EP0663576A1

EP0663576A1 - Neuer Typ "geschlossener Durchlaufspeicher"

Info

Publication number: EP0663576A1
Application number: EP95100513A
Authority: EP
Inventors: Horst Erdmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-01-15
Filing date: 1995-01-16
Publication date: 1995-07-19

Abstract

Die Patentschrift offenbart einen neuen Typ der modernen, energiearmen und autonomen Warmwasserbereitung zentraler Art in Wohnungen. Es geht um 'Geschlossene Durchlaufspeicher'. Das Gerät wird nicht wie sonst üblich, fest im Leitungsverbund montiert, sondern flexibel mittels zwei Metallschläuchen und Stromstecker zum Einsatz gebracht. Die Erfindung vermeidet das Nachströmen kalten Wassers in den Heißwasserspeicher (2b) In einem Kaltwasserlager (2a) wird es zurückbehalten, sofern man will, bis zur Erschöpfung des gesamten Vorrats. Auf höchste Leistung geschaltet heizt das Heizelement (22) das kalte Wasser auf ca. 40° C vor und bei Warmwasserentnahme (5) fließt das gleiche Quantum Kaltwasser aus dem Kaltwasserzufluß (4) über die Öffnung (8) in die Leitung (9) zum Durchlauferhitzer (11) und von dort in den Heißwasserspeicher (2b). Während der Ruhepausen zwischen den Warmwasserentnahmen (5) kann nach Öffnung des Magnetventils (20) die Auftriebskraft der Membrane (3) Wasser aus dem Kalt- bzw. Warmwasserlager (2a) über den Durchlauferhitzer (11) in den Heißwasserspeicher befördern. Das Gerät kommt ohne eine Umwälzpumpe aus. Lediglich beim Einsatz zur Ausnutzung von Solarenergie aus Solarkollektoren wird an Tagen geringer Temperaturergiebigkeit auf Heißwassertemperaturen angehoben, unter Verwendung von Plattenwärmetauschern (19). Dabei kann zwecks größerer Effizienz eine Umwälzpumpe (21) angezeigt sein, sofern Wasser aus dem Kaltwasserlager (2a) aufbereitet werden soll. Im direkten Durchfluß aus der Kaltwasserleitung (6) über die Leitung (9) und (9a) geht es auch ohne Pumpe. Das Gerät ist Nachtstrom-tauglich. <IMAGE>

Description

Die Erfindung zielt auf eine neue Art der Warmwasserversorgung in Wohnungen. Wegen der Allverfügbarkeit wird mit Strom beheizt. Allerdings sollen die bekannten Stromstärken eingesetzter Geräte, wie z.B. Durchlauferhitzer, erheblich reduziert werden. Außerdem muß die Bedienung der Geräte individuell Sparpotentiale bieten.
Es handelt sich um sogenannte 'Geschlossene Durchlaufspeicher'. Der verwendete Begriff irritiert. Zum einen läuft nicht warmes Wasser durch, wie man meinen könnte, sondern es läuft warmes Wasser aus dem Speicher und kaltes hinein. Dieses mischt sich miteinander und beeinträchtigt die Speicherwassertemperatur.
Das zu entwickelnde Gerät soll diese Nachteile nicht aufweisen. Eine Durchschnittsfamilie soll ihren täglichen Warmwasserbedarf decken können und zwar zentral für alle Warmwasserzapfstellen in der Wohnung. Versorgung des Geräts im N-Tarif wäre von Vorteil. -Im strengen Sinne gibt es während der Zeit einer Speicherentladung bei der neuen Art des Geräts eigentich garkeinen 'Durchlauf' mehr.
Als Vertreter eines geschlossenen Durchlaufspeichers kann das Gerät der Firma STIEBEL ELTRON SHD 30 ACS bzw. SHD 100 ACS zur Anschauung dienen. Sicherheitsarmaturen nach DIN 1988 sind obligatorisch. Vergleiche auch Seite 8 des Handbuchs der v.g. Firma vom Juni 1993 mit dem Titel 'Technik zum Wohlfühlen'. (Warmes Wasser mit Strom, Planung und Installation)
Das angebotene Gerät gibt es in 30 bzw. 100 Litern Speicherinhalt. Es gibt zwei Heizstufen mit 3,5 bzw. 21 kW. Nach Verbrauch des Warmwasservorrats erbringen die 21 kW 10,7 Liter 40° C warmes Wasser im direkten Durchlauf. Das bedeutet letztlich, daß dieser Zustand bereits nach Entleerung von 50 Litern warmen Speicherwassers sich einstellt. Dafür verantwortlich sind die nachgeflossenen 50 Liter kalten Wassers.
Könnte man den Nachfluß kalten Wassers zeitweise unterbinden, so käme es zu einer echten Speicherleistung mit etwa dreifacher Warmwassermenge. Beweis: Das Gerät SHD 100 ACS enthält voll aufgeladen 100 Liter Wasser mit 65°, nach halber Entleerung sind 50 Liter Wasser mit 12°C nachgeflossen, die Mischwassertemperatur beträgt jetzt (50 x 65 + 50 x 12): 100 = 38,5°C. Ohne den Kaltwasserzufluß würde die Mischwassermenge bei entsprechenden 38,5° C betragen: 100 x 65 : 38,5 = 168,8 l. Auf die Menge von nur 50 Litern bezogen sind das beachtliche 337 % mehr Leistung. Immer unter der Voraussetzung, daß während des Entladevorgangs keine Einschaltung der Heizelemente erfolgt.
Der Gerätetyp mit nur 30 Litern Speicherkapazität, SHD 30 ACS, kann als Speicher vergessen werden. Durchlauferhitzer mit ca. 21.kW Leistung haben wenigstens den Vorteil, keine Sicherheitsarmaturen zu benötigen. Ihr Speichervermögen beträgt i. allg. nur einen halben Liter Volumen.
Die Problemstellung findet sich eindeutig in der Bedeutung, die einem echten Speicher zukommt: Warmes Wasser raus und gleichzeitig warmes Wasser rein oder garkein Zufluß während der Entleerungsphase. Mit einer solchen Konstruktion lassen sich die Geräteanschlußwerte von 21 kW ohne weiteres halbieren. Energiebereitstellung hat ihren Preis. Es ist das Gebot der Stunde, mit Energie sparsam umzugehen. 10 kW Anschlußwert bringen keine Nachteile in der Qualität der Warmwasserversorgung in Wohnungen.
Alles in allem ist an ein 'Stecker-fertiges Gerät' gedacht, mit Wasseranschlüssen durch flexible Rohre. Ein solches Gerät muß bei evtl. Reparaturen leicht durch ein Ersatzgerät austauschbar sein. Die Reparatur kann dann in der Werkstatt erfolgen. Sicherheitsgruppen nach DIN 1988 wird es nicht geben. Die Lösung bietet das Gerät selbst.
Aus vorstehenden Ausführungen ergeben sich die Aufgaben der Erfindung. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine wirtschaftliche Kleinform und Einfach-Konstruktion das Problem der Trennung von nachfließendem Kaltwasser im Behälter verhindert mittels einer Linsenmembrane und Umgehungsleitung. Durch die Schaffung und den Einsatz von Auftriebskräften kann auf die sonst obligatorische Umwälzpumpe verzichtet werden. Ein wirtschaftlicher Einsatz des Gerätes bietet sich bereits bei ca. 60 Litern Inhalt an.
Die erforderliche Stromstärke kann auf 10 kW und weniger beschränkt werden. Alternativ könnte im Kaltwasserlager eine Heizungsvorstufe sein.-
Die auftretenden Expansionen bei Wassererwärmung werden durch den Hohlraum der Linsenmembrane kompensiert.
Das Gerät wird über zwei flexible Metallschläuche an die Kalt- und Warmwasserleitung angeschlossen und mittels Stecker mit der Energiezufuhr verbunden. Zu Reparaturzwecken ist es leicht austauschbar.
Es zeigen:

FIG.1: Vertikalschnitt des 'Geschlossenen Durchlaufspeichers'.
FIG.2: Querschnitt der Heizspiralen mit Wasserrohr
FIG.3: Heizeinsatz als Durchlauferhitzer und Tauchsieder im Querschnitt.
FIG.4: Anordnung des Heizeinsatzes im Grundriß
FIG.5: Membran-Körper im Querschnitt
FIG.6: Membrankörper im Grundriß
FIG.7: Druckbehälter-Verschluß-Schraubbügel
FIG.8: Druckverteiler-Elemente
FIG.9: Darstellung der Membran-Einspannung

Wie insbesondere aus FIG.1 ersichtlich, gibt es einen Behälterober- und -unterteil ((1a) (1b). Diese trennt der Membran-Körper (50) mit den Flächenelementen (51) als elastische Hüllen, die einen Schaumstoffkörper einschließen. Membranfühler (53) (54) ertasten das Ende der Heißwasserspeicher (2b) Entleerung über das Kurzschließen des Plus- und Minuspols an der Behälterwandung. Daraufhin öffnet sich Magnetventil (20) und leitet die Wiederaufladung des Heißwasserspeichers (2b) ein. In diesem Zustand hat sich das Kaltwasserlager (2a) randvoll gefüllt. Als Möglichkeit aus Kaltwasser vorgeheiztes Warmwasser zu machen, wurde das Heizelement (22) installiert. Es wird thermostatisch gesteuert durch den Thermostaten (23), aber nur auf Wunsch bzw. besondere Anforderung. Die Vorheizstufe liegt bei etwa 40° C. Weil vielen Verbrauchern eine Nachtladung Heißwasser für den ganzen Tag ausreicht, wird von der Vorstufenerwärmung nicht generell Gebrauch gemacht. - Das im Kaltwasserlager (2a) befindliche Wasser kann nach Magnetventil-(20) Öffnung mittels der Auftriebskraft (56) über die Verbindungsleitung (9) und der Heizspirale (11) oder (30) an der Stelle des Heißwasseraustritts (38) in den Heißwasserspeicher (2b) einfließen. So beschrieben für die Ruhezeit zwischen den Warmwasserentnahmen (5). In dieser Phase wirkt nur die Wärme des Heizrohrs (35). Wird am Steuergerät die Taste für 'Nachladung' gedrückt, schaltet sich bei Öffnung des Warmwasserhahns das Heizrohr (36) zu und bei Schließen des Warmwasserhahns (7) wieder ab. Heizrohr (35) regelt sich selbsttätig über seinen Thermostaten (17). Es steuert die voreingestellte, gewünschte Heißwassertemperatur zwischen 55 - 85° C. Folglich wird das durch die Autriebskraft (56) nachfließende kalte Wasser zum einen im Durchlaufrohr (34) erwärmt und bei nicht erreichter Speichertemperatur dort nach-erhitzt. Jedoch wird i.d.R. zuerst der gesamte Speichervorrat an heißem Wasser verbraucht, ehe die zuvor geschilderte Nachheizung Platz greift.
Bei der Aufladung im N-Tarif Zeitraum steuert eine Zeitschaltuhr (42) den Beginn der gewünschten Wiederaufladung. Sie kann allein mit dem Heizrohr (35) der Schaltstufe 1 erfolgen. Bei Erreichen der Heißwasserspeicher (2b) Temperatur schaltet der Thermostat ab, das geschieht erst nach Entleerung des Kalt- bzw. Warmwasserlagers (2a). Den Wassertransport von (2a) nach (2b) bewerkstelligt die Auftriebskraft (56) des Membran-Körpers (50).
Sollte außerhalb des N-Tarifs die Warmwasserleistung gesteigert werwerden, so kann die Höchstleistungsstufe (43) von Hand geschaltet werden, wobei das nachfließende kalte Wasser bei geöffnetem Magnetventil (20) über die Ausflußöffnung (8) in die Verbindungsleitung (9) fließt und sich dann im Durchlauferhitzer (11) bzw. Heizeinsatz (30) aufheizt um so über den Heißwasseraustritt (38) in den Heißwasserspeicher (2b) zu gelangen.
Bei vorhandenen Sonnenkollektoren bietet sich der Einsatz des 'Geschlossenen Durchlaufspeichers ' an, sofern die Kollektortemperaturen nicht die Sollwerte erreichen, die für das warme Wasser eingestellt sind. Die Nachheizung erfolgt dann in der Weise, daß über die Verbindungsleitung (24) das nachfließende kalte Wasser aus der Wasserleitung (6) oder aus dem Kaltwasserlager (2a) bei geschlossenem Magnetventil (20) durch den Plattenwärmetauscher (19) geleitet wird und anschließend durch den Durchlauferhitzer (11) bzw. den Heizeinsatz (30) in den Heißwasserspeicher über den Heißwasseraustritt (38) gelangt. Eine evtl. erforderliche Nacherwärmung besorgt das Heizrohr (35) auf thermostatischem Wege. Bei Erwärmung von Kaltwasser aus dem Kaltwasserlager (2a) ist zur Beschleuniging der Fließgeschwindigkeit im Plattenwärmetauscher (19) der Einsatz der Umwälzpumpe (21) zu empfehlen.
Zu FIG. 2, 3 und 4 dem Heizeinsatz (30) wird ausgeführt: Es wurde der Querschnitt der Heizspirale (37) aus drei Rohrengestaltet. Ein Durchflußrohr (34) flankiert von zwei Heizrohren (35) (36) mit unterschiedlicher Heizleistung. So kann die kleinere Leistungsstufe spezifische Daueraufgaben übernehmen, wie thermostatische Steuerung der verlangten Heißwasserspeicher (2b) Temperatur. Es gibt einen Berührungsschutz in Lochblechausführung (33) für den Membran-Körper (50). Für das Steuergerät (41) besteht durch die Steckerverbindung (40) die Anordnung an bedienungsfreundlichem Ort. Der Thermostat (39) regelt die Temperatur des Heißwasserspeichers (2b). Im Behlterunterteil (1b) befindet sich die Öffnung (31) zur Durchführung der Heizrohre (35)u. (36). Die Durchführungsöffnung (32) daneben ist für den ganzen Querschnitt der Heizspirale (37) vorgesehen.
Die FIG. 5 und 6 zeigen den Membran-Körper (50). Aus geeignetem Plattenmaterial werden die Flächenelemente (51) hergestellt. Sie umschliessen die Schaumstoff-Füllung und formen denselben als Linse. Im Falzrand (52) findet die Verklebung statt, die den Membran-Fühlerkabel - auslaß vorsieht. Der Membranfühler (53) ist der Pluspol und der danebenliegende (54) der Minuspol. Bei Behälterberührung schließen dieselben sich kurz und bewirken die Öffnung des Magnetventils (20). Die Steuerimpulse leitet das Kabel (56). Die Linsenform (57) des Membran-Körpers wurde zur Optimierung der Auftriebskraft (56) gewählt.
Die FIG. 7, 8 und 9 zeigen das Behälter-Druckverschluß-System. Es wurde eigens entwickelt, um anstelle der üblichen Flanschverschraubungen die die Membrane durchlöchern würden, diese unbeschädigt einbringen zu können. Außerdem wurde eine Art Schnellverschluß angestrebt, um bei Montage- und Demontagearbeiten Zeit zu gewinnen. Der Schraubbügel (61) des Druckbehälter-Verschlusses hat oben die Spannschraube (62) mit der Spitze (65). Letztere greift in die Kerbe (66) des Druckverteilerelements (63). Das untere Gegenstück besitzt keine Kerbe und hat die Bezeichnung (64). Beide Druckverteilerelemente (63) (64) schmiegen sich in die Falze (68) am Behälterober- und -unterteil (1a) (1b) und schliessen die Membrane (68) dicht ab.
Die Volumenvergrößerung bei der Wassererwärmung nimmt die Membrane (50) auf. Ein Sicherheitsventil wird dadurch entbehrlich.

Claims

Geschlossener Durchlaufspeicher mit einem ungeteilten Behälter, in welchen unten Kaltwasser einströmen kann, das sich im Weg nach oben an Heizkörpern erwärmt und dann am oberen Ende eines Überlaufrohrs über eine Warmwasserleitung austreten kann, wobei der durch die Erwärmung entstandene Behälterüberdruck außerhalb durch ein Sicherheitsventil überwacht und entspannt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Behälter (1) aus einem Behälteroberteil (1a) und einem Behälterunterteil (1b) besteht mit der Besonderheit, oben ein separates Kalt- u. Warmwasserlager (2a) und unten einen Heißwasserspeicher (2b) zu besitzen mit der Eigenschaft der stetigen Veränderung der beiden Volumeninhalte aus (2a und 2b) zu einem Ganzen, was durch die Warmwasserentnahme (5) zustande kommt, hierbei ist das nachfließende Kaltwasserquantum (4) im Kaltwasserlager (2a) zurückbehaltbar, während im gleichen Maße der Heißwasserspeicher (2b) entleerbar ist.
Geschlossener Durchlaufspeicher nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß es eine zeitweilige Durchlaufunterbrechung (17) des Wasserkreislaufs gibt, bewirkt durch das geschlossene Magnetventil (20) wobei nach Beendigung der Warmwasserentnahme (5) d.h. die Entleerung des Heißwasserspeichers (2b) über die Membran Fühler (53) u. (54) das Magnetventil (20) geöffnet wird mit der gleichzeitigen Einsetzung der Auftriebskraft (56) wobei Wasser aus dem Kalt- bzw. Warmwasserlager (2a) beförderbar wird und zwar durch die Ausflußöffnung (8), in die Verbindungsleitung (9), durch das Magnetventil (20), weiter durch den Rückflußverhinderer (16) dann in den Durchlauferhitzer (11) bzw. (30) und letztlich über den Heißwasseraustritt (38) in den Heißwasserspeicher (2b) und in gleicherweise ergibt sich der beschriebene Wasserweg aus der Kaltwasserleitung (6), sobald der Warmwasserausfluß (5) geordert wird.
Geschlossener Durchlaufspeicher nach Anspruch 1 und 2
dadurch gekennzeichnet, daß
die maximale Bestückung mit Heizelementen vorsieht, ein radiales Heizelement (22) im Kalt- und Warmwasserlager (2a) mit geringer Leistung thermostatisch gesteuert, dazu im Heißwasserspeicher (2b) zwei Heizrohre (35) (36) mit einer Gesamtleistung von ca. 10 kW, wobei das eine nur etwa ein Drittel der Gesamtleistung aufweist, und die Heizrohre (35) (36) nur schaltbar sind bei vorheriger automatischer Abschaltung des Heizelements (22), dagegen sind das Heizelement (22) und das Heizrohr (35) mit seinem Drittel zusammen und einzeln schaltbar.
Geschlossener Durchlaufspeicher nach Anspruch 1 und 2
dadurch gekennzeichnet, daß
das Magnetventil (20) durch das Steuergerät (41) geschaltet ist, wobei die Verbindungsleitung (9) entweder geöffnet oder geschlossen ist, mit der damit verbundenen Aktivierung der Sparstufe in Form gemäßigter Nachladung durch die Auftriebskraft (56) der Membrane (50) oder drittens der vollen Leistung der laufenden Regenerierung bei gegebener Betriebsbereitschaft zur Warmwasserentnahme (5).
Geschlossener Durchlaufspeicher nach Anspruch 1 und 2
dadurch gekennzeichnet, daß der Membran-Körper (50) das Herzstück der Erfindung ist mit der Linsenform (57), der Auftriebskraft (56) und den Membranfühlern (54) (55) wodurch Funktionen ermöglicht sind, wie Schaltung des Magnetventils (20) bei Erschöpfung des Heißwasserspeichers (2b) auf Regeneration mit Hilfe der Auftriebskraft (56) aus dem Kalt- bzw. Warmwasserlager (2a) und Einschaltung der vollen Heizleistung der Heizrohre (35) (36) bei Warmwasserentnahme (5) alles ohne den Einsatz einer Umwälzpumpe.
Geschlossener Durchlaufspeicher nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Behälterober und -unterteil (1a) (1b) durch ein spezielles Druckbehälter-Verschluß-System (60) verbunden ist, wobei die Mehrzweck-Membrane (3) dazwischen eingespannt ist ohne die übliche Randdurchbohrung,was durch den Schraubbügel (61) sichergestellt wurde, in welchen die Spannschraube (62) eingeführt ist, die mit der Schraubenspitze (65) in die Vertiefung (66) des Druckverteilerelements (63) eingelassen ist mit der Anordnung des unten liegenden Druckverteilerelements (64) als Gegenüber.
Geschlossener Durchlaufspeicher nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
durch eine Ergänzungs-Konstruktion Wärmeangebote von Sonnenkollektoren auf Temperaturen des Heißwasserspeichers (2b) möglich ist mit der Verbindungsleitung (24) und der Umwälzpumpe (21) zusammen mit dem Flächenwärmetauscher (19), hierbei steht das Magnetventil (20) auf zu.
Geschlossener Durchlaufspeicher nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß
ein flex. Sternergerät (41) des 'Geschlossenen Durchlaufspeichers' anbringbar ist zwecks leichter Bedienbarkeit bzw. Handhabung mit den Möglichkeiten folgender Schaltvorgänge: Über Zeitschaltuhr (42) Ladung im N-Tarif, Druckschalter für Höchste Leistungsstufe (43), Druckschalter für Vorheizen des Kaltwasserlagers (44) und auf besonderen Wunsch Druckschalter für Solarenergienutzung (45) in Verbindung mit dem Plattenwärmetauscher (19), der Umwälzpumpe (21) über die Verbindungsleitung (24) als Abzweig von der Verbindungsleitung (9)
Geschlossener Durchlaufspeicher nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) eine kompakte Form aufweisen muß als Voraussetzung für leichte Unterbringung in Wohnungen wie das Behälterober- und -unterteil (1a) (1b) in Halbkugelform mit Varianten bis hin zur Topfform in Edelstahlausführungen oder ähnlichen Materialien.
Geschlossener Durchlaufspeicher vorstehender Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Patentschrift in den Ansprüchen 1 - 9 ein Entwicklungspotential darstellt mit der Option , daß sich aus den Elementen der diversen Erfindungen unterschiedliche technische Ausführungsvarianten von 'Geschlossenen Durchlaufspeichern' ableiten lassen.