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Anlage mit Sonnenkollektor
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Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Warmwasserbereitung mit Sonnenkollektor,
bei der ein Warmwasserspeicher innerhalb eines wassergefüllten Wirmespeichers angeordnet
ist und das Wasser im Warmwasserspeicher und im Wärmespeicher durch das im Sonnenkollektor
aufgeheizte Medium erwarmt wird, mit einer auf das tiberschreiten
einer
vorbestimmten Temperatur im Wärmespeicher ansj echenden Sicherheitseinrichtung.
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Derartige :lagern sind zur Erwärmung von Brauchwasser und/oder für
heizzwecke verwendbar. Wird während längerer Zeiträume vom Sonnenkollektor den beiden
Speichern mehr Wårmeenergie zugeführt, als abgenommen wird, so besteht die Möglichkeit,
daß der WHrmespeicher zu stark erwärmt wird, was dann, wenn dieser Wärmespeicher
nur zur Aufnahme des hydrostatischen Drucks des in ihm enthaltenen Wassers dimensioniert
ist, die Gefahr einer Beschädigung infolge von Dampfbildung mit dem hierbei auftretenden
höheren Druok führen könnte. Die Sicherheitseinrichtung bei der bekannten Anlage
ist als Uberdruckventil ausgebildet, das dafür sorgt, daß im Wärmespeicher entstehender
Dampf abgeblasen wird. Da hierbei Jedoch ein Wasserverlust im Wärmespeicher auftritt,
kann eine Störung der Betriebsbereitschaft der Anlage die Folge sein. Man könnte
zwar daran denken, den Wårmespeicher zu vergrößern, um die Wahrscheinlichkeit, daß
eine derartige Störung auftritt, zu vermindern, hiergegen spricht Jedoch häufig
der erforderliche Platzbedarf, der beispielsweise in einem Keller, in dem der Wärmespeicher
und der Warmwasserspeicher untergebracht sind, nicht zur Verfügung steht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den geschilderten Nachteil
der bekannten Anlage zu vermeiden. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch
gelöst, daß ein wassergefüllter Zusatzspeicher vorgesehen ist, der über absperrbare
Leitungen
mit dem Wärmespeicher verbunden ist, und daß eine Steuereinrichtung vorgesehen ist,
die beim Uberschreiten einer oberen Temperaturschwelle im Warmespeicher einen Wasseraustausch
zwischen dem Wårmespeicher und dem Zusatzspeicher veranlaßt.
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Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß im Bedarfsfall, d.h. bei
drohender Uberhltzung des Wassers im Wärmespeicher, dessen Wärmekapazität quasi
dadurch vergrößert wird, daß nun der Zusatzspeicher zugeschaltet wird, wodurch der
Zusatzspeicher vom Sonnenkollektor gelieferte Warmeenergie aufnehmen kann und so
das Ansteigen der Temperatur im Wärmespeicher verlangsamt oder ganz verhindert.
Außerdem kann dieser Zusatzspeicher an einer beliebigen Stelle, wo genügend Raum
vorhanden ist, untergebracht werden, beispielsweise kann er als unterirdischer Tank
im Garten eines Hauses untergebracht werden. Daher kann dieser Zusatzspeicher auch
leicht so groß gemacht werden, daß mit einer Dampfentstehung im Wärmespeicher normalerweise
nicht mehr zu rechnen ist und daher Betriebsstörungen völlig ausgeschaltet sind.
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Die Temperaturschwelle, bei deren tiberschreiten Wärmeenergie aus
dem Wårmespeicher in den Zusatzspeicher geleitet wird, liegt niedriger als der Temperaturwert,
bei dem eine aus Sicherheitsgründen trotzdem erforderliche Sicherheitseinrichtung
am Wärmespeicher gegen unzulässig hohe Drücke wirksam wird.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die im Zusatzspeicher
gespeicherte Wårmeenergie dann, wenn die Sonne längere Zeit nicht scheint, zur Erwärmung
des Wassers im Warmwasserspeicher verwendet werden kann.
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Um eine derartige Verwendung der im Zusatzspeicher enthaltenen Wärmeenergie
automatisch vornehmen zu können, ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine
neßvorrichtung zum Erfassen der Temperatur im Zusatzspeicher und im Wärmespeicher
vorgesehen, und die Steuereinrichtung veranlaßt dinn, wenn die Temperatur im Wärmespeicher
um einen vorbestimmten Wert unter der Temperatur im Zusatzspeicher liegt, die Zufuhr
von wa'rmerem Wasser aus dem Zusatzspeicher in den Wärmespeicher. Die höhere Temperatur
im Wårmespeicher bewirkt dann eine zusätzliche Erwärmung des im Warmwasserspeicher
enthaltenen Wassers.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist der Zusatzspeicher
als druckloser Speicher ausgebildet. Dies bietet den Vorteil, daß der Zusatzspeicher,
ohne daß es der Beachtung besonders schwer zu erfullender Sicherheitsvorschriften
bedürfte, leicht verwirklicht werden kann; so ist insbesondere daran gedacht, einen
nicht mehr benötigten oder nicht mehr verwendbaren Heizöltank mit einer wasserdichten
Kunststoffblase in seinem Inneren zu versehen und diesen Tank somit als Zusatzspeicher
für die Aufnahme von Wärmeenergie zu verwenden.
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Da der Zusatzspeicher in erster Linie dazu dienen soll, eine Betriebsunterbrechung
der Anlage zu vermeiden, schadet es nicht, wenn die Giite der W.irmeisolierung des
Zusatzspeichers unter der des Wärmespeichers liegt.
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Zum Transport des Wassers zwischen dem Wärmespeicher und dem Zusatzspeicher
ist vorteilhafterweise mindestens eine Pumpe vorgesehen, die vorzugsweise in die
Leitung zwischen den beiden genannten Speichern eingeschaltet ist. Wenn in Jede
der beiden Leitungen eine Pumpe eingeschaltet ist, von denen die eine Wasser aus
dem Wårmespeicher entfernt und die andere Wasser in den Wärmespeicher hineinpumpt,
so kann hierdurch das Auftreten von unerwünschten Druckspitzen in eine der beiden
miteinander durch die Rohrleitungen verbundenen Speicher verhindert oder vermindert
werden.
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Bei einer Ausfiihrungsform der Erfindung, für die auch unabhängig
Schutz beansprucht wird, ist zwischen dem Warmwasserspeicher und dem Wärmespeicher
ein Zwischenraum vorgesehen, durch den das Medium des Sonnenkollektors strömt, und
es ist an der eine Seite des Zwischenraums begrenzenden Außenwand des Warmwasserspeichers
ein im Bereich zwischen Eintritts- und Austrittsanschluß für das Medium des Sonnenkollektors
spiralig verlaufender Vorsprung angeordnet, der zu der Begrenzungswand des rSarmespeichers
einen geringen Abstand aufweist, so daß mindestens ein Teil des Mediums den Warmwasserspeicher
auf
einem spiraligen Weg umströmt. Durch diese Verlängerung der Wegstrecke, auf der
das Medium mit der Wandung des Warmwasserspeichers in Berührung ist, wird ein besonders
wirkungsvoller Wärmeübergang erreicht. Der Vorsprung kann durch eine Verformung
der Wandung des Warmwasserspeichers gebildet sein, bevorzugt wird Jedoch eine Ausführungsform,
bei der der Vorsprung nachträglich auf die vorzugsweise zylindrische Wand des Warmwasserspeichers
aufgebracht ist. Der Vorsprung kann vorzugsweise aus Metall bestehen und mit der
Wand fest verbunden sein, so daß auch der Vorsprung selbst aus den Medium Wärmeenergie
aufnimmt und in den Warmwasserspeicher leitet. In einfacher Weise kann der Vorsprung
aus einem Blechstreifen gebildet sein, der an der Außenseite der Wand des Warmwasserbohälters
angeschweißt oder angelötet ist.
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Das Anlöten kann vorzugsweise in einem Zinkbad erfolgen, wobei gleichzeitig
ein guter Oberflächenschutz gegen Korrosion erzielt wird. Der Zwischenraum zwischen
dem Vorsprung und der Wand des Wärme speichers erleichtert die Montage und verhindert,
daß zwischen dem Wärmespeicher und dem Warmwasserspeicher infolge unterschiedlicher
Temperaturen mechanische Spannungen auftreten. Der Abstand zwischen dem Vorsprung
und der Wand des Wärmespeichers ist so groß, daß ein leichtes Einsetzen des Warmwasserspeichers
in den Wärmespeicher möglich ist, andererseits Jedoch so klein, daß durch den spiraligen
Vorsprung ein wesentlicher Teil des vom Sonnenkollektor erwärmten Mediums, bei dem
es sich vorzugsweise ebenfalls um Wasser handelt, auf einem erheblich verlängerten
Weg an der
Wandung des Warmwasserspeichers vorbeigefiihrt wird.
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Anstatt einer spiraligen Anordnung des Vorsprungs kann erfindungsgemäß
auch eine andere, den Strömungsweg entlang der Wandung des Warmwasserbehalters verlängernde
Anordnung des Vorsprungs vorgesehen sein, beispielsweise in Form von Wellenlinien
oder mäanderförmig. Durch die geschilderte Anordnung des Vorsprungs oder der Vorsprünge
wird dafiir gesorgt, daß dem im Sonnenkollektor erhitzten Wasser möglichst viel
Wärmeunergie durch den Warmwasserspeicher und den Wårmespeicher entzogen wird, so
daß das Wasser in den Sonnenkollektor mit einer relativ niedrigen Temperatur eintritt
und im Sonnenkollektor viel Wärmeenergie aufnehmen kann. Die erhöhte Aufnahme der
Wärmeenergie durch den Wärmespeicher erfolgt deshalb, weil der Strömungsweg des
im Sonnenkollektor aufgeheizten Wassers an der Wandung des Wärme speichers entlang
durch die spiralige Anordnung des Vorsprungs ebenfalls verlängert ist, selbst wenn
ein gewisser kleiner An-teil des im Sonnenkollektor erhitzten Wassers in dem Zwischenraum
zwischen den Vorspringen und der Wandung des WRrmespeichers durchströmt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung, die erfindiingswesentliche
Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale könne Je einzeln
für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer
Ausführungsform
der Erfindung verwirklicht sein.
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rs zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung, teilweise im Schnitt,
einer erfindungsgemäßen Anlage, Fig. 2 einen vergrößerten Längsschnitt entsprechend
der Linie II-IT in Fig. 1, und Fig. 3 eine andere erfindungsgemäße Ausbildung eines
Zusatzspeichers.
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In der Anordnung ach Fig. 1 wird das in einem Sonnenkollekt;or 1 erhitzte
Wasser über eine Vorlaufleitung ;' einer :;pei chervnrri chtung 3 zugeführt. Der
in Einzelheiten nicht dargestellte Sonnenkollektor 1 ist nuf dem Steildach eines
Hauses angeordnet, was durch die geneigte Anordnung angedeutet ist.
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Die Speichervorrichtung 3 weist einen Warmwasserspeicher 4 auf, dessen
Innenraum iiber eine Zulaufleitung G mit dem Trinkwassernetz in Verbindung steht
und daher entsprechend druckfest ausgebildet ist. Eine Entnahmeleitung 7 führt das
Wasser aus dem Warmwasserspeicher 4 iiber eine mit Fremdenergie, beispielsweise
heizöl oder Erdgas betreibbare Zusatzheizung 8, wo während längerer sonnenscheinloser
Zeiten das Wasser aus dem Warmwasserspeicher 4 auf die erforderliche Temperatur
gebracht
werden kann, nicht dargestellten Verbrauchern zu.
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Der im wesentlichen zylindrische Warmwasserspeicher 4 ist von einem
zylinderringförmigen Wärmespeicher 10 umgeben, dessen Hühe im wesentlichen der Höhe
des Warmwasserspeichers 4 gleich ist. Zwischen der Innenwand 11 des Wärmespeichers
und der Wand 12 des Warmwasserspeichers ii besteht ein Zwischenraum von etwa 50
mm. Auf die Außenseite der Wand 12 des Warmwasserspeichers 4 ist ein aus Blechstreifen
gebildeter in Form einer Spirale mit gleichmäßiger Steigerungshöhe verlaufender
Vorsprung 15 angeordnet. Der diesen Vorsprung 15 bildende Blechstreifen ist mit
der Wand 12 verschweißt. Zwischen der der Wand 12 abgewandten Stirnfläche 16 der
Vorsprünge 15 und der der Wand 12 zugewandten Oberfläche 17 der Wand 11 besteht
ein Zwischenraum von etwa 5 mm, vgl.
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hierzu auch die Fig. 2. Der Abstand der einzelnen Vorspriinge 16 in
Langsrichtung des Warmwasserspeichers 4 beträgt etwa 30 mm.
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Die Vorlaufleitung 2 liefert das im Sonnenkollektor 1 erwärmte Wasser
in den Zwischenraum 20 zwischen dem Warmwasserspeicher 4 und dem Warmespeicher 10,
und zwar wird dieses erhitzte Wasser am oberen Ende des Zwischenraums zugeführt.
Durch den in Form einer Spirale verlaufenden Vorsprung 15 wird dieses vom Sonnenkollektor
1 kommende Wasser im wesentlichen auf einer spiraligen Bahn an der Wand 11 und der
Wand 12 des Wärmespeichers und des Warmwasserspeichers vorbeigeführt. Am unteren
Ende des
Zwischenraums 20 wird das nunmehr weitgehend abgekühlte
Wasser iiber eine Pumpe 22 dem Sonnenkollektor 1 wieder zugeführt.
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Mit dem Warmespeicher 10, der mit Wasser gefüllt ist, ist über Rohrleitungen
25 und 26, in die jeweils eine Pumpe 27 bzw. 28 eingeschaltet ist, ein Zusatzspeicher
30 verbunden. Der Zusatzspeicher 30 ist bis nahe seinem oberen Ende mit Wasser gefiillt,
der Wasserspiegel 31 liegt eine dm oberhnlb des oberen Endes des Wärmespeichers
10, um eine ständige Fiillung des Warmespeichers 10 zu gewnhrleisten.
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Die Leitung 25 mündet etwas oberhalb der halben höhe des Wsrniespeichers
10 in diesen ein und führt mit ihrem anderen Ende zum oberen Bereich des Zusatzspeichers
30; die Leitung 26 verbindet die beiden unteren Enden des Warmespeichers 10 und
des Zusatzspeichers 30. Die im Zusatzspeicher 30 enthaltene Wassermenge ist erheblich
größer als die innerhalb des Wirmespeichers 10 vorhandene Wassermenge.
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Im oberen Bereich des Wärmespeichers 10 ist eine elektrische Temperaturmeßvorrichtung
33 und im oberen Bereich des Zusatzspeichers 30 eine elektrische Temperaturmeßvorrichtung
34 angeordnet, deren Signalleitungen mit Steuereingängen einer Steuervorrichtung
35 verbunden sind. Außerdem ist im oberen Bereich des Wärmespeichers 10 ein aus
Sicherheitsgründen erforderliches Uberdruckventil
36 vorgesehen.
Die Steuervorrichtung x=! steht über Steuerleitungen 38 und 39 mit den Pumpen ?,
und 28 in Verbindung.
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Weitere in der Praxis vorhandene Temperaturmeßvorrichtungen am Sonnenkollektor
und im Warmwasserspeicher, mit deren Hilfe über die Steuervorrichtung 35 der Betrieb
der Pumpe 22 gesteuert werden kann, sind nicht eingezeichnet.
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Der Wärmespeicher 10 hat im Ausführungsbeispiel eine Höhe von 180
cm und einem äußeren Durchmesser 0.0 75 cri. Der Durchmesser des Warmwasserspeichers
1 beträgt 30 cm. Die den Wärmespeicher umgebende Wärmeisolierung ist in der Zeichnung
nicht dargestellt.
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Die Steuervorrichtung 35 ist so ausgebildet, daß sie dann, wenn die
Temperatur am Temperaturfiihler 33 eine Temperaturschwelle überschreitet, die dicht
unterhalb derjenigen Temperatur liegt, bei der das Überdruckventil 36 ansprechen
wird, die Pumpen 27 und 28 einschaltet, und zwar in der Richtung, daß die Pumpe
27 Wasser aus dem Wärmespeicher 10 in den Zusatzspeicher 30 fördert und die Pumpe
28 relativ kiihles Wasser aus dem Zusatzspeicher 30 in den Wärmespeicher 10 fördert.
Hierdurch wird vom Sonnenkollektor 1 gelieferte Wärmeenergie, die nicht durch entsprechend
große Warmwasserentnahme abgeführt wird und daher zu einer zu starken Erhitzung
im Wärmespeicher 10 fiihren könnte, dem Zusatzspeicher 30 zugeführt.
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Bei dem Zusatzspeicher 30 handelt es sich um einen kugelförmigen oder
zylindrischen Tank, beispielsweise um einen nicht mehr benötigten Heizöltank, in
den eine Kunststoffblase eingelegt ist, in die das Wasser eingefüllt ist.
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Da deratige ursprünglich als Heizöltanks gedachte Tanks nicht mit
einer besonderen Wärmeisolierung versehen sind, kann der Zusatzspeicher 30 zwar
für reletiv kurze Zeit, die in Anbetracht des relativ großen Volumens durchaus mehrere
Tage betragen kann, beträchtliche Wärmemengen speichern, nicht aber fr 1 längere
Zeit. Folgen innerhalb eines derartigen Zeitraums, in dem die Temperatur Im Zusatzspeicher
30 noch einen Wert hat, der fiir die Erwärmt ; des Wassers im Warmwasserspeicher
4 verwendbar ist, sonnenseheinlose Zeiten, so bewirkt die Steuervorrichtung 35 dann1
wenn das Wasser im Wärmespeicher 10 am Ort des Temperaturfühlers 33 um einen vorbestimmten
Betrag unter die am Temperaturfühler 3!s gemessene Temperatur abgesunken ist, ein
Einschalten der Pumpen 27 und 28 im umgekehrten Sinne, so daß durch die Leistung
25 nun Wasser aus dem Zisatzspeicher 30 in den Wärmespeicher 10 gepumpt wird und
relativ kaltes Wasser aus dem Wärmespeicher 10 durch die Leitung 26 in den Zusatzspeicher
30 gepumpt; wird. Hierdurch kann ein Teil der in den Zusatzspeicher 30 transportierten
Wärmeenergie zurückgewonnen werlen.
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Es ist auch möglich, innerhalb des Zusatzspeichers 30 Vorrichtungen
zur Entnahme von Warmeenergie vorzusehen, beispielsweise einen Wärmetauscher in
Form von Rohrechlangen, mit dessen Hilfe beispielsweise ein Schwimmbad beheizt werden
kann. Es ist auch möglich, mit liilfe
einer Wärmepumpe durch Abkühlung
des im Zusatzspeicher 30 enthaltenen Wassers weitere Wärmeenergie bei geeignetem
Temperaturniveau zu gewinnen.
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Wenn beide Pumpen 27 und 28 außer Betrieb sind, verhinders sie in
ausreichendem Maß, daß Wasser aus dem Wärmespeicher 10 in den Zusatzpeicher 30 strömt.
Gesonderte Absperrvorrichtungen sind also nicht unbedingt erforderlich, können aber
bei Bedarf vorgesehen werden. Ist wegen einer Störung nur eine der Pumpen 27 und
28 betriebsfähig, so kann bei Betrieb dieser Pumpe ein Wasseraustausch erfolgen,
weil die stillstehende andere Pumpe keine völlige Absperrung bewirkt.
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Anstatt des durch einen Tnnk gebildeten Zusatzspeichers 30 kann gemäß
einer anderen Ausfiihrungsform der Erfindung der in Fig. 3 (tezei gte Zusatzspeicher
verwendet werden.
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In Fig. 3 ist dje mit; der Pumpe 27 verbundene Rohrleitung 25 und
die mit der Pumpe 28 verbundene Rohrleitung 26 eingezeichnet. Der Speicher wird
gebildet durch Rohrbündel 41, 42 und 43, die mit gegenseitigem ftbr..nd in die ie
Ende eingelegt sind. Als Speichermedium dient; somi t einerseits das in den Rohrbündeln
enthaltene Wasser, anderersei Ls dns Erdreich 44 in der Nachbarschaft dieser Rohrbündel.
Die Rohrbiindel sind so angeordnet, daß beim Einspeichern das heiße Wasser jeweils
oben im Rohrbündel zugeführt wird und das Rohrbündel von oben nach unten durchströmt.
Daher sind die Verbindungsleitungen 45 zwischen den einzelnen Rohrbündeln jeweils
vom unteren Ende des vorhergehenden Rohrbündels zum oberen Ende des nachfolgenden
Rohrbündels geführt.
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Beim Ausspeichern der in dem Erdspeicher gespeicherten Energie wird
d.qs Wasser, wie auch bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung, der Rohrleitung 25
entnommen und durchströmt somit die Rohrbündel in der entgegengesetzten Richtung.
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Ei dem in Fig. 3 gezeigten Erdspeicher ist oberhalb der Rohrbiindel
und des die Rohrbündel umgebenden Erdbereichs eine weitere der Entnahme von Wårmeenergie
dienende Rohrleitung 47 in Mäanderform angeordnet; da diese Rohrleitung quergeschnitten
ist, sind die zahlreichen Rohrquerschnitte dieser mäanderförmig angeordneten Leitung
sichtbar. Diese Rohrleitung 47 kann beispielsweise dazu dienen, Wärmeenergie aus
dem Erdspeicher zur Erwärmung eines Schwimmbades zu entnehmen.
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Der Wasserkreislauf in der Rohrleitung 47 ist demnach von dem Wasserkreislauf
in den Rohrbündeln 41, 42 und 43 getrennt.
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Oberhalb der Rohrleitung 47 ist eine wärmeisolierende Schicht 48 angedeutet,
und oberhalb von dieser eine Betondecke 49; bei dieser Betondecke 49 kann es sich
beispielsweise um den Fußboden des Kellergeschosses eines Hauses handeln, unterhalb
von dem der Erdspeicher angeordnet ist. Dieser Erdspeicher kann somit bei der Herstellung
des Hauses mit nur geringem zusätzlichen Aufwand hergestellt werden.
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Dadurch, daß der Vorsprung 15 bildende Blechstreifen nit der Wand
12 verschweißt ist, wird die Heizfläche des Warnwasserspeichers 4 wesentlich vergrößert
und die von Sonnenkollektor 1 gelieferte Wärmeenergie wird bevorzugt in den mit
dieser vergrößerten Heizfläche versehenen Speicher 4 geleitet. Man könnte auch den
Wärmespeicher 10 mit derartigen seine Heizfläche vergrößernden Vorsprüngen versehen,
und würde dadurch eine erhöhte Wärmezufuhr zum Speicher 10 bewirken.
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Infolge des spiralig ausgebildeten Vorsprungs findet bei der beschriebenen
Anlage eine besonders wirkungsvolle obertragung der Wärmeenergie von dem im Sonnenkollektor
1 aufgeheizten Wasser auf den Warmwasserspeicher 4 und den Wärmespeicher 10 statt.
Es ist daher bei einer derartigen &nlage besonders zweckmäßig, einen Zusatzspeicher
vorzusehen, um eine zu starke Erwärmung des Wassers im Wärmespeicher 10 zu verhindern.