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Die
Erfindung betrifft einen Pufferspeicher mit einem fluiden Wärmespeichermedium
zur Speicherung von Wärmeenergie in einer Wärmeversorgungsanlage,
mit einem geschlossenen Speicherbehälter, welcher mit einer
Bodenseite und einer der Bodenseite gegenüberliegenden
Deckelseite ausgebildet ist, wobei der Speicherbehälter
mehrere Anschlussstutzen aufweist, an denen jeweils ein Anschlusselement
wenigstens eines Wärmekreises der Wärmeversorgungsanlage
anschließbar ist.
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Derartige
Pufferspeicher dienen der Einspeisung, Speicherung und Entnahme
der in dem fluiden Wärmespeichermedium, z. B. Wasser, enthaltenden Wärmeenergie,
um sie bedarfsgerecht in einer Wärmeversorgungsanlage zur
Verfügung zu stellen. Eine solche Wärmeversorgungsanlage,
insbesondere für Gebäude, umfasst einen oder mehrere
Wärmekreise, die der Förderung der von einem oder
mehreren Wärmeerzeugern erzeugten Wärmeenergie
an die verschiedenen Wärmeverbraucher dient.
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So
sind Wärmeversorgungsanlagen für Gebäude
bekannt, die ein Raumheizungssystem mit einem oder mehreren Heizungskreisen
für die Raumheizungsversorgung umfassen und alternativ
oder in Ergänzung häufig auch ein Brauchwassererwärmungssystem
mit einem oder mehreren Brauchwasserkreisen zur Erwärmung
von Brauchwasser für die sanitäre Warmwasserversorgung
aufweisen. Die erforderliche Wärmeenergie für
die Heizungskreise und Brauchwasserkreise wird von den Wärmeerzeugern
meist über einen gesonderten Wärmeerzeugerkreis
bereitgestellt. Heizungskreise, Brauchwasserkreise und Wärmeerzeugerkreise
bilden dabei die Wärmekreise der Wärmeversorgungsanlage.
Die Wärmeerzeuger können konventioneller Art sein,
wie zum Beispiel Brennstoffkessel mit Gas oder Öl als Brennstoff,
oder können regenerative Energien nutzen, wie zum Beispiel
Solarkollektoren, Wärmepumpen, Holzvergaser-Kessel oder
Biogasanlagen. Da die regenerativen Energien nicht regelmäßig
zur Verfügung stehen werden, wird die Wärmeerzeugung aus
diesen Energien üblicherweise durch konventionelle Wärmeerzeuger
unterstützt. Die von den Wärmeerzeugern erzeugte
Wärmeenergie wird in den Pufferspeicher eingespeist und
dort mittels des umfangreichen Speichervolumens des Wärmespeichermediums
längerfristig gespeichert. Bekannte Pufferspeicher weisen
dazu ein Speichervolumen von ca. 300 bis 850 l auf. Das fluide Wärmespeichermedium, insbesondere
Wasser, ist aufgrund seiner Wärmekapazität ein
guter Wärmespeicher. Für die Bereitstellung der
erforderlichen Heizungs- und Warmwassertemperatur in der Wärmeversorgungsanlage
liegt der Temperaturbereich des Wärmespeichermediums im Pufferspeicher
bei ca. 40° bis 90°C. Entsprechend dem Temperatur-
und Wärmeleistungsbedarf der Wärmeverbraucher
des Raumheizungssystem und/oder des Brauchwassererwärmungssystems wird über
den Heizungskreis bzw. über den Brauchwasserkreis die vorhandene
Wärmeenergie aus dem Pufferspeicher entnommen.
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Der
Pufferspeicher bildet dabei einen regulativen Ausgleich zwischen
dem Angebot an gelieferter Wärmemenge des Wärmeerzeugers
und dem hierzu oft zeitlich und mengenmäßig abweichenden
Bedarf an Wärmemenge bei den Wärmeverbrauchern.
Insbesondere bei Wärmeerzeugern, die regenerative Energien
nutzen, kann eine unregelmäßige Wärmemengenlieferung vorkommen,
die durch die Speicherung im Pufferspeicher kompensiert wird. So
variiert beispielsweise bei Solarkollektoren die erzeugte Wärmeleistung
entsprechend der Einstrahlungs- und Witterungsbedingungen besonders
stark.
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Der
Pufferspeicher als integrales Teil der Wärmeversorgungsanlage
ist vorzugsweise in einem Heizungs- bzw. Technikraum des Gebäudes
untergebracht, wobei zur Platzoptimierung der Pufferspeicher die
zur Verfügung stehende Raumhöhe des Heizungs-
bzw. Technikraum weitestgehend ausgeschöpft wird. Zum Anschluss
der Wärmekreisläufe der Wärmeversorgungsanlage
an den Pufferspeicher stehen am Speicherbehälter für
jeden Wärmekreis mehrere Anschlussstutzen zur Verfügung.
An diese Anschlussstutzen werden die Anschlusselemente des Wärmekreises,
wie beispielsweise die Vorlauf- und Rücklaufleitung des
Wärmekreises und gegebenenfalls auch Messleitungen für
Messeinrichtung des Wärmekreises, so für Temperaturfühler,
angeschlossen. Die Zugänglichkeit der Anschlussstutzen
zur Montage und Wartung der Anschlusselemente wird durch eine vorwiegend
seitliche Anordnung der Anschlussstutzen des Speicherbehälters
gewährleistet.
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Zur Übertragung
der Wärmeenergie stehen für die Wärmekreise
verschiedene Speichereinbauten, wie Ein- und Auslaufstutzen oder
Wärmetauscher, im Pufferspeicher zur Verfügung.
So kann ein Wärmekreis das Wärmespeichermedium
des Pufferspeichers umfördern und steht somit direkt mittels
eines Ein- und Auslaufstutzen mit dem Pufferspeicher in Verbindung.
Ein weiterer Wärmekreis, wie zum Beispiel der Brauchwasserkreis,
wird gewöhnlich getrennt vom Wärmespeichermedium
betrieben, so dass die Wärme mittels eines Wärmetauschers
aus dem Pufferspeicher auf das Brauchwasser des Brauchwasserkreises übertragen
wird.
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Die
Speichereinbauten sind zur Ausnutzung einer Temperaturschichtung
im Pufferspeicher infolge Dichteunterschiede des fluiden Wärmespeichermediums
in verschiedener Höhe des Speicherbehälters vorgefertigt
angeordnet, so dass auch die den Speichereinbauten zugehörigen
Anschlussstutzen der Wärmekreisläufe in unterschiedlicher
Höhe am Speicherbehälter angeordnet sind.
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Insbesondere
bei Wärmeversorgungsanlagen mit regenerativer Energienutzung
reicht die zur Verfügung stehende Speicherkapazität
des bekannten Pufferspeichers in Spitzenphasen des Wärmeangebots,
wie sie beispielsweise bei Solarkollektoren unter intensiver Sonneneinstrahlung
vorkommen, oft nicht aus. Es entsteht ein Überangebot an
erzeugter Wärme, die nicht mehr im Pufferspeicher gespeichert werden
kann. Zur Vermeidung einer thermischen Überlastung des
Wärmeerzeuger-Wärmekreises müssen die
Solarkollektoren bei Erreichen der Speicherkapazität des
Pufferspeichers trotz Wärmeenergieangebot abgeschaltet
werden. So geht dieses überschüssige Wärmeenergieangebot
für die langfristige Nutzung in einer Wärmeversorgungsanlage verloren,
wogegen in Schwachlastphasen des regenerativen Wärmeangebotes
durch konventionelle Wärmeerzeugung zusätzlich
Wärmeenergie zur Nachheizung erzeugt werden muss. Die Schalthäufigkeit
des Brenners des konventionellen Wärmeerzeugers ist dementsprechend
hoch. Anders ausgedrückt steht einer möglichen
intensiveren Nutzung der regenerativen Energiequellen die begrenzte Speicherkapazität
des Pufferspeichers energetisch entgegen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Pufferspeicher für
ein fluides Wärmespeichermedium zur Speicherung von Wärmeenergie
in einer Wärmeversorgungsanlage bereitzustellen, der eine verbesserte
Energieausnutzung ermöglicht, insbesondere eine höhere
Speicherkapazität aufweist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Pufferspeicher
mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 sowie durch eine Wärmeversorgungsanlage
mit den Merkmalen nach Patentanspruch 26 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 25, aus
der nachfolgenden Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen.
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Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, dass die Anschlussstutzen an der Deckelseite angeordnet sind
und der Speicherbehälter derart angeordnet oder ausgebildet
ist, dass die Deckelseite an einen Schachtraum angrenzt.
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Dabei
geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass die Speicherkapazität
des Pufferspeichers zur Speicherung von Wärmenergie umso
größer ist, je größer das Speichervolumen
des Wärmespeichermediums im Speicherbehälter ist.
Damit können die differenzierten Verhältnisse
zwischen dem spezifischen Wärmemengenangebot auf der Wärmeerzeugerseite
und dem spezifischen Wärmemengenbedarf auf der Verbraucherseite
der Wärmeversorgungsanlage wirksamer kompensiert werden.
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Die
Bereitstellung eines größeren Speichervolumens
des Pufferspeichers und damit eine Vergrößerung
des Speicherbehälters ist jedoch durch den zur Verfügung
stehenden Platz im Aufstellungsraum des Pufferspeichers begrenzt.
Die vorgesehenen Aufstellungsräume sind gebäudeseitig
vorkonzipierte Heiz- bzw. Technikräumen, deren Platzangebot
aus Kostengründen meist eng bemessen ist und durch weitere
gebäudetechnische Ausstattungen ausgelastet wird. Ebenso
wird die mögliche Größe des Pufferspeichers
durch die Zugänglichkeit dieser Heiz- bzw. Technikräumen,
die sich meist im Keller oder Dachraum des Gebäudes befinden,
eingeschränkt.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung der Anschlussstutzen
an der Deckelseite, wobei die Deckelseite gleichzeitig an einen
Schachtraum angrenzt, ermöglicht eine Vergrößerung
des Speicherbehälters. Die am Umfang des Pufferspeichers
in verschiedener Höhe angeordneten Anschlüsse
entfallen, so dass zumindest seitlicher Platz für einen
voluminöseren Speicherbehälter gewonnen wird.
Der Schachtraum, der in der erfindungsgemäßen
Anordnung des Speicherbehälters oberhalb der Deckelseite
vorgesehen ist, ermöglicht die Zugänglichkeit
an die deckelseitig angeordneten Anschlussstutzen und damit an die
dort angeschlossenen Anschlusselemente des Wärmekreises.
Dieser Schachtraum kann beispielsweise bauseitig geschoßübergreifend
im Gebäude ausgebildet sein, so dass ein Zugang zur Montage
und Wartung der Anschlüsse, wie auch die Einbringung des
Pufferspeichers selbst von einem über dem Aufstellungsraum
liegenden Geschoss aus erfolgen kann.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der
Speicherbehälter im Erdreich unterhalb einer Erdoberfläche
angeordnet, wobei der Schachtraum von einem Erdreichschacht ausgebildet
ist. Das ermöglicht die Konzeption eines bedeutend größeren
Speicherbehälters als in einer gebäudeinternen
Aufstellung des Pufferspeichers. Damit wird das Speichervolumen
des Pufferspeichers völlig unabhängig von den
Aufstellungsbedingungen in einem Gebäude. So können
Pufferspeicher mit Speichervolumina von mehr als 1000 bis ca. 10000
l im Erdreich untergebracht werden. Die Erfindung berücksichtigt
hierbei insbesondere, dass der Speicherbehälter an sich
wartungsfrei ist. Das Wärmespeichermedium, insbesondere
Wasser, welches im geschlossenen Pufferspeicher gespeichert oder
in einem geschlossenen Wärmekreis luftdicht geführt wird,
ist sauerstoffarm und kann somit keine Korrosion innerhalb des Speicherbehälters
verursachen. Lediglich die Anschlüsse an den Speicherbehälter
und die Speichereinbauelemente sind bedienungs- und wartungsbedürftig.
Alle Anschlüsse des Pufferspeichers an der Deckelseite
sind daher über den Schachtraum, zum Beispiel ausgebildet
durch einen Erdreichschacht, leicht zugänglich. Dieser
kann zugleich auch der Schacht zur Einbringung des Speicherbehälters
sein, wobei ein verbleibender Schachtraum des Einbringeschachtes
oberhalb des Speicherbehälters an die Deckelseite angrenzt.
Der Schachtraum ist somit von der Erdoberfläche aus leicht
begehbar, um für Wartungs- und Montagearbeiten an die Anschlüsse
der Anschlusselemente zu gelangen.
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Die
erhebliche Vergrößerung des Speichervolumens bewirkt
eine derartige Erhöhung der Speicherkapazität
des Pufferspeichers, dass die regenerative Wärmeenergie
deutlich längerfristig und umfangreicher für die
Wärmeversorgungsanlage genutzt werden kann. Die Wärmeübertragerflächen
der regenerativen Wärmeerzeuger, wie zum Beispiel der Solarkollektoren
oder des Holzvergaser-Kessels, können vergrößert
werden und sind, ohne den Pufferspeicher auszulasten, in längeren
Betriebsphasen nutzbar. Unterdessen kann die ergänzende
konventionelle Wärmeerzeugung geringer ausgelegt werden bzw.
wird die Häufigkeit der Zuschaltung konventioneller Wärmeerzeuger
für die Nachheizung minimiert. Im Ergebnis erhöht
sich der Umfang an nutzbarer Wärmeenergie aus regenerativen
Wärmequellen, während gleichzeitig die Einsparung
an konventionellen Brennstoffen, wie Öl, Gas oder Elektroenergie erheblich
steigt.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist
der Speicherbehälter einen Domschacht auf, welcher den
Schachtraum bildet, wobei eine Sohle des Domschachtes an die Deckelseite
angrenzt. Diese Gestaltung bietet eine kompakte, vorgefertigte Einheit
eines Speicherbehälters mit einem Domschacht, die unabhängig
von den verschiedenen Einbaubedingungen des Pufferspeichers einen
definierten Schachtraum mit abgegrenzter Schachtkontur gewährleistet.
Bei einem Erdeinbau beispielsweise stützt die Wandung des
Domschachtes die Deckelseite mit den Anschlüssen gegen
den Erddruck des umgebenden Erdreichs ab und schützt die
Anschlüsse vor eindringender Erdfeuchtigkeit.
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Bevorzugt
ist der Speicherbehälter derart angeordnet, dass eine Oberkante
des Domschachtes mit einer begehbaren Oberfläche im Wesentlichen bündig
abschließt. Der Schachtraum wird somit vollständig
vom Domschacht gebildet, wobei die Oberkante des Domschachtes eine
stabile Einfassung in der begehbaren Oberfläche, wie zum
Beispiel der Erdoberfläche, für die Begehung des
Domschachtes schafft.
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Für
die Gewährleistung einer hohen Funktionssicherheit der
Wärmeversorgungsanlage ist es von Vorteil, wenn der Speicherbehälter
und die Anschlusselemente außerhalb einer frostgefährdeten Zone
des Erdreiches angeordnet sind. Bei dem in den Wärmekreisen
zum oder vom Pufferspeicher geförderte Wärmespeicher-
bzw. Wärmetransportmedium handelt sich es bevorzugt um
Wasser, welches insbesondere bei Betriebsstillstand der Wärmeversorgungsanlage,
in den im Außenbereich verlegten Speicherbehälter
und Anschlusselementen Frostschäden verursachen kann. Mit
der vorstehenden Anordnung werden derartige Schäden unter
minimalen Aufwand an Wärmeschutzmaßnahmen für
den Pufferspeicher vermieden.
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Zur
Unterbringung des Pufferspeichers bietet ein säulenartig
aufrechtstehend ausgebildeter Speicherbehälter eine besonders
platzsparende Aufstellungsweise. Für die Vergrößerung
des Speichervolumens kann bei gleichzeitig geringer horizontaler Ausdehnung
theoretisch unbegrenzt die Tiefe des Erdreiches genutzt werden.
In dem säulenartig geformten Speicherbehälter
bei zugleich stehenden Ausrichtung stellt sich aufgrund der Dichteunterschiede
und der geringen Strömungsgeschwindigkeit des fluiden Wärmespeichermediums
eine besonders ausgeprägte Temperaturschichtung des Wärmespeichermediums über
die Höhe aus, bei der sich niedrig temperiertes Wärmespeichermedium
im unteren Bereich des Pufferspeichers ansammelt und hoch temperiertes
Wärmespeichermedium im oberen Bereich gespeichert wird.
Diese differenzierte Temperaturschichtung bietet für die
verschiedenen Wärmekreise eine leistungsspezifische Ausnutzung
der Speicherkapazität.
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In
einer zweckmäßigen Ausführungsform weist
der Speicherbehälter eine zylindrische Form auf, wobei
zumindest die Bodeseite konvex gewölbt ist. Diese Formgestaltung
des Speicherbehälters gewährleistet eine besonders
hohe Stabilität gegenüber einer äußeren
Druckbelastung, wie sie beispielsweise durch die Lagerung des Speicherbehälters
im Erdreich einwirkt.
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Eine
gegenüber dem Erddruck besonders gute Druckfestigkeit wird
gewährleistet, wenn der Speicherbehälter und,
sofern vorhanden, der Domschacht aus Stahlblech besteht.
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Eine
besonders praxistaugliche Ausführung weist der Speicherbehälter
Halteösen auf, womit der kompakte und komplett vorgefertigte
Pufferspeicher mit Hebemitteln in den vorbereiteten Aufstellungsbereich,
wie zum Beispiel in die Erdreichgrube, eingebracht werden kann.
Die Halteösen bieten zudem bei der Herstellung des Speicherbehälters
technologische Vorteile, insbesondere bei einer nicht standfesten,
konvex gewölbten Bodenseite.
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In
einer günstigen Ausführung weist der Domschacht
einen begehbaren Schachtdeckel auf, was den Schachtraum und damit
die Anschlüsse auf der Deckelseite beispielsweise vor Witterungseinflüssen
schützt. Der Schachtdeckel bietet außerdem eine
gefahrlose Abdeckung der begehbaren Oberfläche im Umfeld
des unterirdisch verlegten Pufferspeichers.
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Ist
der Domschacht aus einer Mehrzahl aneinander fügbarer Schachtelemente
gebildet, können die Schachtelemente entsprechend der jeweiligen Einbausituation
ausgewählt werden und so der Domschacht an das Höhenniveau
der begehbaren Oberfläche angepasst werden.
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Alternativ
kann eine Höhenverstellbarkeit des Domschachtes auch dadurch
realisiert werden, dass der Domschacht ein Schachtkragen aufweist, der
in Längsersteckung des Domschachtes verschiebbar ist.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform ist in einer Wandung
des Domschachtes mindestens ein Schachtstutzen vorgesehen, der luft-
und wasserdicht verschließbar ist. Dieser Schachtstutzen
ermöglicht vor Ort eine seitliche Durchführung
eines oder mehrerer Anschlusselemente mit geringem Aufwand herzustellen.
Die Anschlusselemente können so zur Montage an die Anschlussstutzen
leicht in den Domschacht eingeführt werden. Vorzugsweise
können die Anschlusselemente eines Wärmekreises gruppiert
verlegt und gemeinsam durch einen Schachtstutzen durchgeführt
werden. Die Anschlusselemente eines Wärmekreises betreffen
beispielsweise die medienführende Vorlauf- und Rücklaufleitung
und gegebenenfalls ein oder mehrere Messleitungen für Messeinrichtungen
innerhalb des Pufferspeichers, wie z. B. der Temperaturfühler
des Wärmekreises. Der Schachtstutzen ist nach Verlegung der
Anschlusselemente beispielsweise mit einem Dichtmaterial verschließbar,
so dass keine Fuchtigkeit in den Schachtraum eindringen kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist das Anschlusselement
lösbar mit dem Anschlussstutzen verbunden. Das ermöglicht
eine leichte Montage und Demontage sowie ein flexible Auswahl der Anschlusselemente
an den Anschlussstutzen.
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Im
Interesse einer Revisionsmöglichkeit des Innenraumes des
Speicherbehälters ist die Deckelseite lösbar mit
dem Speicherbehälter und/oder ein Deckel der Deckelseite
lösbar mit einem Deckelstutzen der Deckelseite verbunden.
Infolge des Platzangebotes im Schachtraum oberhalb der Deckelseite ist
die Deckelseite bzw. der Deckel bequem ein- bzw. ausbaufähig.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weist der Speicherbehälter
mindestens ein Einbauelement auf, das lösbar mit der Deckelseite
oder dem Deckel verbunden ist. Damit kann das Einbauelement gemeinsam
mit der Deckelseite bzw. mit dem Deckel frei von Hindernissen aus
dem Speicherbehälter heraus gehoben werden und ist zu Revisionszwecken oder
zum Austausch zugänglich.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die einem
Wärmekreis zugehörigen Einbauelemente längserstreckt
ausgebildet und gemeinsam an einem Deckel angeordnet. Dies ermöglicht
auf einfache Weise eine Auswahl der Einbauelemente eines Wärmekreises
und bietet damit eine außerordentliche Flexibilität
des Pufferspeichers hinsichtlich der individuellen Verwendung von
Wärmekreisen in Anpassung an die jeweilige Wärmebedarfsstruktur
der Wärmeversorgungsanlage. Insbesondere kann ein nachträglicher
Austausch oder eine Nachrüstung von Wärmekreisen
vorgenommen werden. Die Längserstreckung der Einbauelemente,
angepasst an den Querschnitt der zur Verfügung stehende Öffnung
des Deckelstutzens, ermöglicht hierbei den Auszug und die
Einführung der betreffenden Einbauelemente.
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Wenn
vorteilhafter Weise die einem Wärmekreis zugehörigen
Einbauelemente eine Längserstreckung aufweisen, die sich
von der Längserstreckung der Einbauelemente des anderen
Wärmekreises unterscheidet, ragen die Einbauelemente in
unterschiedliche Höhenzonen des Speicherbehälters
ein, so dass die Temperaturschichtung im Speicherbehälter
für die verschiedenen Wärmekreise mit spezifischen
Temperaturanforderungen gut ausgenutzt werden kann.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Einbauelement
in Form eines Wärmetauschers aus mehreren längserstreckten
Wärmetauschersegmente gebildet, die eine voneinander verschiedene
Längserstreckung aufweisen und mittels eines Umschaltventils
wahlweise ansteuerbar sind. Damit kann der Wärmetauscher
entsprechend der Bedarfssituation im zugehörigen Wärmekreis zwischen
verschieden temperierten Höhenzonen des Pufferspeichers
umgeschaltet werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform weist eine Oberfläche
des Speicherbehälters einen Mantel aus Wärmedämmmaterial
auf. Der Mantel aus Wärmedämmmaterial reduziert
die Wärmeverluste des Pufferspeichers, insbesondere bei
Betriebszuständen, bei der die Temperatur des Wärmespeichermediums
erheblich über der Umgebungstemperatur des Pufferspeichers
liegt.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der Mantel aus Polyurethan-Hartschaum,
vorzugsweise aus Elastopor, besteht. Dieses Wärmedämmmaterial
verfügt über eine guten Wärmedämmwert
und kann daher mit einer geringen Wandstärke verwendet
werden. Außerdem ist dieses Wärmedämmmaterial
besonders druckfest, so dass die Stabilität des Mantels auch
gegenüber einem Erddruck aufrecht erhalten werden kann,
unter der Berücksichtigung, dass das Eigengewicht des mit
dem Wärmespeichermedium gefüllten Behälters
den Druck auf den Mantel erhöht.
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Ist
der Polyurethan-Hartschaum auf die Oberfläche des Speicherbehälters
aufspritzbar, kann eine vollflächig dichte Schicht erzielt
werden, die für einen gas- und feuchtigkeitsabweisenden
Korrosionsschutz der Oberfläche des Speicherbehälters, insbesondere
bei der Anordnung im Erdreich sorgt.
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Der
Mantel wird gegenüber dem Erdreich besonders dauerhaft
gas- und wasserdicht versiegelt, wenn der Mantel eine Schicht aus
einem Bitumen-Kunststoffgemisch aufweist.
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Im
Domschacht ist mit einer abnehmbaren Dämmschale aus üblichem
Wärmedämmmaterial, wie zum Beispiel Mineralwolle,
ein flexibler Zugang zu den Anschlüssen des Pufferspeichers gewährleistet,
ohne auf Wärmedämmmaßnahmen der Deckelseite
gegenüber der Umgebung verzichten zu müssen.
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Nachstehend
wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel des Pufferspeichers
und an einem Ausführungsbeispiel einer Wärmeversorgungsanlage
mit einem erfindungsgemäßen Pufferspeicher näher
erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen
in:
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1 eine
Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Pufferspeichers
mit einem Domschacht in einer Anordnung im Erdreich,
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2 eine
auszugsweise Schnittansicht des Pufferspeichers nach 1 mit
einer alternativen Ausführung der Deckelseite,
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3 eine
Draufsicht auf die Deckelseite des Pufferspeichers nach 2,
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4 Wärmeversorgungsanlage
mit einem erfindungsgemäßen Pufferspeicher
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Der
Pufferspeicher 1 nach 1 ist ein
Teil einer nicht näher dargestellten Wärmeversorgungsanlage
für ein Gebäude. Der Pufferspeicher 1 besteht aus
einem zylindrisch geformten Speicherbehälter 2, der
mit einer konvex gewölbten Deckelseite 3 und ebenso
konvex gewölbten Bodenseite 4 geschlossen ist
und in dem Wasser als fluides Wärmespeichermedium 5 mit
einem Volumen von beispielsweise 2500 l enthalten ist. An diesem
Speicherbehälter 2 ist in Verlängerung
seiner zylindrischen Form ein zylindrischer Domschacht 6 ausgebildet,
welcher mit einer Sohle 7 an die Deckelseite 3 des
Speicherbehälters 2 angrenzt. Der Speicherbehälter 2 und
der Domschacht 6 bestehen zum Zwecke einer hohen Stabilität
aus ca. 3,5 bis 4 mm starkes Stahlblech. Der Domschacht 6 kann
entweder als gesondertes Teil gefertigt sein, welches mit der Sohle 7 an
die Deckelseite 3 des Speicherbehälters 2 angeschweißt
wird, oder die Deckelseite 3 ist in einem einstückigen
Hohlzylinder so eingeschweißt, dass sich der Domschacht 6 mit
seiner Sohle 7 herausgebildet. Der Domschacht 6 umfasst
oberhalb der Deckelseite 3 einen Schachtraum 8.
Die Deckelseite 3 weist einen in den Schachtraum 8 ragenden
Deckelstutzen 9 und einen mit diesem verbundenen Deckel 10 auf,
an dem mehrere Anschlussstutzen 11 angeordnet sind. Deckelstutzen 9 und
Deckel 10 sind miteinander mittels einer Flanschverbindung
lösbar verbunden. Auf der Oberfläche 12 des
Speicherbehälter 2 ist ein Mantel 13 aus
Polyurethan-Hartschaum, beispielsweise aus Elastopor, vorgesehen,
der im Spritzverfahren aufgebracht ist. Die gewählte Wanddicke
des Mantels 13 aus Hartschaum, der einen rechnerischen
Wärmedurchgangskoeffizienten von 0,24 W/m2K
aufweist, beträgt beispielsweise 120 mm. Der Mantel 13 weist zur
gas- und wasserdichten Versiegelung eine Beschichtung mit einem
Bitumen-Kunststoffgemisch, z. B. Solotan DachL, auf. Der Domschacht 6 erhält ebenfalls
einen geeigneten Schutzanstrich.
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In
der vorbeschriebenen Ausführung wird der Pufferspeicher 1 komplett
vorgefertigt und mittels nicht dargestellter Hebemittel in eine
mit einem Kiesbett 14 vorbereitete Erdreichgrube in das
Erdreich 15 versenkt. Dabei ist der Speicherbehälter 2 so
unterhalb einer begehbaren Erdoberfläche 16 angeordnet, dass
eine Oberkante 17 des Domschachtes 6 im Wesentlichen
bündig mit der Erdoberfläche 16 abschließt.
Der Domschacht 6 ist mit einem begehbaren Schachtdeckel 18 abgedeckt.
In einer Wandung 19 des Domschachtes 6 ist ein
Schachtstutzen 20 vorgesehen, durch den zwei Anschlusselemente 21, nämlich
eine Vorlaufleitung 22 und eine Rücklaufleitung 23 eines
nur abschnittsweise dargestellten ersten Wärmekreises 24 der
Wärmeversorgungsanlage hindurch geführt sind.
Vorlaufleitung 22 und Rücklaufleitung 23 werden
erdverlegt von dem nicht dargestellten Gebäude herangeführt.
Diese Anschlusselemente 21 sind jeweils an einem Anschlussstutzen 11 mittels
einer Schraubverbindung befestigt und können daher leicht
getrennt und verbunden werden. Die weiteren paarweise angeordneten
Anschlussstutzen 11 stehen für die Anschlusselemente 21 eines
zweiten 25 und eines dritten Wärmekreises 26 (nur
in 3 abschnittsweise ersichtlich) zur Verfügung
und werden bei Nichtnutzung mit einer verschraubbaren Blindkappe 27 verschlossen.
Der Schachtstutzen 20 bildet eine Schutzhülse 28,
in der der beim Durchgang der Anschlusselemente 21 verbleibende
Freiraum zwischen einer Leitungsisolation 29 der Anschlusselemente 21 und
der Schutzhülse 28 mit geeignetem Material dauerelastisch
und wasserdicht abgedichtet wird. Alle Anschlussstutzen 11, wie
auch die Ausschlusselemente 21 und der Schachtsstutzen 20,
sind innerhalb des Schachtraumes 8 durch das Montage- und
Wartungspersonal gut zugänglich. Im Schachtraum 8 des
Domschachtes 6 ist eine abnehmbare Dämmschale 30 aus
Mineralwolle vorgesehen, die nach der Fertigstellung der Anschlüsse
oberhalb der Anschlusselemente 21 einlegbar ist.
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Im
Speicherbehälter 2 sind mehrere Einbauelemente 31 vorgesehen,
die passend zu den Anschlussstutzen 11 mit dem Deckel 10 verbunden sind.
Entsprechend der gewählten Anbindung der Anschlusselemente 21 an
die Anschlussstutzen 11 ist jedes Einbauelement 31 einem
Wärmekreis zugeordnet. Im Ausführungsbeispiel
ist das dem ersten Wärmekreis 24 zugehörige
Einbauelement 31 ein kurzerstreckter Rohrwärmetauscher 32 mit
geringer Baulänge. Für die weiteren, in 1 nicht
dargestellten Wärmekreisläufe 25, 26 steht
ein langerstreckter Rohrwärmetauscher 33 mit großer
Baulänge bzw. ein Rohreinsatz 34 mit einem langem
Zulaufrohr 35 und einem kurzem Entnahmerohr 36 zur
Verfügung. Mittels der unterschiedlichen Längserstreckung
der Einbauelemente 31 wird das Wasser 5 aus verschieden temperierten
Temperaturzonen des Speicherbehälters 2, die sich
geschichtet über eine Höhe des Speicherbehälters 2 herausbilden,
für die bedarfsgerechte Wärmeübertragung
zwischen Pufferspeicher 1 und den Wärmekreisen 24, 25, 26 nutzbar
gemacht. In einer oberen Temperaturzone 37 steht beispielsweise
Wasser 5 mit einer Temperatur von ca. 60° bis
80°C zur Verfügung, wogegen in einer unteren Temperaturzone 38 eine
Wassertemperatur von ca. 40°C vorherrscht. Vorzugsweise
ist daher der erste Wärmekreis 24 mit dem kurzerstreckten
Rohrwärmetauscher 32, der infolge seiner Baulänge
in die obere Temperaturzone 37 des Pufferspeichers 1 reicht,
für die Warmwasserbereitung (Brauchwasser-Wärmekreis)
vorgesehen, um eine Warmwassertemperatur von ca. 60°C bereitstellen
zu können. Der langerstreckte Rohrwärmetauscher 33,
der infolge seiner Baulänge in die untere Temperaturzone 38 des
Pufferspeichers 1 reicht, kann beispielsweise für den
zweiten Wärmekreis 25 zur regenerativen Solar-Wärmeerzeugung
(Wärmeerzeugerkreis) zur Verfügung stehen. Der
Rohreinsatz 34 kann als Bestandteil des dritten Wärmekreises 26 genutzt
werden, welcher das Wasser 5 zur Wärmeübertragung
in einem Heizungs-Wärmekreis verwendet und dabei im Heizungs-Wärmekreis
unter direktem Einbezug der unteren Temperaturzone 38 des
Pufferspeichers 1 umgewälzt wird. Sämtliche
Einbauelemente 31 sind mit dem Deckel 10 lösbar
verbunden, so dass die Einbauelemente 31 zu Revisionszwecken
gemeinsam mit dem Deckel 10 nach oben durch den Schachtraum 8 und über
die Oberkante 17 des Domschachtes 6 hinaus herausgezogen
werden können. Im Falle des Verschleißes der Einbauelemente 31 oder
im Falle gebäudespezifischer Anpassungsmaßnahmen
an der Wärmeversorgungsanlage können die Einbauelemente 31 leicht
vom Deckel 10 gelöst und ausgetauscht werden.
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2 zeigt
einen Ausschnitt des Pufferspeichers 1 nach 1 jedoch
mit einer alternativen Ausführung der Deckelseite 3.
Die Deckelseite 3 nach dieser Ausführung weist
drei Deckelstutzen 9', 9'', 9''' auf,
die jeweils mit einem gesonderten Deckel 10', 10'', 10''' verschlossen
sind. An jedem der Deckel 10', 10'', 10''' sind
die jeweils einem Wärmekreis 24, 25, 26 zugehörigen
Anschlussstutzen 11 angeordnet und das zugehörige
Einbauelement 31 (hier nur andeutungsweise dargestellt)
befestigt. Aus der unterschiedlichen Konstellation der Wärmekreise 24, 25, 26 ergibt
sich eine unterschiedliche Größe und Gestaltung
der Deckel 10', 10'', 10''', wie aus
der Draufsicht auf die Deckelseite 3 nach 3 gut
ersichtlich ist. Der Deckel 10' ist derart gestaltet, dass
an den vorgesehenen Anschlussstutzen 11 die Vorlauf- und Rücklaufleitung 22, 23 des
Brauchwasser-Wärmekreises 24 angeschlossen werden
kann. An den Anschlussstutzen 11 des Deckels 10'' können
beispielsweise die Anschlusselemente 21 des Wärmeerzeugerkreises 25 angeschlossen
werden, wobei die Anschlusselemente 21 aus einer Vorlaufleitung 39,
zwei Rücklaufleitungen 40', 40'' und
aus einer Fühlerleitung 41 für einen
oder mehrere Temperaturfühler bestehen. In dieser Konstellation
der Anschlusselemente 21 ist ein Doppel-Rohrwärmetauscher 42 mit
zwei unterschiedlich längserstreckten, parallel geschalteten
Wärmetauschersegmente 43', 43'' anschließbar, wie
er in 4 näher dargestellt und nachfolgend beschrieben
ist. Die Anschlussstutzen 11 des Deckels 10''' in 3 sind
beispielsweise für den Anschluss der Anschlusselemente 21 des
Heizungs-Wärmekreises 26 vorgesehen, welche von
einer Vorlaufleitung 44 und einer Rücklaufleitung 45 gebildet
sind.
-
In
der Wandung 19 des Domschachtes 6 nach 2 und 3 sind
mit einem gleichen Höhenmaß 46 von der
Oberkante 17 des Domschachtes 6 drei Schachtstutzen 20', 20'', 20''' vorgesehen, durch
die die jeweiligen Anschlusselemente 21 des Heizungs-Wärmekreises 26,
des Wärmeerzeugerkreises 25 und des Brauchwasser-Wärmekreises 24 hindurch
geführt sind. Das Höhenmaß 46 ist
so gewählt, dass bei einem Einbau des Speicherbehälters 2 im
Erdreich 15 eine Erdüberdeckung 47 der
durch die Schachtstutzen 20', 20'', 20''' verlegten
Anschlusselemente 21 erzielt wird, welche eine Lage der
Anschlusselemente 21 außerhalb einer frostgefährdeten
Erdreichzone gewährleistet. Diese frostgefährdete
Erdreichzone ist entsprechend der jeweiligen örtlichen
Witterungsbedingungen gemäß genormter Vorgaben
definiert. Die Schachtstutzen 20', 20'', 20''' sind
mit einem lösbaren Verschluss vorgefertigt. Bei Nichtgebrauch
eines Schachtstutzen 20 wird dieser mit dem Verschluss
verschlossen oder bleibt, wie vorgefertigt ausgestattet, verschlossen.
-
Die
mittels des Schachtraumes 8 des Domschachtes 6 geschaffene
Zugänglichkeit der Anschlussstutzen 11 und Einbauelemente 31 des
Pufferspeichers 1, verbunden mit der Variabilität
der Größe des Speicherbehälters und der
Gestaltung der Deckel 10, 10', 10'', 10''' ermöglicht
eine hohe Vielfalt in der Größe und Ausrüstung
des Pufferspeichers 1 und mithin ein hohe Anpassungsfähigkeit
des Pufferspeichers 1 an das jeweilige Wärmekonzept
der Wärmeversorgungsanlage.
-
In 4 zeigt
eine schematische Darstellung einer Wärmeversorgungsanlage
für ein Gebäude mit dem erfindungsgemäßen
Pufferspeicher 1 nach 2 und 3.
Der Pufferspeicher 1 steht mit drei Wärmekreisen,
nämlich dem Brauchwasser-Wärmekreis 24,
dem Wärmeerzeugerkreis 25 und dem Heizungs-Wärmekreis 26 in
Verbindung. Der Brauchwasser-Wärmekreis 24 versorgt
die Warmwasserverbraucher des Gebäudes mit erwärmtem
Brauchwasser. Der Heizungs-Wärmekreis 26 liefert
die Heizwärme zur Raumheizung des Gebäudes. In
dem Wärmeerzeugerkreis 25 erfolgt eine regenerative
Wärmeerzeugung mittels Solarkollektoren 48 und
eine konventionelle Wärmeerzeugung mittels eines Öl-
oder Gaskessels 49. Da der Pufferspeicher 1 über
ein hohes Speichervolumen verfügt, können sowohl
kurzzeitige Spitzenwerte wie auch geringere Werte der durch die
Solarkollektoren 48 erzeugten Wärmeenergie im
Pufferspeicher 1 langfristig gespeichert werden. Sofern
die Wärmeerzeugung durch die Solarkollektoren 48 zu
gering ist, kann der Wärmeerzeugerkreis 25 mittels
eines Umschaltventils 50 auf den Öl- oder Gaskessel 49 umschalten,
welcher dann die kurzfristige Nachheizung des Pufferspeichers 1 übernimmt.
-
Der
Brauchwasser-Wärmekreis 24 ist über den
Deckel 10', an dem kurzerstreckten Rohrwärmetauscher 32 angeschlossen.
Der Wärmeerzeugerkreis 25 ist über den
Deckel 10'' mit dem Doppel-Rohrwärmetauscher 42 verbunden.
Am Deckel 10''' ist die Vor- und Rücklaufleitung 44, 45 des
Heizungskreises 26 zur direkten Zuführung und
Entnahme des Wassers 5 mit dem Rohreinsatz 34 verbunden.
Für die Warmwasserbereitung ist der kurzerstreckte Rohrwärmetauscher 32 in
der oberen Temperaturzone 37 des Pufferspeichers 1 angeordnet,
in der eine Wassertemperatur von z. B. mehr als 60°C zur
Verfügung steht. Die Zuführung und Entnahme des
Wassers 5 für den Heizungs-Wärmekreis 26 erfolgt
in der unteren Temperaturzone 38 des Pufferspeichers bei
einer Wassertemperatur von z. B. 40°C–60°C.
Der Doppel-Rohrwärmetauscher 42 erstreckt sich über
beide Temperaturzonen 37, 38, wobei das Wärmetauschersegment 43' in
der oberen Temperaturzone 37 und das Wärmetauschersegment 43'' in
der unteren Temperaturzone 38 angeordnet ist. Die Wärmetauschersegmente 43', 43'' sind mittels
eines Umschaltventil 51 wahlweise ansteuerbar. Die Umschaltung
erfolgt entsprechend einer Vorlauftemperatur im Vorlauf 39 des
Wärmeerzeugerkreises 25 im Verhältnis
zur Temperatur des Wassers 5 im Speicherbehälter 2.
So kann der Doppel-Rohrwärmetauscher 42 beispielsweise
bei geringer Wärmeleistung der Solarkollektoren 48 und
niedriger Vorlauftemperatur die untere Temperaturzone 38 des Speicherbehälters 2 bedienen,
um trotz geringer Vorlauftemperatur im Wärmeerzeugerkreis 25 noch
eine Wärmeübertragung an das Wasser 5 im
Speicherbehälter 2 zu ermöglichen. Dagegen
kann bei höherer Wärmeleistung des Wärmeerzeugerkreises 25 mit hoher
Vorlauftemperatur auf die obere Temperaturzone 37 umgeschaltet
werden und diese in kurzer Zeit „geladen" werden. In Spitzenleistungsphasen der
Solarkollektoren 48 wie auch beim Anfahren der Wärmeversorgungsanlage
kann so die Wärmeenergie vorrangig für die Brauchwasserbereitung
verfügbar gemacht werden.
-
- 1
- Pufferspeicher
- 2
- Speicherbehälter
- 3
- Deckelseite
- 4
- Bodenseite
- 5
- Wärmespeichermedium,
Wasser
- 6
- Domschacht
- 7
- Sohle
- 8
- Schachtraum
- 9
- Deckelstutzen
- 10
- Deckel
- 11
- Anschlussstutzen
- 12
- Oberfläche
des Speicherbehälters
- 13
- Mantel
- 14
- Kiesbett
- 15
- Erdreich
- 16
- Begehbare
Oberfläche, Erdoberfläche
- 17
- Oberkante
des Domschachtes
- 18
- Schachtdeckel
- 19
- Wandung
des Domschachtes
- 20
- Schachtstutzen
- 21
- Anschlusselement
- 22
- Vorlaufleitung
des ersten Wärmekreises
- 23
- Rücklaufleitung
des ersten Wärmekreises
- 24
- erster
Wärmekreis, Brauchwasser-Wärmekreis
- 25
- zweiter
Wärmekreis, Wärmeerzeugerkreis
- 26
- dritter
Wärmekreis, Heizungs-Wärmekreis
- 27
- Blindkappe
- 28
- Schutzhülse
- 29
- Leitungsisolation
der Anschlusselemente
- 30
- Dämmschale
- 31
- Einbauelement
- 32
- kurzerstreckter
Rohrwärmetauscher
- 33
- langerstreckter
Rohrwärmetauscher
- 34
- Rohreinsatz
- 35
- Zulaufrohr
- 36
- Entnahmerohr
- 37
- obere
Temperaturzone
- 38
- untere
Temperaturzone
- 39
- Vorlaufleitung
des Wärmeerzeugerkreises
- 40
- Rücklaufleitung
des Wärmeerzeugerkreises
- 41
- Fühlerleitung
des Wärmeerzeugerkreises
- 42
- Doppel-Rohrwärmetauscher
- 43
- Wärmetauschersegment
- 44
- Vorlaufleitung
des Heizungs-Wärmekreises
- 45
- Rücklaufleitung
des Heizungs-Wärmekreises
- 46
- Höhenmaß
- 47
- Erdüberdeckung
- 48
- Solarkollektor
- 49
- Öl-
oder Gaskessel
- 50
- Umschaltventil
- 51
- Umschaltventil
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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