DE2851169C2

DE2851169C2 - Wassererhitzer

Info

Publication number: DE2851169C2
Application number: DE2851169A
Authority: DE
Inventors: Claude Saint Lattier Morin
Original assignee: Pechiney Ugine Kuhlmann SA
Current assignee: Pechiney SA
Priority date: 1977-11-29
Filing date: 1978-11-27
Publication date: 1981-12-17
Also published as: ES475536A2; DE2851169A1; GR61553B; FR2402841B2; FR2402841A2; IL56051A; DE7835177U1; IT7830257A0; PT68835A; IL56051A0; IT1160277B

Description

Die Erfindung betrifft einen Wassererhitzer nach dem Oberbegriff de·; Patentanspruchs 1, der seine Energie über eine Sonnenheizung und eine elektrische Heizung zu beziehen vermag. Es ist ein Wassererhitzer mit zwei Energiequellen bekannt, nämlich Sonnenenergie und elektrische Energie, bei dem die .Sonnenenergie sehr weitgehend ausgenutzt und der Verbrauch an elektrischer Energie minimal gehalten werden soll. Dieser Wassererhitzer besteht aus zwei hintereinander geschalteten Wasserbehältern, von denen der erste über einen Wärmeaustauscher durch Sonnenenergie beheizt und der zweite elektrisch beheizt wird. Auf diese Weise wird das in den ersten Behälter eintretende kalte Wasser zunächst mit Sonnenenergie vorerwärmt und dann im zweiten Behälter mit Hilfe einer elektrischen Energie auf höhere Temperatur gebracht Mit Hilfe einer Pumpe kann das Wasser im geschlossenen Kreislauf zwischen den beiden Behältern geführt werden, um in manchen Fällen die Wassertemperatur in beiden Behältern auszugleichen. Der Warmwasserkreislauf kann dabei über eine thermostatisch gesteuerte Mischbatterie, die an beide Behälter angeschlossen ist, geregelt sein. Auf diese Weise kann das Wasser aus dem mit Sonnenenergie beheizten Behälter entweder unmittelbar genutzt werden oder es wird mit heißerem Wasser aus dem elektrisch beheizten Behälter vermischt Andererseits kann gegebenenfalls auch die Temperatur des Wassers aus dem mit Sonnenenergie beheizten Behälter durch Zufuhr von kaltem Wasser aus einer zweiten Mischbatterie, die mit der ersten Mischbatterie in Reihe geschaltet ist, herabgesetzt werden (FR-OS 23 32 505).

Die Praxis hat gezeigt, daß auf diese Weise erhebliche Energieeinsparungen möglich sind. Wird nämlich die thermisch gesteuerte Mischbatterie so eingestellt, daß sie das Wasser bei der für jede Art von Gebrauch notwendigen Temperatur liefert, läßt sich ein erheblich größerer Anteil an Wärmeenergie, die von der Sonnenenergie beigesteuert wird, nutzen, als wenn man sich damit begnügt, das Wasser bei der höchsten Temperatur aus dem am stärksten aufgeheizten Behälter zu entnehmen und mit Kaltwasser zu vermischen.

Nachteilig an diesem bekannten Wassererhitzer ist der relativ hohe Preis für die Gesamteinrichtung, bestehend aus zwei Warmwasserbehältern und den hierfür benötigten Leitungen und Armaturen. Der

ίο Literpreis für derartige Behälter ist nämlich umgekehrt proportional dem Volumen der Einheiten. Zwei Behälter sind somit wesentlich teurer als ein einziger Behälter mit dem doppelten Volumen; das gleiche gilt für die Installationskosten und den Raumbedarf.

fs Aus der DE-OS 26 ül 412 ist ein Zweizonen-Boiler bekannt, in dem in der unteren Zone das Wasser durch Sonnenenergie beheizt und in der darüberliegenden Zone das in der unteren Zone vorgewärmte Wasser wenn nötig auf höhere Temperatur nachgeheizt wird.

Nachteilig bei dem bekannten Wassererhitzer ist, daß die gesamte entnommene Wassermenge auf Heißwasser-Temperatur zu bringen ist und der Hauptteil des entnommenen Wassers durch Zumischen von Kaltwasser wieder abgekühlt werden muß. Bekanntlich ist im Haushalt, in der Gastronomie und in kleineren Betrieben der Bedarf an Brauchwasser niedriger Temperatur, also in der Größenordnung von etwa 30 bis 50⁰C, um ein Vieifaches größer als der Bedarf an Heißwasser mit einer Temperatur von beispielsweise >80°C. Schließlich ist bei dem bekannten Heißwasser-Erhitzer auch zu berücksichtigen, daß die Zumischung von Kaltwasser erst an der Zapfstelle für das Brauchwasser erfolgt; dies bedeutet, daß die oft langen Brauchwasserleitungen immer Heißwasser führen, so daß die Wärmeverluste dabei beträchtlich sein können. Aufgabe der Erfindung ist nun ein Wassererhitzer mit einem einzigen Behälter und als Energiequelle Sonnenenergie sowie elektrische Energie, der die Sonnenenergie weitestgehend nutzt. Den Bedarf an elektrischer Energie minimal hält unH zu möglichst geringen Wärmeverlusten in den Leitungssystemen führt

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß im Bereich der Grenzfläche der sich ausbildenden Zonen unterschiedlicher Wassertemperaturen etwas unterhalb der elektrischen Heizung eine Warmwasser-Ableitung angeordnet ist, die zusammen mit der oberen Heißwasser-Ablcitung über eine Mischbatterie mit einer Entnahmeleitung verbunden ist.
Wird Brauchwasser mit einer tieferen Temperatur von etwa 40⁰C benötigt, wie sie im allgemeinen der Temperatur entspricht, die ausschließlich durch Sonnenheizung erreicht werden kann, so läßt sich aus dem crfindungsgemäßen Wassererhitzer dieses Brauchwasser direkt aus der entsprechenden Zone entnehmen.

Eine Betätigung der elektrischen Heizung bzw. eine Entnahme des Heißwassers aus dem Bereich der elektrischen Heizung ist dann nicht erforderlich. Das Heißwasser verbleibt auf seiner Temperatur. Die Brauchwasser-Leitungen zwischen dem Wassererhitzer und der Zapfstelle führen relativ mäßig warmes Wasser, so daß auch die damit verbundenen Wärmeverluste gering sind.

Benötigt man jedoch Heißwasser, d. h. Brauchwasser mit einer Temperatur, die der im Bereich der Elektroheizung herrschenden entspricht, ist es nur erforderlich, dem aus der Zone der Sonnenbeheizung entnommenen Warmwasser eine prozentual geringe Menge an Heißwasser aus dem Bereiche der Elektrohei-

zungzuzumischen.

Daraus ergibt sich, daß gegenüber den bekannten Wassererhitzern mit dem erfindungsgemäßen Wassererhitzer eine wesentliche Energieeinsparung möglich ist und man jeder Zeit beliebige Mengen von Brauchwasser beliebiger Temperatur erhalten kann.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung weiter erläutert.

Der Wasserbehälter 1 ist ein Blechzylinder mit vertikaler AcKse, dessen Höhe vorzugsweise minde- ₎₀ stens das Zweifache des Durchmessers ist. Er ist oben und unten durch beliebig geformte Böden abgeschlossen, hn unteren Bereich des Behälters 1 befindet sich ein Wärmetauscher — beispielsweise in Form einer Rohrschlange 2, welche über Leitungen 3 mit dem oder den (nicht gezeigten) Sonnenkollektor(en) verbunden ist —. In diesem Kreislauf dient eine Flüssigkeit als Wärmeträger. Im oberen Bereich des Behälters 1 befindet sich eine elektrische Heizung 4 (Widerstandsheizung). Sie wird über einen Thermostat betätigt, dessen Thermofühler 5 in das durch die Elektroheizung zu beheizende Wasservolumen reicht.

Das Kaltwasser wird über die Leitung ii unterhalb eines Ablenkbleches 7 in den Boden des Behälters 1 eingeführt. Durch diese Art der Einführung des Kaltwassers wird das Warmwasservolumen angehoben, ohne daß es im Bereich der Grenzfläche der sich ausbildenden Zonen unterschiedlicher Wassertemperaturen zu einer nennenswerten Vermischung kommt

Heißwasser aus dem Bereich der Elektroheizung 4 wird oben über die Leitung 8 und Warmwasser über die Leitung 9 entnommen. Die Warmwasser-Ableitung 9 ist im Bereich der Grenzfläche der sich ausbildenden Zonen unterschiedlicher Wassertemperaturen etwas unterhalb der elektrischen Heizung 4 und dem Thermofühler 5 angeordnet Die Warmwasser-Ableitung 9 und die Heißwasser-Ableitung 8 führen in die thermostatisch geregelte Mischbatterie 10. Zu dieser Mischbatterie 10 kann eine zweite Mischbatterie 11 in Reihe verbunden sein, d. h. der Ausgang aus der Mischbatteiie 10 geht in die Mischbatterie 11 und diese erhält Kaltwasser über die Leitung 12 aus der Leitung 6 und liefert über die Leitung 13 Brauchwasser der gewünschten Temperatur. Man kann also das Warmwasser aus der Leitung 9 in der Mischbatterie 11 abkühlen. Dies ist in Zeiten sehr starker Sonnenstrahlung von Vorteil. Durch eine Kombination der thermostatisch gesteuerten Mischbatterien 10 und 11 kann eine maximale Wasserentnahme über die Warmwasser-Leitung 9 sichergestellt werden.

Zwischen dem oberen und unteren Bereich des Behälters 1 ist eine Rücklaufleitung 14 mit Rückschlagventil 15 und Umwälzpumpe 16 vorgesehen. Für den Fall, daß ein Mischen des Wassers aus den beiden Zonen innerhalb des Behälters 1 gewünscht wird. Die Rücklaufleitung 14 kann im Isoliermantel des Behälters 1 liegen oder auch innerhalb des Behälters angeordnet sein. In diesem Fall ist die Umwälzpumpe 16 beispielsweise auf einem Träger innerhalb des Behälters montiert. Der erfindungsgemäße Wassererhitzer kann jedoch auch ohne Rücklaufleitung 14 betrieben werden und die Wasserumwälzung durch die Wärmeströmung im Inneren des Behälters mit Hilfe eines Wärmeübertragungsrohrs erfolgen, welches vertikal im Behälter angeordnet ist. Diese Einrichtung wird in an sich μ bekannter Weise mit Hilfe eines außerhalb des, Behälters angeordneten Regelorgans ein- und ausgeschaltet, welches seinetseits wie die Umwälzpumpe 6 betätigbar ist

Der Thermofühler 17 ist vorzugsweise etwas unter der Elektroheizung4 angeordnet

Bei Betrieb des erfindungsgemäßen Wassererhitzers stellen sich zwei mehr oder weniger scharf voneinander abgegrenzte Zonen unterschiedlicher Wassertemperatur ein. Wird beispielsweise der Thermofühler 17 auf eine Temperatur Tj eingestellt — die z. B. 10 bis 20 K unter der Temperatur T₂ des Thermofünlers 5 liegt —, so nimmt die obere Zone die Temperatur Tj und die untere Zone die Temperatur Ti an, wobei Tj < Ti ist. Die Temperatur 71 soll so gewählt werden, daß sie nur bei starker Sonneneinstrahlung erreicht wird. Wird aus dem Behälter kein Wasser entnommen, so liegt die Grenze zwischen den beiden Wasserzonen unmittelbar unter dem Thermofühler 5, d. h. auf etwa V₄ der Höhe des in der Zeichnung dargestellten Behälters.

In dem erfindungsgemäßen Wassererhitzer findet eine besonders wirtschaftliche Ausnutzung des gesamten Temperaturbereichs zwischen Γ3 und Ti statt Bei jeder Wasserentnahme wird — indr ti die Mischbatterie 10 auf eine Temperatur zwischen Ti ur>d T-_L eingeregelt wird — über die Warmwasserleitung 9 und die Heißwasserleitung 8 Wasser aus den beiden Zonen entnommen. Soll das Brauchwasser eine Temperatur ί Ti haben, wird nur über die Warmwasserleitung 9 entnommen und die entnommene Wassermenge automatisch durch das gleiche Volumen Kaltwasser mit der Temperatur To ersetzt, das allmählich den unteren Bereich des Behälters 1 erfüllt Bei Entnahme eines bestimmten Warmwasservolumens entsteht am Boden des Behälters ein Kaltwasservolumen gleicher Größenordnung, während sich die Grenze zwischen den beiden Wasserzonen bei Temperaturen T3 und T2 anhebt, in Abhängigkeit von dem entnommenen Brauchwasservolumens. In der Praxis zeigte sich, daß der Wärmeaustausch zwischen den übereinander sich ausbildenden Zonen von Wasser mit den Temperaturen To, T₃ und 7} außerordentlich gering ist Es lassen sich daher über die Warmwasserleitung 9 und die Heißwasserieitung 8 etwa 80 bis 90% der Wassermenge entziehen, die entweder in d-;r oberen oder unteren Zone enthalten ist, ohne daß die Temperatur des austretenden Wassers um mehr als nur einige Grade gegenüber der ursprünglichen Temperatur absinkt

Bei starker Sonneneinstrahlung kann daher T₃ die vorgegebene Temperatur Ti erreichen. Dadurch wird die elektrische Heizung 4 abgeschaltet und durch Inbetriebnahme der Umwälzpumpe 16 die Temperatur im gesamten Behälter auf einen Wert von ä Ti ausgeglichen. Bei geringerer oder gar keiner Sonneneinstrahlung arbeitet nur die elektrische Heizung 4; sie beheizt ausschließlich die obere Zone bzw. bei Betrieb der Umwälzpumpe 16 den Gesamtinhalt des Behälters.

Wie oben bereits darauf hingewiesen, bietet der erfindungsgemäß j Wassererhitzer mit nur einem Behälter mehrere wesentliche Vorteile. So ist er gegenüber Wassererhitzern mit zwei Behältern wesentlich flexibler. Konstruktion und Installation sind einfacher und weniger aufwendig. Durch die spezielle Entnahmestelle des Brauchwassers läßt sich die Sonnenenergie optimal ausnutzer, und der Aufwand für Zusatzbeheizung durch elektrischen Strom minimcl halten. Die Wärmeverluste, insbesondere in der Brauchwasserleitung bis zur Zapfstelle sind vergleichsweise gering.

Die Grenzfläche zwischen den Zonen unterschiedlicher Wassertemperaturen ist umso beständiger, je

höher der Behälter im Verhältnis zu seinem Durchmesser ist. Bevorzugt ist daher das Verhältnis Höhe zu Durchmesser 2 bis 6, wobei ein zylindrischer stehender Behälter bevorzugt wird. Die Zonenbildung innerhalb des erfindungsgemäBen Wassercrhit/ers kann auch durch Einbau von Leit- oder Lochbleehen zur Einschränkung der Wärmckonvektion und damit Durchmischung des Wassers innerhalb des Behälters verstärkt werden.

Die Lage der Elektroheizung bestimmt die maximale Wassermenge, die auf die Temperatur Ti gebracht werden kann. Sie ist weitgehend abhängig von den Bedürfnissen und den klimatischen Verhältnissen. Im allgemeinen befindet sich die Elektroheizung zwischen 'Λ und ¹Ii oder Vt der Höhe des Wasserbehälters. Die Elektroheizung kann aber auch höher oder tiefer angeordnet sein, abhängig von den klimatischen Bedingungen oder um das elektrisch zu beheizende Wasservolumen speziellen Bedürfnissen anzupassen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wassererhitzer mit einem Behälter, dessen Höhe größer als sein Querschnitt ist und der eine untere Kaltwasser-Zuleitung und eine obere Heißwasser-Ableitung aufweist sowie im unteren Bereich mit einer durch Sonnenenergie betriebenen Heizung und im oberen Bereich mit einer elektrischen Heizung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Grenzfläche der sich ausbildenden Zonen unterschiedlicher Wassertemperaturen etwas unterhalb der elektrischen Heizung (4) eine Warmwasser-Ableitung (9) angeordnet ist, die zusammen mit der oberen Heißwasser-Ableitung (8) über eine Mischbatterie (10) mit einer Entnahmeleitung (13) verbunden ist

2. Wassererhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der untere und der obere Bereich des Behälters (1) über eine Rücklaufleitung (14) mit REckschlagventil (15) und Umwälzpumpe (!6) verbunden isL

3. Wassererhitzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischbatterie (10) in Reihe mit einer zweiten Mischbatterie (11) verbunden ist