zuleitung LH in den obersten Bereich des Hauptspeichers HS aufgeheizt wird. Um den Einsatz von Brennstoff möglichst gering zu halten, wird dem Heizkessel für die Bedarfs-Speicheraufheizung über eine abführende Leitung LL in einem mittleren Bereich Speicherflüssigkeit zugeführt, welche im Regelfall bereits vorgewärmt ist.

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Der Aufheizungsbedarf kann über eine Temperaturfühleranordnung TF im oder am Hauptspeicher überwacht werden.

Die Speicherflüssigkeit kann auch einem Heizkreis zugeleitet sein, wobei die Wasserentnahme für einen solchen Heizkreis HK zum Erhalt eines Mindestvolumens an Speicherflüssigkeit hoher Temperatur für die Brauchwassererwärmung in einer mittleren Höhe des Hauptspeichers HS beispielsweise über die Leitung LL erfolgen kann. Eine ggf. erforderliche Temperaturanhebung der dem Heizkreis über die Vorlaufleitung HV zugeführten Speicherflüssigkeit kann mittels des Heizkessels ZH vorgenommen werden. Der Heizkreis kann eine Mischeranordnung HM und ein Überströmventil UV zwischen Vorlaufleitung HV und Rücklaufleitung HR enthalten. Die im Heizkreis abgekühlte Speicherflüssigkeit wird über die Rücklaufleitung HR wieder zu den Speicherbehältern zurückgeführt, wobei vorteilhafterweise die Rückführung gemeinsam mit der Rücklaufleitung BR der Brauchwassererwärmung, insbesondere über den mit der Fluidführung FF1 erster Art gemeinsamen Anschluß des letzten Zusatzspeichers in der in der Abbildung skizzierten und bereits beschriebenen Art erfolgt. Die abgekühlte, aus dem Heizkreis zurückfließende Speicherflüssigkeit wird in entsprechender Weise in das Speichervolumen eines der Speicher eingeschichtet. Eine Kombination des im typischen Fall kälteren Rücklaufs über die Rücklaufleitung BR mit dem wärmeren Heizkreis-Rücklauf kann bei nur gelegentlichem gleichzeitigem Auftreten in Kauf genommen werden. Alternativ können die Rückläufe aus den verschiedenen Kreisen auch über separate Anschlüsse des letzten Zusatzspeichers ZS3 mit jeweils eigenen Schichteinrichtungen zurückgeführt sein oder die Fluidführung für die Brauchwassererwärmung kann auch vollständig vom Heizkreis getrennt sein.

Die vorstehend und in den Ansprüchen angegebenen sowie die der Abbildung entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kom-

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bination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.

Claims

1. Wärmespeicheranordnung mit einem Hauptspeicherbehälter und wenigstens einem Zusatzspeicherbehälter, welche Speicherflüssigkeit enthalten und Schichteinrichtungen zum an eine Wärmeschichtung im Speicher angepaßten Wärmeaustausch mit wenigstens einer externen Fluidführung mit einer Wärmequelle und/oder eine Wärmesenke aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß

a) wenigstens eine außerhalb der Speicher geschlossene Fluidführung erster Art für Speicherflüssigkeit alle Speicherbehälter über jeweils eine Schichteinrichtung nacheinander durchläuft und/oder

b) b) wenigstens eine Fluidführung zweiter Art für ein von der Speicherflüssigkeit getrenntes Fluid nacheinander jeweils über Wärmetauscher- Vorrichtungen mit Schichteinrichtungen durch mehrere Speicherbehälter führt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine solarthermische Kollektoranordnung als Wärmequelle vorgesehen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die solarthermische Kollektoranordnung in eine extern geschlossene Fluidführung zweiter Art eingeschlossen ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Umwälzpumpe durch eine photovoltaische Einrichtung angetrieben ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einer extern geschlossenen Fluidführung eine ungeregelte Umwälzung von Fluid erfolgt.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brauchwassererwärmung über einen zusätzlichen Wärmetauscher in einer extern geschlossenen Fluidführung erfolgt.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brauchwassererwärmung über eine Fluidführung erster Art erfolgt.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brauchwassererwärmung durch eine Brauchwasser führende Fluidführung zweiter Art erfolgt.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zusatzspeicher vorhanden und in wenigstens eine der Fluidführungen erster und/oder zweiter Art nacheinander eingebunden sind.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein externer Heizkessel mit dem Hauptspeicher verbunden ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rücklauf eines Heizsystems mit dem Rücklauf einer Fluidführung erster Art zur Brauchwassererwärmung zusammengelegt ist.