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Die
Erfindung betrifft einen Wasserspeicher. Der Begriff Wasserspeicher
inkludiert Warmwasserspeicher, in denen Frischwasser (Trinkwasser)
bereitgestellt wird, aber auch so genannte Pufferspeicher, die an
ein Heizungssystem und/oder Wärmetauscher
zur Erwärmung
von Frischwasser angeschlossen sind.
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Der
Begriff Wasserspeicher inkludiert auch so genannte Kombispeicher,
die gleichzeitig Warmwasser für
Bad und Dusche liefern und einen Heizkreislauf unterstützen. Es
ist selbstverständlich,
dass beide Wasserkreisläufe
hundertprozentig voneinander getrennt werden müssen. In der Praxis geschieht dies
dadurch, dass der Behälter
durch geschlossene Böden
in unterschiedliche Zonen für
Frischwasser und Heizungswasser getrennt wird. Zu- und Ableitungen
führen
zu den einzelnen Zonen beziehungsweise aus den einzelnen Zonen weg.
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Ein
solcher Behälter
lässt sich
prinzipiell auch für
Pufferspeicher einsetzen. Dabei kann eine Zone, in der Heißwasser
mit beispielsweise Temperaturen von 60 bis 90°C gespeichert wird, an einen Wärmetauscher
angeschlossen werden, der der Erwärmung von Frischwasser dient.
Eine weitere Zone mit Warmwasser, beispielsweise im Temperaturbereich
40 bis 70°C,
dient zum Anschluss an einen Heizkreislauf zur Beschickung von Radiatoren.
Alternativ oder kumulativ kann eine weitere Zone mit Wasser im Temperaturbereich
von beispielsweise 30 bis 40°C
der Beschickung einer Fußbodenheizung
dienen.
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Die
Rücklaufleitungen
der genannten Systemkomponenten können über eine Wärmepumpe geführt werden,
um das Wasser auf die jeweils gewünschte Temperatur zu erwärmen und
anschließend
in den Pufferspeicher (in die entsprechende Zone) zurückzuführen.
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Ein
solcher Behälter
mit diskreten, voneinander abgegrenzten Zonen hat den Nachteil,
dass das Volumen jeder einzelnen Zone definiert und nicht veränderbar
ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wasserspeicher der genannten
Art anzubieten, in dem Wasser unterschiedlicher Temperatur gespeichert
werden kann. Dabei soll der Wasserspeicher so gestaltet sein, dass
die einzelnen Temperaturzonen flexibel genutzt werden können. Dies
ist beispielsweise wichtig für
Anwendungen des Wasserspeichers in einem Warmwasser- oder Heizungssystem,
welches auf Basis erneuerbarer Energieträger arbeitet.
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Grundgedanke
der Erfindung ist es, den Wasserspeicher mit mindestens einem Zwischenboden
auszubilden, der einzelne Zonen des Behälterinnenraums aber nicht hermetisch
abriegelt, sondern Durchgangsöffnungen
aufweist, durch die Wasser von einer Zone in eine benachbarte Zone
strömen kann.
Dabei macht sich die Erfindung den physikalischen Effekt zunutze,
dass warmes Wasser leichter ist als kaltes Wasser und damit im Behälter aufsteigt. Mit
anderen Worten: durch die strömungstechnische Verbindung
unterschiedlicher Temperaturzonen im Behälter-Innenraum wird einerseits
eine geschichtete Speicherung des Wassers im Behälter möglich, wobei kälteres Wasser
unten und wärmeres
Wasser oben gespeichert wird, aber auch ein Wasserübergang
von einer Zone in eine darüber
liegende Zone erlaubt.
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In
ihrer allgemeinsten Ausführungsform
betrifft die Erfindung danach einen Wasserspeicher mit folgenden
Merkmalen:
- – einem Behälter, dessen Boden, Decke und
umlaufende Wand einen Behälter-Innenraum
begrenzen, mit einer im Funktionszustand des Behälters vertikal verlaufenden
Längsachse,
- – mindestens
einem Kaltwasserzulauf am unteren Ende des Behälters,
- – mindestens
einem Warmwasserablauf am oberen Ende des Behälters, und
- – mindestens
einem, den Behälter-Innenraum
in übereinander
liegende Zonen teilenden Zwischenboden, wobei
- – der
Zwischenboden zumindest partiell zur Bildung mindestens einer spaltförmigen Öffnung mit Abstand
zur umlaufenden Wand verläuft.
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Die
spaltförmige Öffnung schafft
die Möglichkeit,
dass relativ wärmeres
Wasser von einer Behälterzone
in die darüber
liegende Behälterzone
geführt werden
kann. Auf diese Weise kann für
jede Zone flexibel ein Temperaturniveau eingestellt werden, welches über die
Zu- und Abfuhr von Kalt- oder Warmwasser in den Behälter beziehungsweise
aus dem Behälter
heraus gesteuert/geregelt werden kann. Auf diese Weise lässt sich
auch das Temperaturprofil jeder Zone durch Wasserübertritt
von einer Zone in eine andere Zone einstellen.
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Der
Zwischenboden kann an mindestens einer Stelle mit der umlaufenden
Wand verbunden sein. Ebenso ist es möglich, insbesondere zur Befestigung
des obersten Zwischenbodens des Behälters, diesen deckenseitig
zu befestigen.
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Die
spaltartigen Öffnungen
verlaufen nach einer Ausführungsform
mehr oder weniger parallel zur umlaufenden Wand. Zur Ausbildung
einer möglichst
laminaren Strömung
ist es vorteilhaft, bei mehreren Öffnungen diese rotationssymmetrisch
anzuordnen, um eine gleichmäßige langsame
Strömung von
einer Zone in die benachbarte Zone zu erreichen.
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Die
Breite der Öffnung(en),
senkrecht zur umlaufenden Wand, sollte nach einer Ausführungsform
zwischen 1 und 50 mm betragen, wobei eine Breite bis 20 mm in der
Regel ausreichend ist. Die Spaltbreite kann auch geringer sein,
beispielsweise mit Maximalwerten < 10, < 6, < 4, < 3 oder < 2 mm.
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Die
Zuleitung von relativ wärmerem
Wasser in eine darüber
liegende Zone wird optimiert, wenn der Zwischenboden umfangsseitig
zumindest abschnittweise in Richtung auf die Decke des Behälters geneigt
verläuft.
Diese Neigung kann geradlinig, aber auch gewölbt sein. Dies schließt Ausführungsformen ein,
bei denen der Zwischenboden beispielsweise kegelartig gestaltet
ist, wobei die Kegelspitze in Richtung auf den Boden zeigt. Bei
gewölbten
Böden oder gewölbten Abschnitten
der Böden
ist die Wölbung, bezogen
auf den Behälterboden,
konvex, wie in der nachfolgenden Figurenbeschreibung dargestellt.
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Damit
wird ein Zwischenboden zur Verfügung
gestellt, der insbesondere umfangsseitig und zumindest abschnittweise
in Richtung auf die Decke des Behälters gekrümmt oder schräg verläuft.
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Zwischenböden der
genannten Art können beispielsweise
eine Zone des Behälters,
die Wasser zur Frischwassererwärmung
speichert, von einer Zone trennen, die Wasser für einen Heizkreislauf speichert.
Eine weitere Untergliederung durch einen weiteren Zwischenboden
ist möglich
zwischen einer Zone, die der Speicherung von Wasser dient, mit der Radiatoren
beheizt werden und einer Zone, die einem Heizkreislauf zugeordnet
ist, in dem sich Niedrigtemperatur-Heizelemente, beispielsweise
eine Fußbodenheizung,
befindet.
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In
Temperaturen ausgedrückt
lassen sich beispielsweise folgende Temperaturzonen durch die genannten
Zwischenböden
voneinander trennen:
- – 60 bis 90°C
- – 40
bis 60°C
- – 30
bis 40°C
- – < 30°C.
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In
einer Hochtemperaturzone wird dann beispielsweise Wasser bereitgestellt,
welches über
einen Wärmetauscher
zur Erwärmung
von Frischwasser dient.
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Es
ist selbstverständlich,
dass die einzelnen Temperaturzonen mit entsprechenden Zu- und Ableitungen
versehen sind, die an nachgeschaltete Systemkomponenten angeschlossen
werden.
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Ausgehend
von einer Hochtemperaturzone mit beispielsweise 90°C bedeutet
dies, dass das Rücklaufwasser
unterschiedliche Temperaturen aufweisen kann. Wird es beispielsweise
mit 50°C
zurückgeführt, bietet
es sich an, das Wasser in die unmittelbar darunter liegende Behälterzone
einzuleiten, in der Wasser mit beispielsweise 40 bis 65°C gepuffert
wird. Ebenso ist es aber auch möglich,
das Rücklaufwasser
in die wiederum darunter angeordnete Zone einzuleiten, in der im
Normalfall Wasser mit einer Temperatur von 30 bis 40°C gespeichert
wird, um dieses über
das Rücklaufwasser
zu erwärmen
und in der Folge eine Überführung in
die darüber
befindliche Temperaturzone zu ermöglichen, und zwar über die Öffnungen
zwischen Zwischenboden und Wand des Behälters.
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Wird
Kaltwasser zurückgefördert, beispielsweise
mit einer Temperatur von 10 oder 20°C, kann dieses in die unterste
Behälterzone
eingeleitet werden. Von dieser Kaltwasserzone kann das Wasser abgezogen
und über
eine angeschlossene Wärmepumpe
erwärmt
werden, um es anschließend
in die entsprechende Temperaturzone des Pufferspeichers zurückzuführen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele
näher erläutert. In stark
schematisierter Darstellung zeigen:
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1:
einen Vertikalschnitt durch einen Wasserspeicher mit drei Zwischenböden in unterschiedlicher
Konfiguration,
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2: eine Aufsicht auf eine vierte Ausführungsform
eines Zwischenbodens,
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3: eine Aufsicht auf eine fünfte Ausführungsform
eines Zwischenbodens.
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In
den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bauteile mit gleichen
Bezugsziffern dargestellt.
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Der
in 1 dargestellte Wasserspeicher besteht aus einem
Behälter,
dessen Boden mit 10, dessen Decke mit 12 und dessen
zylinderförmige Wand
mit 14 bezeichnet ist. Auf der Wand ist eine (nicht dargestellte)
Isolierung, beispielsweise aus expandiertem Polypropylen (EPP) aufgebracht.
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Der
mit 16 gekennzeichnete Behälter-Innenraum ist durch drei
Zwischenböden 22 in
vier Temperaturzonen 16.1...16.4 unterteilt.
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Zwischen
der obersten Zone 16.1 und der darunter liegenden Zone 16.2 ist
ein kalottenartig gestalteter Boden 22 angeordnet, und
zwar so, dass zwischen dem Boden 22 und der Wand 14 ein
ringförmiger
Spalt (eine spaltförmige Öffnung)
verläuft, die,
senkrecht zur Wand 14, die Breite „a" hat. Der Zwischenboden 22 ist über Stege 24 an
der Decke 12 befestigt. Die Zone 16.1 dient der
Speicherung von Wasser im Temperaturbereich 60 bis 90°C, die Zone 16.2 der
Speicherung von Wasser im Temperaturbereich 40 bis 65°C. Wasser
im Temperaturbereich 60 bis 65°C
kann durch die spaltförmige Öffnung 26 von der
Zone 16.2 in die Zone 16.1 strömen. Durch die kugelartig ausgebildete
Oberfläche
des Zwischenbodens 22 entsteht eine laminare beruhigte
Strömung. Auf
diese Weise lassen sich definierte Temperaturprofile in den Zonen 16.1, 16.2 einstellen.
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In
jeder Zone selbst gibt es einen gewissen Temperaturgradienten, bedingt
durch das über
die Zuführleitungen
(Pfeile Z) zugeführte
beziehungsweise über
die Abführleitungen
(Pfeile A) weggeführte Wasser.
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In ähnlicher
Weise ist die Zone 16.2 von der darunter liegenden Zone 16.3 getrennt,
wobei der Zwischenboden 22 wie folgt gestaltet ist: Der
innere Abschnitt verläuft
im Wesentlichen senkrecht zur Mittenlängsachse M-M des Behälters, seine
Randbereiche 22r sind schräg nach oben abgewinkelt und
an drei, im Winkel von 120° zueinander
stehenden Stellen (22s) an der Innenseite der Wand 14 befestigt, hier
verschraubt. Zwischen den Verbindungsstellen 22s verlaufen
demnach drei spaltförmige Öffnungen 26, über die
Wasser von der Zone 16.3 in die Zone 16.2 strömen kann.
Die schräg
gestellten Ränder 22r ermöglichen
auch hier eine weitestgehend laminare Strömung zwischen den Zonen 16.3, 16.2.
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Der
unterste Zwischenboden 22 trennt die Kaltwasserzone 16.4 (Wassertemperatur: < 20°C) von der
Zone 16.3, in der Wasser mit einer Temperatur zwischen
20 und 40°C
gespeichert wird. Der Zwischenboden 22 ist leicht gewölbt und
verläuft
umfangsseitig vollständig
im Abstand zur Wand 14. Die spaltförmige Öffnung 26 ist hier
also durchgehend und ringförmig.
Der Zwischenboden 22 ist über zwei diskrete Winkel 24 an
der Wand 14 befestigt. Wird über die Zuführleitung Z in der Zone 16.3 Wasser
mit 50°C
zugeführt,
kann die Wassertemperatur in der Zone 16.3 auf > 40°C steigen und über die Öffnungen 26 in
die Zone 16.2 strömen.
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2 zeigt einen Zwischenboden 22 in ähnlicher
Geometrie wie der Zwischenboden 22 zwischen den Zonen 16.4 und 16.3.
Bei der Ausführungsform
nach 2 ist der Zwischenboden 22 jedoch über vier
Schweißpunkte 22s an
der Wand 14 befestigt, so dass insgesamt vier spaltförmige Öffnungen 26 ausgebildet
werden, jeweils mit konstanter Breite a von 6 cm zur Wand 14.
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Der
Zwischenboden 22 nach 3 unterscheidet
sich von der Ausführungsform
nach 2 dadurch, dass insgesamt acht
Verbindungspunkte 22s zur Wand 14 vorgesehen sind
und die Abschnitte 22z zwischen den Verbindungsstellen 22s umgekehrt
zur Behälterwand 14 gewölbt sind.
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Auf
diese Weise werden zwischen Wand 14 und Zwischenboden 22 acht
in der Aufsicht linsenartige Öffnungen 26 gebildet.
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Die
Zwischenböden 22 und
der Behälter
bestehen aus Stahl.
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Die
Erfindung lässt
sich in das nachstehend beschriebene Warmwasser- und/oder Heizungssystem integrieren.
Um die Erfindung darin anzuwenden müssen nicht alle System-Komponenten
und/oder Verfahrensschritte des Systems gleichzeitig erfüllt sein.
Je nach Anforderungsprofil kann die Erfindung auch in Kombination
mit einzelnen oder mehreren der nachstehend beschriebenen Merkmale
realisiert werden. Ebenso ist es möglich, dass die Erfindung einzelne
Merkmale innerhalb des Gesamtsystems ersetzt oder einzelne Systemmerkmale
gezielt ausgeschlossen werden.
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Das
System umfasst so genannte Primärenergie-Wärmetauscher
(PWT). Dazu gehören
die genannten Sonnenkollektoren, Luftwärmetauscher oder Erdwärmesonden
in beliebiger Zahl und Kombination. Mit diesen PWTs wird Primärenergie,
wie Sonnenenergie, auf ein Wärmeträger-Medium,
nachstehend Sole genannt (beispielsweise Glykol) übertragen.
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Das
System umfasst weiters eine Wärmepumpe,
die mindestens aus einem Verdampferteil, einem Kompressor, einem
Kondensatorteil und einer Entspannungseinrichtung besteht, wobei
die Wärmepumpe
von einem Kältemittel,
wie CO2 oder Ammoniak, durchströmt wird.
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Der
Verdampferteil der Wärmepumpe
kann von einem Wärmetauscher
gebildet werden. Dieser wird als Sekundärenergie-Wärmetauscher (SWT) bezeichnet,
weil im SWT die Wärmeübertragung
von der bereits im PWT erwärmten
Sole auf das Kältemittel
oder umgekehrt erfolgt.
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Ein
SWT kann auch ein Wärmetauscher sein,
der einen Wärmeübergang
von der Sole auf Wasser ermöglicht.
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Der
Kondensatorteil der Wärmepumpe
bildet in dieser Terminologie einen Tertiärenergie-Wärmetauscher (TWT), da in einer
dritten Stufe Wärme
vom Kältemittel
auf Wasser übertragen
wird.
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Zum
System gehört
ferner ein so genannter Pufferspeicher, der einer geschichteten
Speicherung von Wasser für
mindestens einen geschlossenen Wasserkreislauf dient. Da warmes
Wasser leichter als kaltes Wasser ist, ergibt sich im Pufferspeicher ein
Temperaturgefälle
von oben nach unten. Durch Zwischenböden, so genannte Schicht- oder
Schichtenbleche, können
unterschiedliche Abschnitte (Temperaturzonen) voneinander abgegrenzt
werden, wobei strömungstechnische
Verbindungen zwischen den Abschnitten erlaubt sind.
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Das
System ist an mindestens einen Hochtemperatur-Heizkreislauf (insbesondere
für Radiatoren)
anschließbar.
Dazu lässt
sich Wasser mit einer Vorlauftemperatur von beispielsweise 50°–90°C aus dem
Pufferspeicher entnehmen. Ebenso kann ein Heizkreislauf für Niedrigtemperaturen
angeschlossen werden, beispielsweise für Fußbodenheizungen, die mit Vorlauftemperaturen
von beispielsweise 20°–60°C arbeiten.
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Das
Warmwasser des Pufferspeichers kann ebenso zum Aufheizen von Frischwasser
genutzt werden, beispielsweise über
einen zwischengeschalteten Wärmetauscher.
Dazu weist der Pufferspeicher entsprechende Zu- und Ableitungen
für das
Zirkulationswasser auf.
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Das
in den Pufferspeicher zugeführte
Wasser kann entsprechend seiner Temperatur in die entsprechende
Temperaturzone geführt
werden.
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Mindestens
ein Abschnitt (eine Temperaturzone) des Pufferspeichers kann eine
Zusatz-Heizung, insbesondere eine elektrische Heizung aufweisen,
um bei Bedarf unabhängig
von den PWTs Wasser im Pufferspeicher aufheizen zu können.
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Als
SWT oder TWT eignen sich alle Arten von Wärmetauschern, insbesondere
Plattenwärmetauscher.
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Die
einzelnen Systemkomponenten, insbesondere innerhalb der funktionalen
Systemkreise (Solekreis, Kältemittelkreis,
Wasserkreis) können über geeignete
Mehrwegeventile, die auch Mischventile sein können, einzeln oder in Gruppen,
gegebenenfalls auch alle gleichzeitig, verbunden werden.