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EP4521036A1 - Bivalent multifunction storage system - Google Patents

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Publication number
EP4521036A1
EP4521036A1 EP24199200.7A EP24199200A EP4521036A1 EP 4521036 A1 EP4521036 A1 EP 4521036A1 EP 24199200 A EP24199200 A EP 24199200A EP 4521036 A1 EP4521036 A1 EP 4521036A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
zone
storage
domestic water
storage system
multifunctional
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24199200.7A
Other languages
German (de)
French (fr)
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zeeh Gabriele
Original Assignee
Zeeh Gabriele
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zeeh Gabriele filed Critical Zeeh Gabriele
Publication of EP4521036A1 publication Critical patent/EP4521036A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • F28D2020/0065Details, e.g. particular heat storage tanks, auxiliary members within tanks
    • F28D2020/0082Multiple tanks arrangements, e.g. adjacent tanks, tank in tank

Definitions

  • the invention generally relates to a bivalent multifunctional storage system according to the preamble of the main claim.
  • This system comprises a buffer storage tank as a component of a heating system and a device for hot water preparation.
  • Multifunctional storage tanks within the meaning of the invention include, in particular, buffer tanks, which are designed, for example, as multi-zone stratified storage tanks with integrated hot water preparation for domestic water.
  • the buffer tank is connected to an external heat source, for example, a heating system and/or a heat pump or a solar system, which, via a supply line, loads the buffer tank with heating water at the temperature required for space heating.
  • This heat source is referred to as external below, as it is not part of the multifunctional storage system.
  • the storage tank is filled with heating water, although any other heat-carrying storage medium is also suitable.
  • the storage medium in the storage tank is heated by means of the heat source or by a heating surface arranged inside the storage tank, which is connected to a heat source, for example a heat pump, in such a way that the storage tank always contains a stratified charge with several layers of the storage medium at different temperatures.
  • the temperature stratification is set and maintained in such a way that the stratified charge has at least one buffer storage zone and at least one hot water charging zone above it.
  • the expert can also identify the two zones of the multi-zone stratified storage system using other features, for example the density and gradient of the coils or the temperature distribution in the storage medium.
  • a counterflow domestic water heater is usually integrated into the multi-zone stratified storage tank to generate hot water.
  • the inlet of the domestic water line for cold water is located on the cold side of the storage tank, and the outlet for hot water is located on the warm side.
  • the counterflow domestic water heater comprises the domestic water line and a flow line that surrounds the domestic water line and forms a flow gap.
  • the heat exchanger surface is designed, in terms of material and, if necessary, also the design of the line's surface, to ensure effective heat transfer to the domestic water flowing in the line.
  • the counterflow domestic water heater further comprises a domestic water charging pump for charging the flow gap with the storage medium in which the counterflow domestic water heater is located.
  • a domestic water charging pump for charging the flow gap with the storage medium in which the counterflow domestic water heater is located.
  • the domestic water flow runs from bottom to top, and the storage medium flow in the flow gap from top to bottom.
  • the storage medium is pumped from the upper area of the hot water charging zone into the inlet of the flow gap by means of the domestic water charging pump.
  • the inlet is usually located one or two coils below the outlet of the domestic water line from the storage tank, so that these coils are in direct thermal contact with the storage medium in the storage tank.
  • the counterflow domestic water heater further comprises measuring sensors and a circulation line, with the circulation line flowing into the domestic water line at the return connection. The amount of flowing water in the circuit depends directly on the heat input by the Storage medium, whereby the temperature stratification in the storage medium should be maintained as far as possible.
  • a multifunctional storage system also includes a control unit that is suitable and configured to operate the system.
  • a control unit communicates with temperature sensors that measure the temperatures of the storage medium at various positions in the storage tank, such as the temperature stratification, particularly in the upper area of the storage tank, as well as the temperature of the domestic water, particularly at its tap. It is also designed to control the pumps of the multifunctional storage system, particularly the domestic water charging pump and optionally additional pumps.
  • a multi-zone stratified storage tank with buffer storage and integrated hot water preparation is available from the DE 10 2010 028 198 A1
  • Such a heating system has a heat pump as a heat source for heating the storage medium in the storage tank.
  • the storage medium has a temperature stratification, which should be disturbed as little as possible during operation of the multi-zone stratified storage tank.
  • Other heat sources for buffer heating systems are also known.
  • the hot water preparation system implemented in such a multi-zone stratified storage tank operates on the flow-countercurrent principle and comprises a tubular, usually coiled domestic water pipe, which is designed as a heat exchanger surface and is made of a corrosion-resistant material.
  • the domestic water pipe is surrounded by a flexible, temperature- and pressure-resistant flow line in such a way that an annular A flow gap is created.
  • the flow gap opens at least at the top, in this design open on both sides into the buffer tank, with a distance to the top and bottom walls of the storage tank so that the storage medium can flow through the flow gap using a charging pump that pushes from above or alternatively sucks from below and comes into thermal contact with the domestic water pipe. If the lower end of the flow gap does not open into the buffer tank in alternative designs, then it is fluidly connected to the lower area of the storage volume, for example by means of a pipe loop ( DE 298 16 006 U1 , DE 10 2009 026 420 A1 ).
  • the storage volume is also divided into the lower, temperature-stratified buffer storage zone and the warm water charging zone above it.
  • a heat pump is used as the heat source here.
  • the refrigerant is fed through the storage tank via a coiled pipe and heats the storage medium within it according to the desired temperature stratification.
  • the charging pump generates the flow of the medium in the flow gap opposite to the flow of the domestic water by feeding warm water from the upper, hot area of the hot water charging zone into the upper area of the flow gap.
  • the heat exchanger surface of the counterflow domestic water heater is designed for optimal heat transfer between the storage medium flowing in the flow gap and the domestic water flowing in the domestic water pipe, for example by the choice of the material of the heat exchanger surface, the coiling of the pipes and by suitable structuring that increases the surface area and/or other known designs of the heat exchanger surface.
  • bivalent is understood in energy generation to mean that two different heat energy generators are combined to heat the heating and/or domestic water.
  • screw-in heaters are increasingly being integrated into the storage tank. These can be fed by a photovoltaic (PV) system and serve as an additional heat source for heating the storage medium.
  • PV photovoltaic
  • Such an electric heater also commonly referred to as an electric cartridge or E-cartridge, is described, which protrudes into the cylindrical flow line surrounding the coiled domestic water pipe in order to heat the medium in the flow line.
  • E-cartridges are generally known as current-carrying heating coils, whose basic shape is essentially rod-shaped, but other shapes suitable for the purpose of the invention may also be used.
  • the heating coil may have a heat-conducting sheath.
  • a wide variety of designs are known to those skilled in the field of heating technology.
  • the object of the invention is therefore to provide an advantageous concept which is suitable for reducing the manufacturing and operating costs of multifunctional storage systems for heat pumps, district heating and other heat sources with hot water preparation and for improving the efficiency.
  • PV photovoltaic
  • the term "bivalent multifunctional storage system” encompasses a primary heat generator, which supplies at least the base load and, in the event that the secondary energy source is temporarily unable to supply energy, the entire energy supply, and at least one electric cartridge, which is operated by a photovoltaic system.
  • the primary heat generator can be, for example, a combustion heating system, district heating, or another heat generator.
  • the at least one electric cartridge is integrated in the upper, hot heating area of the hot water charging zone without protruding into the flow gap in which the domestic water is heated by means of the storage medium flowing through from top to bottom.
  • the heating zone in which the electric cartridge heats the storage medium beyond the usual temperature stratification, is located in the upper region of the storage tank.
  • the additionally heated storage medium is pumped into the inlet of the flow gap, where the domestic water is already significantly warmed, and receives an additional temperature boost both in the flow gap and above it.
  • This makes it possible to reduce the primary energy required for the multifunctional storage system, in particular the timing of the heating system for domestic water heating.
  • the temperature stratification below is not or only slightly affected, since the heated storage medium is pumped directly into the flow gap, and thus the additional energy from the electric cartridge is used primarily for domestic water heating.
  • such electric cartridges can be used that can be placed in the hot water charging zone according to the following description and operated at the proposed output.
  • Their output can be fixed, stepwise adjustable, or modulated (continuously adjustable), with an automatic temperature limiter serving to protect the electric cartridge.
  • the heating surface of the at least one electric cartridge extends through a specially designed opening in the wall of the storage tank into the storage medium.
  • the distance between the E-cartridge and the upper wall of the storage tank is referred to as E, measured from the inner highest point of the tank wall to the lowest point of the E-cartridge's heating surface.
  • the distance from the upper inlet of the flow gap to said highest point of the storage tank wall is referred to as A, where A is measured to the lowest point of the opening in the flow line wall at its inlet.
  • the heating area extends up to the eighth coil of the domestic water pipe, optionally up to the seventh, sixth, fifth, fourth, third, or second coil.
  • the coils of the domestic water pipe are always counted from the top of the storage tank downwards.
  • the uppermost inner end of the tank wall also serves as a reference for measuring the distances A for the inlet of the flow gap and E for the lower edge of the heating surface of the electric cartridge located in the storage medium.
  • the reference to the lower edge of the heating surface of the electric cartridge serves only to clearly define the heating area for the purpose of describing the invention and is not suitable for capturing the thermal area that is actually influenced by the one or more electric cartridges in the hot water charging zone. If the defined lower end of the hot area is of little or no importance for the aspect being described, this area in question is also referred to below as the "hot area".
  • the arrangement "between the coils” means that the respective electric cartridge is inserted horizontally between two adjacent coils within this area, although deviations from the horizontal position are possible depending on the distance between the coils.
  • the at least one electric cartridge is inserted between the second and third, the third and fourth, or the fourth and fifth coils, etc. If multiple electric cartridges are used for domestic water heating according to the invention, they can be distributed around the circumference between the same coils or between different coils within the specified area, optionally also distributed around the circumference.
  • the electric cartridge in the heating section of the storage tank up to the eighth coil of the domestic water line (counting from the top), and within the hot water charging zone, the domestic water can be heated to the required temperature effectively and with minimal impact on the temperature stratification of the storage medium. If the hot water charging zone is shortened, the electric cartridge should obviously be positioned higher than the eighth coil.
  • control unit is designed and configured to operate the multifunctional storage system, in particular the at least one e-cartridge, using the energy of an external photovoltaic system (PV system), i.e., a system not belonging to the invention, preferably its PV surplus.
  • PV surplus refers to that portion of the solar energy generated by a PV system that cannot be used by the operator of the PV system itself and is therefore fed into the grid.
  • the electric cartridge is at least communicatively connected to the PV system and configured for a power range, for example, up to a five-digit wattage.
  • This power range is suitable for current PV systems to use solar energy, and in particular PV surplus, for domestic water heating.
  • other controllable power ranges may also be required. Future developments in PV systems and electric cartridges will also make other controllable power ranges possible.
  • the power of the electric cartridge can be constant, modulated, or adjustable in steps across the usable power range, so that the power available from the PV surplus can be optimally used to cover the power required for domestic water heating. Continuous control from 0 to 100% of the available power range is possible, for example, using pulse width modulation.
  • the control unit includes an energy meter or is communicatively connected to one.
  • An energy meter serves and is designed and configured to measure the energy available from the PV system. Determine energy surplus based on comparison with the preset feed-in energy.
  • the energy meter can also be designed to implement the communicating connection between the electric cartridge and the external PV system. It controls or regulates the at least one or more electric cartridges depending on the required output to achieve the required domestic hot water temperature and/or depending on the available PV surplus.
  • An energy meter is known as a device for measuring electricity consumption and is communicatively connected to the electric cartridge via a cable or radio connection to control it, so that the output of the electric cartridge can be adjusted to the available and measured PV surplus.
  • the energy meter can also be configured to receive measured values from the electric cartridge, such as the temperature at the heating coil, the set safety temperature limit and the temperatures at other measuring points in the storage medium, and to evaluate them based on predefined parameters.
  • the arrangement of at least one or more electric cartridges in the heating area depends on various parameters of the storage tank and the counterflow domestic water heater, such as the volume and diameter of the storage tank, the width of the flow gap, the pitch of the coil, the temperature stratification of the storage medium, and others. It has proven advantageous to arrange the electric cartridge below the open outlet of the flow gap. This variant is characterized in that the distance E, defining the position of the electric cartridge, is greater than the distance A, defining the position of the upper inlet of the flow gap.
  • the coils running directly adjacent to the electric cartridge are enclosed by the flow line.
  • a coil is considered to be arranged directly adjacent to the electric cartridge if it is located directly next to the electric cartridge in a side view.
  • a coil is generally considered to be a section of a coiled line that forms a full circle in a plan view.
  • the multifunctional storage system comprises an additional pump with a pumping direction opposite to that of the domestic hot water charging pump. Its pressure side is fluidically connected to the hot storage medium in the heating section of the storage tank, and its suction side is connected to the inlet of the flow gap, which is also located in the upper heating section.
  • This pump is referred to as a stratified charging pump.
  • the stratified charging pump pumps storage medium from the lower, colder section of the storage tank through the flow gap into the heating section, where it mixes with the storage medium there, which is additionally heated by the electric cartridge. This measure also serves to protect the electric cartridge, which is consequently surrounded by storage medium when a predefined limit temperature is exceeded.
  • This storage medium has a lower temperature than the storage medium in the heating section.
  • the suction side of the stratified charging pump can be fluidically connected directly to the lower section of the storage tank via a bypass line, and the bypass line can pump colder storage medium into the heating zone.
  • the storage medium can also be introduced into the uppermost section of the storage tank or into a lower section of the heating zone.
  • the stratified charging pump can be arranged in series with the domestic hot water charging pump, in which case pumps are used which can handle counter-rotating flows. Otherwise, the use of one of the pumps arranged in series would result in the destruction of the second pump.
  • both pumps can be configured as one pump with reversible pumping direction.
  • temperature sensors can be arranged in various suitable positions, for example in the upper and optionally lower area of the storage tank as well as in the domestic water extraction or in other positions.
  • At least one further electric cartridge can be arranged in a deeper region of the storage tank, where the stratification has a significant temperature difference to both the uppermost and lowermost layers, particularly in a central section of the tank, for example in the buffer storage zone.
  • a distance of two, three, four, five, or more coils is preferred, depending on the size of the storage tank and the number of coils, as well as its temperature stratification.
  • the further, lower electric cartridge can be designed to be cascaded or operable separately from the first, i.e., the upper electric cartridge described above.
  • this electric cartridge can be operated in an energy range that lies above that of the upper electric cartridge. It can optionally be step-controlled.
  • the lower electric cartridge then heats a middle or lower layer of the storage tank, forming a base load.
  • the upper electric cartridge can be switched on as needed, modulating the heat output depending on domestic hot water consumption.
  • the upper electric cartridge can also be switched off.
  • Such a cascaded arrangement with appropriately adjusted control ranges and cascaded operation is also possible when using more than two e-cartridges arranged one above the other.
  • the multiple e-cartridges can be controlled individually or together, and can also be grouped together.
  • the control unit of the multifunctional storage system can be designed for automatic or manual control and regulation of the multifunctional storage system's processes, such as monitoring the temperature of the storage medium and the domestic water at various positions in and on the storage tank, as well as temperature regulation, establishing counterflow in the flow gap, determining the available PV surplus, and other, even subordinate, processes.
  • the multifunctional storage system includes additional electronic components for this purpose, such as signal converters, flow switches for controlling the pumps, and others, as well as hydraulic components such as pumps, valves, buffer tanks for buffering potential pressure surges resulting from switching operations, and others.
  • the operation of one or more optionally several e-cartridges using the PV surplus as well as their control to optimize the self-consumption of solar power, the PV system linked to the heating system and the multifunctional storage can be carried out wirelessly on the basis of the temperature sensors.
  • the problem is solved in terms of the method by its operation, whereby the E-cartridge is fed by that portion of solar energy from a PV system of the heating operator which cannot be used by the operator himself and would therefore have to be fed into the public electricity grid ("excess solar energy” or "PV surplus”), but can be effectively used with the method according to the invention for operating the domestic water heating.
  • the method according to the invention is based on the concept of heating the storage medium in the uppermost area of the storage tank, the heating area described above, which is assigned to the hot water charging zone, by means of an electric cartridge arranged there, additionally and above the usual and required temperature for the storage medium, and pumping it into the inlet of the flow gap by means of the domestic water charging pump.
  • the domestic water line is heated near its outlet from the storage tank to a level that is significantly higher than the temperature achievable by means of the regular temperature stratification of the storage medium in the storage tank due to the functionality of the multifunctional storage system described above.
  • a reduction in the temperature stratification, at least in the buffer storage zone can be avoided or is possible without allowing the temperature of the domestic water to fall below the temperature level.
  • the timing of the operation of the Heat source of the multifunctional storage system and the energy requirement of the heat source can be significantly reduced.
  • the at least one electric cartridge is operated with electricity generated by an external photovoltaic system (PV system).
  • PV system photovoltaic system
  • the amount at which an energy supply from the heat source is required can also be influenced by the configuration and operation of the one or more electric cartridges.
  • the storage medium is heated in the upper area of the hot water charging zone, which is the uppermost area in the storage tank and is also referred to here as the heating zone. It is pumped into the flow gap of the counterflow heat exchanger at the inlet located there, where it comes into direct thermal contact with the heat exchanger surface of the domestic water pipe.
  • the domestic water which flows through the heat exchanger in the opposite direction, from bottom to top, and has thus been preheated, is heated most intensively in the upper section of the heat exchanger.
  • the additional heat energy is supplied via one or more electric cartridges, which generate electricity from the external PV system.
  • this is the PV system of the operator of the multifunctional storage system, allowing its excess PV energy to be used for additional heating of the storage medium.
  • the electric cartridge operates within a power range that allows even low PV system outputs, particularly PV surplus, to be utilized.
  • this range is up to five-digit wattage, but may change in the future with the further development of the heating and PV systems used.
  • the optimal usable output can be achieved through control, for example, using pulse width modulation, or by adjusting at least one electric cartridge, or by connecting or disconnecting additional, existing electric cartridges. This is based on temperature measurements in the storage tank and/or the tapped domestic water.
  • the invention utilizes an energy meter.
  • This meter is communicatively connected to the electrical distribution board of the house in which the multifunctional storage system is installed and determines the currently available PV surplus from the PV system in use. The output of one or more e-cartridges is adjusted to this determined value.
  • the electric cartridges can be operated in multiple stages of the same or different power levels, or in cascading stages within the hot water charging zone or within the hot water charging zone and the buffer storage zone.
  • the latter distribution of electric cartridges supports, for example, maintaining temperature stratification in the storage tank, as this can be influenced in the various situations described here for using the storage medium to adjust the temperature of the domestic water and the heating zone.
  • storage medium is pumped from a lower region of the storage tank, the temperature of which is lower than the target temperature, into the heating zone by means of the stratified charging pump described above, at least until the temperature falls below said target temperature.
  • the colder storage medium can optionally be supplied through the flow gap or through a bypass line, which can optionally run outside the storage tank independently of the temperature stratification.
  • the colder storage medium can be pumped by the domestic hot water charging pump by connecting both pumps in series. A combination of both embodiments is also possible.
  • storage medium is drawn from the lower area, where the outlet of the flow gap is located.
  • This area is defined by the system and contains storage medium at a relatively low temperature, relative to the available temperature layers of the multifunctional storage system.
  • the counterflow in the flow gap is reversed to supply the colder storage medium. Due to the preferably unaffected or only slightly disturbed temperature stratification, the target temperature can be adjusted solely by the amount of storage medium supplied.
  • the multifunctional storage system comprises one, optionally several, bypass lines, which lead inside or outside the storage tank from at least one colder area of the storage medium located below the heating area to the heating area.
  • bypass lines which lead inside or outside the storage tank from at least one colder area of the storage medium located below the heating area to the heating area.
  • Retrofitting multifunctional storage systems with one or more e-cartridges for utilizing the PV surplus is possible.
  • Such integration of at least one e-cartridge also apparently includes its control, whereby the existing temperature and pressure sensors can be used for this purpose and, if necessary, supplemented with additional sensors.
  • the integration is further supported by the available energy meters, which can be connected to the house's power distribution system and, depending on the available PV surplus, can control the e-cartridge(s) via wired or wireless connection.
  • Fig. 1 shows a multifunctional storage system 1 with a storage container 2, which is filled with a storage medium 3.
  • a temperature stratification is created and maintained, with the temperature increasing from bottom to top.
  • the temperature progression from low to higher temperatures is shown in Fig. 1 represented by an increasing gray level of the area in the storage tank 2.
  • a buffer storage zone 5 is created in the lower area and a hot water charging zone 6 in the area above it in the storage tank 2, whereby a sharp separation between the two zones is neither present nor required.
  • the optional version with a perforated separating disc 9 is shown, which has an annular gap (not shown) surrounding the wall of the storage tank 2.
  • the countercurrent domestic water heater 10 is formed running through the hot water charging zone 6.
  • This comprises a domestic water line 11 designed as a heat exchanger surface 11, the domestic water outlet 13 of which opens out of the top of the storage tank 2, and the domestic water inlet 12 of which is located at the base of the storage tank 2.
  • the countercurrent domestic water heater 10 can also be shortened by arranging the domestic water inlet 12 and the outlet 17 of the flow gap 15 higher than shown.
  • the inlet 16 of the flow gap 15 can also have a different position. In the illustrated embodiment, this is located approximately half a turn of the domestic water line 11 below its upper passage through the wall 4. However, the countercurrent domestic water heater 10 runs at least through the hot water charging zone 6.
  • the counterflow domestic water heater 10 further comprises a flow line 14 concentrically enclosing the domestic water line 11.
  • the flow line 14 is arranged over its entire length such that a flow gap 15 is formed between the two lines.
  • the storage medium 3 is pumped from top to bottom through the flow gap 15 by means of a domestic water charging pump 18, the pressure side of which is connected to the upper end of the flow gap 15, whose inlet 16 is connected.
  • the lower end of the flow gap 15 is therefore its outlet 17.
  • the pitch angle of the coils in the buffer storage zone 5 is selected to be greater than the pitch angle in the domestic water charging zone 6. Other ratios of the coils and/or the number of coils in both zones are possible.
  • the inlet of the flow line 14 is located approximately half a turn below the domestic water outlet 13 from the storage tank 2.
  • Other positions of the inlet 16 and outlet 17 of the flow gap 15 are possible depending on the length of the flow line 14.
  • the domestic hot water charging pump 18 is arranged in a bypass line 27 that runs outside the storage tank 1. Its pressure side (the tip of the triangular symbol pointing towards the bypass line) is connected via the bypass line 27 to the inlet 16 of the flow gap 15, and its suction side (the opposite base of the triangular symbol) is connected to the uppermost end of the wall of the storage tank 2 via the same bypass line 27.
  • the domestic hot water charging pump 18 pumps the hottest storage medium 3 located at the uppermost end of the storage tank 2 into the inlet 16 of the flow gap 14 to heat the domestic hot water to the required temperature.
  • the stratified charging pump 19 is arranged in series with the domestic hot water charging pump 18 in the same bypass line 27, but with the pumping direction reversed (represented by the oppositely directed pump symbol). It pumps colder storage medium 3 through the flow gap 15 from the lower area of the buffer charging zone 5 into the uppermost part of the wall of the storage tank 2.
  • An optional bypass line 27' (shown in dashed lines) leads from the pumps 18, 19 to an inlet into the buffer storage zone 5 located above the domestic hot water inlet 12.
  • a temperature sensor 22 is arranged in the upper area of the storage tank 2 to measure the temperature of the storage medium 3. Additional temperature sensors at other positions are possible to support the, preferably automatic, control of the multifunctional storage system 1. Temperature sensors 22 in the buffer storage zone 5 and in the domestic water outlet 13 are shown merely as examples.
  • An E-cartridge 20.1 is arranged between the second coil 25 of the domestic water line 11 and the third coil 26 of the domestic water line 11, which is located at a distance from the first coil below it.
  • the E-cartridge's rod-shaped heating surface extends between the two coils 25, 26.
  • E is greater than A, so that the E-cartridge 20.1 is arranged in the area of the flow line 14.
  • Other ratios of A and E to one another and, consequently, other positions between the coils are possible according to the above description.
  • both points are measured to the uppermost point of the inner wall of the storage tank 2 and can be related to each other on this basis.
  • the distance from the inlet 16 of the flow gap 15 to the uppermost end of the tank wall of the storage tank 2 is designated A.
  • the lowest point of the heating surface of the E-cartridge 20.1 to the same point on the upper wall is designated E.
  • the distance E also determines the size of the "heating area" according to the above definition.
  • a control unit 21 automatically or manually controls and regulates the processes of the multifunctional storage system 1, such as temperature measurements, the operation of at least one electric cartridge 20.1, the operation of the pumps 18, 19, the determination of the PV surplus using an energy meter 23, and other, even subordinate, processes.
  • the control unit 21 is communicatively connected to the PV system.
  • the multifunctional storage system according to Fig. 2 differs from that of the Fig. 1 by a further E-cartridge 20.2, which is arranged in the buffer storage zone 5 and uses the temperature layer located there to form a Base load heating.
  • the additional electric cartridge 20.2 is located between the third and fourth coils of the domestic hot water line 11.
  • Other positions and/or multiple electric cartridges within the buffer storage zone 5 are also possible.
  • the buffer storage zone 5 and the hot water charging zone 6 are not separated by a partition.
  • Fig. 1 please refer to the explanations for Fig. 1 referred to.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Multifunktionsspeichersystem 1 zur Erzeugung von Heizwärme sowie zur Brauchwassererwärmung. Das System umfasst einen Mehrzonen-Schichtladespeicher mit einer unterschiedliche Temperaturen des Speichermediums 3 aufweisenden Schichtladung einer Pufferspeicherzone 5 und einer darüber liegenden Warmwasserladungszone 6, einen Gegenstrom-Brauchwassererhitzer 10, mit einer die Brauchwasserleitung 11 und einer Strömungsleitung 14 derart, dass zwischen beiden ein Strömungsspalt 15 besteht, eine Brauchwasserladepumpe 18 zur Beladung des Strömungsspalts 15 mit dem Speichermedium 3, eine Steuereinheit 21 zum Betreiben des Multifunktionsspeichersystems 1, eine Elektropatrone 20.1, deren Heizfläche eines Heizbereichs innerhalb der Warmwasserladezone 6 angeordnet ist, wobei sich der Heizbereich maximal bis zur achten Wendelung der Brauchwasserleitung 11 erstreckt. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb des Multifunktionsspeichersystems 1. (Fig. 1)

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The invention relates to a multifunctional storage system 1 for generating heat and domestic water heating. The system comprises a multi-zone stratified storage tank with a buffer storage zone 5 and a hot water charging zone 6 located above it, a countercurrent domestic water heater 10 with a domestic water line 11 and a flow line 14 arranged such that a flow gap 15 exists between the two, a domestic water charging pump 18 for charging the flow gap 15 with the storage medium 3, a control unit 21 for operating the multifunctional storage system 1, and an electric cartridge 20.1, the heating surface of which is arranged within the hot water charging zone 6, the heating area extending up to the eighth coil of the domestic water line 11. The invention also relates to a method for operating the multifunctional storage system 1. (Fig. 1)
Figure imgaf001

Description

Die Erfindung betrifft allgemein einen bivalentes Multifunktionsspeichersystem gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs. Dieser umfasst einen Pufferspeicher als Bestandteil eines Heizungssystems sowie eine Vorrichtung zur Warmwasserbereitung.The invention generally relates to a bivalent multifunctional storage system according to the preamble of the main claim. This system comprises a buffer storage tank as a component of a heating system and a device for hot water preparation.

Zu den Multifunktionsspeichern im Sinne der Erfindung zählen insbesondere Pufferspeicher, welche beispielsweise als Mehrzonenschichtladespeicher ausgebildet sind, mit integrierter Warmwasserbereitung für Brauchwasser. Der Pufferspeicher ist mit einer externen Wärmequelle verbunden, beispielsweise einer Heizungsanlage und/oder einer Wärmepumpe oder einer Solaranlage, welche über eine Vorlaufleitung den Pufferspeicher mit Heizwasser belädt, welches die für die Raumheizung erforderliche Temperatur aufweist. Besagte Wärmequelle wird nachfolgend als extern bezeichnet, da sie nicht Bestandteil des Multifunktionsspeichersystems ist.Multifunctional storage tanks within the meaning of the invention include, in particular, buffer tanks, which are designed, for example, as multi-zone stratified storage tanks with integrated hot water preparation for domestic water. The buffer tank is connected to an external heat source, for example, a heating system and/or a heat pump or a solar system, which, via a supply line, loads the buffer tank with heating water at the temperature required for space heating. This heat source is referred to as external below, as it is not part of the multifunctional storage system.

Zur Gewinnung von Wärme und Warmwasser ist der Speicherbehälter mit Heizwasser gefüllt, wobei auch jedes andere wärmetragende Speichermedium geeignet ist. Das Speichermedium im Speicherbehälter wird mittels der Wärmequelle oder mit einer im Innern des Speicherbehälters angeordneten Heizfläche, welche an eine Wärmequelle, beispielsweise eine Wärmepumpe, angeschlossen ist, derart erhitzt, dass sich im Speicherbehälter stets eine Schichtladung mit mehreren Schichten des Speichermediums mit unterschiedlichen Temperaturen befindet. Die Temperaturschichtung wird derart eingestellt und aufrechterhalten, dass die Schichtladung wenigstens eine Pufferspeicherzone und wenigstens eine darüber liegende Warmwasserladungszone aufweist. Zur Ausbildung und Aufrechterhaltung der Schichtung des Speichermediums werden verschiedene Ausführungen des Schichtladespeichers und/oder die Verwendung von geeigneten Leitblechen, Trennscheiben bzw. Lochscheiben, mit äußerem Ringspalt, Strömungsleitvorrichtungen und anderen Einbauten im Speicherbehälter verwendet. Sofern die Warmwasserladezone nicht durch eine Lochscheibe von der Pufferspeicherzone getrennt ist, kann der Fachmann auch anhand anderer Merkmale die beiden Zonen des Mehrzonen-Schichtladespeichers identifizieren, beispielsweise anhand der Dichte und Steigung der Wendelungen oder der Temperaturverteilung im Speichermedium.To generate heat and hot water, the storage tank is filled with heating water, although any other heat-carrying storage medium is also suitable. The storage medium in the storage tank is heated by means of the heat source or by a heating surface arranged inside the storage tank, which is connected to a heat source, for example a heat pump, in such a way that the storage tank always contains a stratified charge with several layers of the storage medium at different temperatures. The temperature stratification is set and maintained in such a way that the stratified charge has at least one buffer storage zone and at least one hot water charging zone above it. To create and maintain the stratification of the storage medium, various designs of the stratified storage tank and/or the use of suitable baffles, separating discs or perforated discs, with an outer annular gap, flow guide devices and other fittings in the storage tank are used. If the hot water charging zone is not separated by a perforated disc of the buffer storage zone, the expert can also identify the two zones of the multi-zone stratified storage system using other features, for example the density and gradient of the coils or the temperature distribution in the storage medium.

Regelmäßig ist zur Gewinnung von Warmwasser ein Gegenstrom-Brauchwassererhitzer im Mehrzonenschichtladespeicher integriert. Dazu ist an der Kaltseite des Speicherbehälters der Zufluss der Brauchwasserleitung für Kaltwasser und an der Warmseite der Abfluss für Warmwasser angeordnet. Der Gegenstrom-Brauchwassererhitzer umfasst die Brauchwasserleitung und eine die Brauchwasserleitung umhüllende und einen Strömungsspalt bildenden Strömungsleitung. Die Wärmetauscherfläche ist hinsichtlich des Materials und gegebenenfalls auch hinsichtlich der Gestaltung der Oberfläche der Leitung auf eine gute Wärmeübertragung auf das in der Leitung strömende Brauchwasser ausgebildet.A counterflow domestic water heater is usually integrated into the multi-zone stratified storage tank to generate hot water. For this purpose, the inlet of the domestic water line for cold water is located on the cold side of the storage tank, and the outlet for hot water is located on the warm side. The counterflow domestic water heater comprises the domestic water line and a flow line that surrounds the domestic water line and forms a flow gap. The heat exchanger surface is designed, in terms of material and, if necessary, also the design of the line's surface, to ensure effective heat transfer to the domestic water flowing in the line.

Der Gegenstrom-Brauchwassererhitzer umfasst weiter eine Brauchwasserladepumpe zur Beladung des Strömungsspaltes mit dem Speichermedium, in welchem der Gegenstrom-Brauchwassererhitzer angeordnet ist. Von den beiden im Gegenstrom verwendeten Leitungen verläuft der Strom des Brauchwassers von unten nach oben und der Strom des Speichermediums im Strömungsspalt von oben nach unten. Zur Erzeugung des Stroms im Strömungsspalt wird das Speichermedium aus dem oberen Bereich der Warmwasserladezone mittels der Brauchwasserladepumpe in den dort befindlichen Eingang des Strömungsspalts gepumpt. Der Eingang befindet sich regelmäßig eine oder zwei Wendelungen unterhalb des Ausgangs der Brauchwasserleitung aus dem Speicherbehälter, so dass diese Wendelungen direkt mit dem Speichermedium im Speicherbehälter in thermischem Kontakt stehen. Der Gegenstrom-Brauchwassererhitzer umfasst weiter Messfühler und eine Zirkulationsleitung, wobei die Zirkulationsleitung am Rücklaufanschluss in die Brauchwasserleitung einmündet. Die Menge des im Kreislauf befindlichen, strömenden Wassers hängt unmittelbar vom Wärmeeintrag durch das Speichermedium ab, wobei die Temperaturschichtung im Speichermedium weitestgehend erhalten bleiben soll.The counterflow domestic water heater further comprises a domestic water charging pump for charging the flow gap with the storage medium in which the counterflow domestic water heater is located. Of the two lines used in the counterflow, the domestic water flow runs from bottom to top, and the storage medium flow in the flow gap from top to bottom. To generate the flow in the flow gap, the storage medium is pumped from the upper area of the hot water charging zone into the inlet of the flow gap by means of the domestic water charging pump. The inlet is usually located one or two coils below the outlet of the domestic water line from the storage tank, so that these coils are in direct thermal contact with the storage medium in the storage tank. The counterflow domestic water heater further comprises measuring sensors and a circulation line, with the circulation line flowing into the domestic water line at the return connection. The amount of flowing water in the circuit depends directly on the heat input by the Storage medium, whereby the temperature stratification in the storage medium should be maintained as far as possible.

Der Einsatz eines solchen Durchlauferhitzers verbessert die Auskühlung des Speichermedium bis in die Nähe der Kaltwassertemperatur und damit den Entladewirkungsgrad des Multifunktionsspeichers. Auch dessen grundlegender Aufbau innerhalb des Mehrzonenschichtladespeichers ist dem Fachmann hinreichend bekannt.The use of such an instantaneous water heater improves the cooling of the storage medium to near cold water temperature, thus improving the discharge efficiency of the multifunctional storage tank. Its basic structure within the multi-zone stratified storage tank is also well known to those skilled in the art.

Ein Multifunktionsspeichersystem umfasst auch eine Steuereinheit, welche geeignet und ausgebildet ist zum Betreiben des Systems. Eine solche Steuereinheit kommuniziert mit Temperatursensoren, welche die Temperaturen des Speichermediums in verschiedenen Positionen im Speicherbehälter messen, wie die Temperaturschichtung, insbesondere im oberen Bereich des Speicherbehälters, sowie die Temperatur des Brauchwassers, insbesondere an dessen Zapfstelle. Sie ist darüber hinaus konzipiert, die Pumpen des Multifunktionsspeichersystems anzusteuern, insbesondere die Brauchwasserladepumpe sowie optional zusätzliche Pumpen.A multifunctional storage system also includes a control unit that is suitable and configured to operate the system. Such a control unit communicates with temperature sensors that measure the temperatures of the storage medium at various positions in the storage tank, such as the temperature stratification, particularly in the upper area of the storage tank, as well as the temperature of the domestic water, particularly at its tap. It is also designed to control the pumps of the multifunctional storage system, particularly the domestic water charging pump and optionally additional pumps.

Ein Mehrzonenschichtladespeicher mit Pufferspeicher und integrierter Warmwasserbereitung ist aus dem DE 10 2010 028 198 A1 bekannt. Ein derartiges Heizsystem weist eine Wärmepumpe als Wärmequelle zum Erwärmen des Speichermediums im Speicherbehälter auf. Das Speichermedium weist eine Temperaturschichtung auf, die während des Betriebs des Mehrzonenschichtladespeichers möglichst wenig gestört werden soll. Auch andere Wärmequellen für Pufferheizsysteme sind bekannt. Das in einem derartigen Mehrzonenschichtladespeicher ausgebildete Warmwasserbereitungssystem arbeitet im Durchfluss-Gegenstrom-Prinzip und umfasst eine rohrförmige, meist gewendelte Brauchwasserleitung, welche als Wärmetauscherfläche ausgebildet ist und aus einem korrosionsbeständigen Material besteht. Die Brauchwasserleitung ist von einem biegsamen, temperatur- und druckbeständigen Strömungsleitung derart umgeben, dass ein ringförmiger Strömungsspalt entsteht. Der Strömungspalt mündet zumindest oben offen, in dieser Ausführung beidseitig offen im Pufferspeicher, mit einem Abstand zur oberen und zur unteren Wandung des Speicherbehälters, so dass das Speichermedium unter Verwendung einer von oben drückenden oder alternativ unten saugenden Ladepumpe den Strömungsspalt durchfließen und in thermischen Kontakt mit der Brauchwasserleitung gelangen kann. Mündet das untere Ende des Strömungsspaltes in alternativen Ausführungen nicht im Pufferspeicher, dann ist es beispielsweise mittels einer Rohrschleife mit dem unteren Bereich des Speichervolumen fluidisch verbunden ( DE 298 16 006 U1 , DE 10 2009 026 420 A1 ).A multi-zone stratified storage tank with buffer storage and integrated hot water preparation is available from the DE 10 2010 028 198 A1 Such a heating system has a heat pump as a heat source for heating the storage medium in the storage tank. The storage medium has a temperature stratification, which should be disturbed as little as possible during operation of the multi-zone stratified storage tank. Other heat sources for buffer heating systems are also known. The hot water preparation system implemented in such a multi-zone stratified storage tank operates on the flow-countercurrent principle and comprises a tubular, usually coiled domestic water pipe, which is designed as a heat exchanger surface and is made of a corrosion-resistant material. The domestic water pipe is surrounded by a flexible, temperature- and pressure-resistant flow line in such a way that an annular A flow gap is created. The flow gap opens at least at the top, in this design open on both sides into the buffer tank, with a distance to the top and bottom walls of the storage tank so that the storage medium can flow through the flow gap using a charging pump that pushes from above or alternatively sucks from below and comes into thermal contact with the domestic water pipe. If the lower end of the flow gap does not open into the buffer tank in alternative designs, then it is fluidly connected to the lower area of the storage volume, for example by means of a pipe loop ( DE 298 16 006 U1 , DE 10 2009 026 420 A1 ).

Im Mehrzonenschichtladespeicher der DE 10 2009 026 420 A1 ist das Speichervolumen ebenfalls in die untere, temperaturgeschichtete Pufferspeicherzone und die darüber liegende Warnwasserladezone unterteilt. Als Wärmequelle wird hier eine Wärmepumpe verwendet, dessen Kältemittel durch eine gewendelte Leitung durch den Speicherbehälter geführt wird und das darin vorhandene Speichermedium je nach gewünschter Temperaturschichtung erwärmt. Die Ladepumpe erzeugt die Strömung des Mediums im Strömungsspalt entgegen der Strömungsrichtung des Brauchwassers, indem warmes Wasser aus dem oberen, heißen Bereich der Warmwasserladungszone in den oberen Bereich des Strömungsspalts eingespeist wird.In the multi-zone stratified storage system of the DE 10 2009 026 420 A1 The storage volume is also divided into the lower, temperature-stratified buffer storage zone and the warm water charging zone above it. A heat pump is used as the heat source here. The refrigerant is fed through the storage tank via a coiled pipe and heats the storage medium within it according to the desired temperature stratification. The charging pump generates the flow of the medium in the flow gap opposite to the flow of the domestic water by feeding warm water from the upper, hot area of the hot water charging zone into the upper area of the flow gap.

Die Wärmetauscherfläche des Gegenstrom-Brauchwassererhitzers ist für eine optimale Wärmeübertragung zwischen dem im Strömungspalt fließenden Speichermedium und dem in der Brauchwasserleitung fließenden Brauchwasser ausgebildet, beispielsweise durch die Wahl des Materials der der Wärmetauscherfläche, die Wendelung der Leitungen und durch geeignete, die Oberfläche vergrößernde Strukturierung und/oder andere bekannte Ausführungen der Wärmetauscherfläche.The heat exchanger surface of the counterflow domestic water heater is designed for optimal heat transfer between the storage medium flowing in the flow gap and the domestic water flowing in the domestic water pipe, for example by the choice of the material of the heat exchanger surface, the coiling of the pipes and by suitable structuring that increases the surface area and/or other known designs of the heat exchanger surface.

Derartige Multifunktionsspeichersysteme sind zunehmend bivalent ausgeführt. Der Begriff bivalent wird in der Energieerzeugung so verstanden, dass zwei verschiedene Wärmeenergieerzeuger miteinander kombiniert werden zur Erwärmung des Heiz- und/oder Brauchwassers.Such multifunctional storage systems are increasingly bivalent. The term bivalent is understood in energy generation to mean that two different heat energy generators are combined to heat the heating and/or domestic water.

Die bekannten bivalenten Lösungen sind immer dann, wenn die Wärmezufuhr von der Wärmequelle über Fernheizung, Wärmepumpen oder thermische Solarkollektoren erfolgt, durch relativ hohe Herstellungskosten bei immer noch relativ geringem Wirkungsgrad gekennzeichnet. Der geringe Wirkungsgrad ergibt sich als Folge der aus hygienischen Gründen erforderlichen Betriebstemperaturen für die Trinkwassererwärmung von über 60°C. Zudem führt jede Brauchwasserentnahme dazu, dass die Heizungsanlage häufig Wärme bereitstellen muss, um die Flüssigkeit im Speicher auf die für die Brauchwassererwärmung und ggf. Heizung erforderliche Temperatur zu bringen.The known bivalent solutions, whenever the heat is supplied from the heat source via district heating, heat pumps, or solar thermal collectors, are characterized by relatively high production costs and still relatively low efficiency. This low efficiency results from the operating temperatures of over 60°C required for domestic water heating for hygiene reasons. Furthermore, each domestic water withdrawal means that the heating system must frequently provide heat to bring the fluid in the storage tank to the temperature required for domestic water heating and, if necessary, heating.

Um die relativ hohe Taktung der Heizungsanlage zu reduzieren, werden zunehmend Einschraubheizkörper in den Speicher integriert, welche durch eine Photovoltaik- (PV-) Anlage gespeist werden können und als zusätzliche Wärmequelle zur Erwärmung des Speichermediums dienen. Beispielsweise in der EP 3812678 A1 wird ein solcher Elektroheizkörper, allgemein auch als Elektropatrone oder E-Patrone bezeichnet, beschrieben, welche in das zylinderförmige, die gewendelte Brauchwasserleitung umgebende Strömungsleitung hineinragt, zur Erwärmung des Mediums im Strömungsleitung.In order to reduce the relatively high cycle times of the heating system, screw-in heaters are increasingly being integrated into the storage tank. These can be fed by a photovoltaic (PV) system and serve as an additional heat source for heating the storage medium. For example, in the EP 3812678 A1 Such an electric heater, also commonly referred to as an electric cartridge or E-cartridge, is described, which protrudes into the cylindrical flow line surrounding the coiled domestic water pipe in order to heat the medium in the flow line.

E-Patronen sind allgemein als stromdurchflossene Heizwendel bekannt, deren grundlegender Form im Wesentlichen stabförmig sind, aber auch andere für den Zweck der Erfindung auch andere geeignete Formen aufweisen kann. Die Heizwendel kann eine wärmeleitende Umhüllung aufweisen. Dem Fachmann für das Fachgebiet der Heiztechnik sind sehr verschiedene Ausführungen bekannt.E-cartridges are generally known as current-carrying heating coils, whose basic shape is essentially rod-shaped, but other shapes suitable for the purpose of the invention may also be used. The heating coil may have a heat-conducting sheath. A wide variety of designs are known to those skilled in the field of heating technology.

Um die notwendige Energie zur Erwärmung des Speichermediums aufzubringen, werden mitunter auch zahlreiche E-Patronen integriert, die entsprechend des jeweiligen Wärmeenergiebedarfs mit unterschiedlichen Leistungen betrieben werden und in den ihrer Leistung entsprechenden Schicht des Pufferspeichers integriert sind. Zwar gestattet eine solche Lösung, insbesondere in der warmen und lichtintensiveren Jahreszeit, die Reduzierung der durch die Heizanlage aufzubringenden Energie und ersetzt diese durch Solarenergie. Jedoch wirkt sich in dieser Lösung der technische Aufwand durch die Heizpatronen und deren Steuerung sowie die damit verbundene Beeinflussung der Schichtung im Speicher negativ auf den Wirkungsgrad aus.In order to generate the energy required to heat the storage medium, numerous electric cartridges are sometimes integrated, which operate at different power levels depending on the respective heat energy demand and are integrated into the buffer storage layer corresponding to their power. Although such a solution allows, especially in warm During the warmer and lightier seasons, the energy required by the heating system is reduced and replaced with solar energy. However, this solution has a negative impact on efficiency due to the technical complexity of the heating cartridges and their control system, as well as the associated impact on the stratification in the storage tank.

Daraus ergibt sich als Aufgabe der Erfindung, ein vorteilhaftes Konzept anzugeben, welches geeignet ist, die Herstellungs- und Betriebskosten von Multifunktionsspeichersystemen für Wärmepumpen, Fernheizung und andere Wärmequellen mit Warmwasserbereitung zu senken und den Wirkungsgrad zu verbessern.The object of the invention is therefore to provide an advantageous concept which is suitable for reducing the manufacturing and operating costs of multifunctional storage systems for heat pumps, district heating and other heat sources with hot water preparation and for improving the efficiency.

Darüber hinaus ist es wünschenswert, die Auslastung der Solarenergie einer Photovoltaik- (PV-) Anlage des Betreibers des Multifunktionsspeichers zu erhöhen und den PV-Überschuss so weit als möglich durch deren Betreiber selbst zu verwenden.In addition, it is desirable to increase the utilization of solar energy from a photovoltaic (PV) system owned by the operator of the multifunctional storage system and to use the PV surplus as far as possible by the operator himself.

Die Aufgabenstellung wird mit einem bivalenten Multifunktionsspeichersystem gemäß Hauptanspruch und einem Verfahren zum Betrieb eines solchen Multifunktionsspeichersystems gemäß Anspruch 8 gelöst: Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den darauf bezogenen abhängigen Ansprüchen formuliert.The object is achieved with a bivalent multifunctional storage system according to the main claim and a method for operating such a multifunctional storage system according to claim 8: Preferred embodiments of the invention are formulated in the dependent claims related thereto.

Bezogen auf die Erfindung umfasst der Begriff des bivalenten Multifunktionsspeichersystems einen primäreren Heizwärmeerzeuger, welcher zumindest die Grundlast und für den Fall, dass die sekundäre Energiequelle temporär keine Energie liefern kann, die gesamte Energie einbringt, und zumindest eine E-Patrone, welcher mittels einer Photovoltaikanlage betrieben wird. Als primärer Heizwärmeerzeuger kann bspw. eine Verbrennungsheizung, Fernwärme oder einer anderer Heizwärmeerzeuger dienen.In relation to the invention, the term "bivalent multifunctional storage system" encompasses a primary heat generator, which supplies at least the base load and, in the event that the secondary energy source is temporarily unable to supply energy, the entire energy supply, and at least one electric cartridge, which is operated by a photovoltaic system. The primary heat generator can be, for example, a combustion heating system, district heating, or another heat generator.

Die Aufgabe ist durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst, wobei darauf abgestellt ist, dass das Multifunktionsspeichersystem folgende Komponenten umfasst:

  • einen Mehrzonen-Schichtladespeicher mit einen Speicherbehälter zur Aufnahme des Speichermediums,
  • wobei der Mehrzonen-Schichtladespeicher Vorrichtungen umfasst zur Ausbildung einer durch unterschiedliche Temperaturen des Speichermediums erzeugten Schichtladung derart, dass über einer Pufferspeicherzone eine darüber liegende Warmwasserladungszone ausgebildet ist, derart dass die Temperatur des Speichermediums mit zunehmender Höhe im Speicherbehälter zunimmt;
  • einen Gegenstrom-Brauchwassererhitzer, welcher zumindest abschnittsweise durch die Warmwasserladungszone verläuft,
  • wobei der Gegenstrom-Brauchwassererhitzer eine als Wärmetauscherfläche ausgebildete Brauchwasserleitung aufweist, deren Brauchwasserausgang oberhalb deren Brauchwassereingangs liegt,
  • sowie eine die Brauchwasserleitung konzentrisch umhüllende Strömungsleitung derart, dass zwischen beiden Leitungen ein Strömungsspalt ausgebildet ist,
  • wobei der obere Eingang und der darunter liegende untere Ausgang des Strömungsspalts offen im Speichermedium münden;
  • wobei der Eingang des Strömungsspaltes eine Abstand A zum obersten inneren Abschluss der Behälterwandung aufweist;
  • eine Brauchwasserladepumpe, ausgebildet zur Beladung des Strömungsspaltes mit Speichermedium, deren Saugseite mit dem über dem Eingang des Strömungsspaltes liegenden, oberen Bereich des Volumens des Speicherbehälters und deren Druckseite mit dem Eingang des Strömungsspalts fluidisch verbunden ist,
  • eine Steuereinheit, ausgebildet und konfiguriert zum Betreiben des Multifunktionsspeichersystems,
  • zumindest eine Elektropatrone, hier verkürzt auch als E-Patrone bezeichnet, deren Heizfläche zur Erwärmung des Speichermediums in einem Heizbereich innerhalb der Warmwasserladezone angeordnet ist, mit einem Abstand E, gemessen vom obersten inneren Abschluss der Behälterwandung des Speicherbehälters bis zur Unterkante der Heizfläche der E-Patrone,
  • wobei sich der Heizbereich maximal bis zur achten Wendelung der Brauchwasserleitung erstreckt.
The object is achieved by the subject matter of claim 1, wherein the multifunctional storage system comprises the following components includes:
  • a multi-zone stratified storage tank with a storage container for the storage medium,
  • wherein the multi-zone stratified charging storage tank comprises devices for forming a stratified charge generated by different temperatures of the storage medium such that a hot water charging zone is formed above a buffer storage zone such that the temperature of the storage medium increases with increasing height in the storage tank;
  • a countercurrent domestic water heater, which runs at least partially through the hot water charging zone,
  • wherein the countercurrent domestic water heater has a domestic water pipe designed as a heat exchanger surface, the domestic water outlet of which is located above its domestic water inlet,
  • and a flow line concentrically surrounding the domestic water line in such a way that a flow gap is formed between the two lines,
  • wherein the upper inlet and the lower outlet of the flow gap open into the storage medium;
  • wherein the inlet of the flow gap has a distance A from the uppermost inner end of the container wall;
  • a domestic water charging pump, designed to charge the flow gap with storage medium, the suction side of which is fluidically connected to the upper area of the storage tank volume located above the inlet of the flow gap and the pressure side of which is fluidically connected to the inlet of the flow gap,
  • a control unit designed and configured to operate the multifunctional storage system,
  • at least one electric cartridge, here also referred to as E-cartridge, whose heating surface for heating the storage medium is arranged in a heating area within the hot water charging zone, with a distance E, measured from the uppermost inner end of the Tank wall of the storage tank up to the lower edge of the heating surface of the electric cartridge,
  • The heating area extends up to a maximum of the eighth coil of the domestic water pipe.

Als Multifunktionsspeicher gemäß der Erfindung können verschiedene der bekannten Speichertypen verwendet werden. Aus der DE 10 2010 028 198 A1 ist wie oben zum Stand der Technik beschrieben ein Pufferspeicher bekannt. In der DE 10 2009 026 420 A1 sind die Pufferspeicherzone und die Warmwasserladungszone durch eine perforierte Trennscheibe mit Ringspalt voneinander entkoppelt. Auf beide Anmeldungen wird hier vollumfänglich Bezug genommen.As multifunctional memory according to the invention, various known memory types can be used. DE 10 2010 028 198 A1 As described above in the prior art, a buffer storage is known. DE 10 2009 026 420 A1 The buffer storage zone and the hot water charging zone are decoupled from each other by a perforated separating disc with an annular gap. Reference is made to both applications in their entirety here.

Zur erfindungsgemäßen Brauchwassererwärmung ist die zumindest eine E-Patrone im oberen, heißen Heizbereich der Warmwasserladezone integriert, ohne in den Strömungsspalt zu ragen, in welchem das Brauchwasser mittels des von oben nach unten hindurchströmenden Speichermediums erwärmt wird.For domestic water heating according to the invention, the at least one electric cartridge is integrated in the upper, hot heating area of the hot water charging zone without protruding into the flow gap in which the domestic water is heated by means of the storage medium flowing through from top to bottom.

Erfindungsgemäß ist der Heizbereich, in welchem die E-Patrone das Speichermedium über die übliche Temperaturschichtung hinaus erwärmt, im oberen Bereich des Speicherbehälters angeordnet. Das dort zusätzlich erwärmte Speichermedium wird in den Eingang des Strömungsspaltes gepumpt, wo das Brauchwasser bereits deutlich erwärmt ist und erhält sowohl im Strömungsspalt als auch oberhalb davon einen zusätzlichen Temperaturschub. Damit gelingt es, die für das Multifunktionsspeichersystem notwendige Primärenergie zu reduzieren, insbesondere die Taktung der Heizanlage für die Brauchwassererwärmung. Trotz der zusätzlichen Erwärmung des Speichermediums im Heizbereich wird die darunter liegende Temperaturschichtung nicht oder nur geringfügig beeinflusst, da das beheizte Speichermedium unmittelbar in den Strömungsspalt gepumpt und somit die zusätzliche Energie der E-Patrone hauptsächlich zur Brauchwassererwärmung verwendet wird.According to the invention, the heating zone, in which the electric cartridge heats the storage medium beyond the usual temperature stratification, is located in the upper region of the storage tank. The additionally heated storage medium is pumped into the inlet of the flow gap, where the domestic water is already significantly warmed, and receives an additional temperature boost both in the flow gap and above it. This makes it possible to reduce the primary energy required for the multifunctional storage system, in particular the timing of the heating system for domestic water heating. Despite the additional heating of the storage medium in the heating zone, the temperature stratification below is not or only slightly affected, since the heated storage medium is pumped directly into the flow gap, and thus the additional energy from the electric cartridge is used primarily for domestic water heating.

Erfindungsgemäß sind solche E-Patronen verwendbar, welche entsprechend der nachfolgenden Beschreibung in der Warmwasserladezone platziert und mit der vorgeschlagenen Leistung betrieben werden können. Deren Leistung kann fest eingestellt, stufenweise einstellbar oder modulierbar (stufenlos einstellbar) sein, wobei eine automatische Temperaturbegrenzung dem Schutz der E-Patrone dient. Die Heizfläche der zumindest einen E-Patrone erstreckt sich durch eine dafür ausgebildete Öffnung in der Wandung des Speicherbehälters in das Speichermedium.According to the invention, such electric cartridges can be used that can be placed in the hot water charging zone according to the following description and operated at the proposed output. Their output can be fixed, stepwise adjustable, or modulated (continuously adjustable), with an automatic temperature limiter serving to protect the electric cartridge. The heating surface of the at least one electric cartridge extends through a specially designed opening in the wall of the storage tank into the storage medium.

Der Abstand der E-Patrone zur oberen Wandung des Speicherbehälters wird nachfolgend mit E bezeichnet, gemessen vom inneren höchsten Punkt der Behälterwandung bis zum niedrigsten Punkt der Heizfläche der E-Patrone. Der Abstand des oberen Eingangs des Strömungsspaltes von besagtem höchsten Punkt der Wandung des Speicherbehälters wird mit A bezeichnet, wobei A bis zum niedrigsten Punkt der Öffnung der Wandung der Strömungsleitung an deren Eingang gemessen wird.The distance between the E-cartridge and the upper wall of the storage tank is referred to as E, measured from the inner highest point of the tank wall to the lowest point of the E-cartridge's heating surface. The distance from the upper inlet of the flow gap to said highest point of the storage tank wall is referred to as A, where A is measured to the lowest point of the opening in the flow line wall at its inlet.

Erfindungsgemäß erstreckt sich der Heizbereich maximal bis zur achten Wendelung der Brauchwasserleitung, optional bis zur siebten, sechsten, fünften, vierten, dritten oder zweiten Wendelung. Die Zählung der Wendelungen der Brauchwasserleitung erfolgt hier stets vom oberen Abschluss des Speicherbehälters nach unten verlaufend. Der oberste innere Abschluss der Behälterwandung dient auch als Bezug zur Messung der Abstände A für den Eingang des Strömungsspaltes und E für die Unterkante der im Speichermedium befindlichen Heizfläche der E-Patrone.According to the invention, the heating area extends up to the eighth coil of the domestic water pipe, optionally up to the seventh, sixth, fifth, fourth, third, or second coil. The coils of the domestic water pipe are always counted from the top of the storage tank downwards. The uppermost inner end of the tank wall also serves as a reference for measuring the distances A for the inlet of the flow gap and E for the lower edge of the heating surface of the electric cartridge located in the storage medium.

Der Bezug auf die Unterkante der Heizfläche der E-Patrone dient lediglich der eindeutigen Definition des Heizbereichs zum Zweck der Beschreibung der Erfindung und ist nicht geeignet, den thermisch Bereich zu erfassen, welcher durch die eine oder mehreren E-Patrone(n) in der Warmwasserladezone tatsächlich beeinflusst wird. Sofern der definitionsgemäße untere Abschluss des heißen Bereichs für den jeweils beschriebenen Aspekt von geringer oder ohne Bedeutung ist, wird dieser betreffende Bereich nachfolgend auch als "heißer Bereich" beschrieben.The reference to the lower edge of the heating surface of the electric cartridge serves only to clearly define the heating area for the purpose of describing the invention and is not suitable for capturing the thermal area that is actually influenced by the one or more electric cartridges in the hot water charging zone. If the defined lower end of the hot area is of little or no importance for the aspect being described, this area in question is also referred to below as the "hot area".

Die Anordnung "zwischen den Wendelungen" bedeutet, dass die betrachtete E-Patrone zwischen zwei benachbarten Wendelungen innerhalb dieses Bereichs horizontal eingeführt, wobei Abweichungen von der horizontalen Lage je nach Abstand zwischen den Wendelungen möglich sind. Die zumindest eine E-Patrone wird beispielsweise zwischen der zweiten und dritten, der dritten und vierten oder der vierten und fünften Wendelung usw. eingeführt. Werden mehrere E-Patrone zur erfindunsgemäßen Brauchwassererwärmung verwendet, können diese zwischen denselben Wendelungen über den Umfang verteilt liegen oder zwischen verschiedenen Wendelungen im benannten Bereich, optional ebenfalls umfänglich verteilt.The arrangement "between the coils" means that the respective electric cartridge is inserted horizontally between two adjacent coils within this area, although deviations from the horizontal position are possible depending on the distance between the coils. For example, the at least one electric cartridge is inserted between the second and third, the third and fourth, or the fourth and fifth coils, etc. If multiple electric cartridges are used for domestic water heating according to the invention, they can be distributed around the circumference between the same coils or between different coils within the specified area, optionally also distributed around the circumference.

Es hat sich herausgestellt, dass mit der Anordnung der E-Patrone im genannten Heizbereich des Speicherbehälters bis zur, von oben gezählt, maximal achten Wendelung der Brauchwasserleitung und dabei innerhalb der Warmwasserladezone die Erwärmung des Brauchwassers auf die erforderliche Temperatur effektiv und mit geringsten Auswirkungen auf die Temperaturschichtung des Speichermediums möglich ist. Ist die Warmwasserladezone verkürzt, ist die E-Patrone augenscheinlich höher als bis zur achten Wendelung zu positionieren.It has been shown that by positioning the electric cartridge in the heating section of the storage tank up to the eighth coil of the domestic water line (counting from the top), and within the hot water charging zone, the domestic water can be heated to the required temperature effectively and with minimal impact on the temperature stratification of the storage medium. If the hot water charging zone is shortened, the electric cartridge should obviously be positioned higher than the eighth coil.

Entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit ausgebildet und konfiguriert zum Betreiben des Multifunktionsspeichersystems, insbesondere der zumindest einen E-Patrone, unter Verwendung der Energie einer externen, d. h. nicht zur Erfindung gehörigen Photovoltaik-Anlage (PV-Anlage), bevorzugt deren PV-Überschusses. Als PV-Überschuss wird jener Anteil der Solarenergie einer PV-Anlage bezeichnet, welche erzeugt wird, vom Betreiber der PV-Anlage jedoch nicht selbst verwendet werden kann und deshalb in das Netz eingespeist wird.,According to one embodiment of the invention, the control unit is designed and configured to operate the multifunctional storage system, in particular the at least one e-cartridge, using the energy of an external photovoltaic system (PV system), i.e., a system not belonging to the invention, preferably its PV surplus. PV surplus refers to that portion of the solar energy generated by a PV system that cannot be used by the operator of the PV system itself and is therefore fed into the grid.

Die E-Patrone ist zu diesem Zweck mit der PV-Anlage zumindest kommunizierend verbunden und für einen Leistungsbereich beispielsweise bis zu einem fünfstelligen Wattbetrag konfiguriert. Dieser Leistungsbereich ist mit den gegenwärtigen PV-Anlagen geeignet, die Solarenergie und insbesondere den PV-Überschuss für die Brauchwassererwärmung zu verwenden. In Abhängigkeit von der Größe des Speichers, des Umfangs der regelmäßigen Brauchwasserentnahme und der Leistung der PV-Anlage können auch andere regelbare Leistungsbereiche erforderlich sein. Auch infolge der zukünftigen Entwicklung der PV-Anlagen und der E-Patronen können auch andere regelbare Leistungsbereiche verwendbar werden. Die Leistung der E-Patrone kann gleichbleibend, modulierbar oder in Stufen über den verwendbaren Leistungsbereich regelbar sein, so dass die durch den PV-Überschuss zur Verfügung stehende Leistung optimal zur Deckung der für die Brauchwassererwärmung benötigte Leistung nutzbar ist. Eine stufenlose Regelung von 0 bis 100% des zur Verfügung stehenden Leistungsbereichs ist beispielsweise mittels Pulsweitenmodulation möglich.For this purpose, the electric cartridge is at least communicatively connected to the PV system and configured for a power range, for example, up to a five-digit wattage. This power range is suitable for current PV systems to use solar energy, and in particular PV surplus, for domestic water heating. Depending on the size of the storage tank, the extent of regular domestic water withdrawal, and the output of the PV system, other controllable power ranges may also be required. Future developments in PV systems and electric cartridges will also make other controllable power ranges possible. The power of the electric cartridge can be constant, modulated, or adjustable in steps across the usable power range, so that the power available from the PV surplus can be optimally used to cover the power required for domestic water heating. Continuous control from 0 to 100% of the available power range is possible, for example, using pulse width modulation.

Gleiches gilt auch für die Verwendung mehrerer E-Patronen, wobei diese gleiche oder voneinander abweichende Leistungen oder Leistungsbereiche aufweisen können, je nach der von der PV-Anlage anfallenden oder aufgrund des Brauchwasserverbrauchs erforderlichen Leistung. Es können kaskadierende, d. h. in Reihe geschaltete E-Patronen verwendet werden, welche nacheinander hinzugeschaltet werden können. Auch stufenweise aufeinander abgestimmte E-Patronen, die je nach der aktuellen Situation verwendet werden, sind möglich. Die Leistungen und/oder Leistungsbereiche können dabei derart aufeinanderfolgend abgestimmt sein, dass der jeweils anfallendem PV-Überschuss optimal zur Brauchwassererwärmung genutzt werden kann.The same applies to the use of multiple electric cartridges, whereby these can have the same or different outputs or output ranges, depending on the output generated by the PV system or required due to domestic water consumption. Cascading electric cartridges, i.e., connected in series, can be used and connected one after the other. Stepwise coordinated electric cartridges, used depending on the current situation, are also possible. The outputs and/or output ranges can be coordinated in such a way that the resulting PV surplus can be optimally used for domestic water heating.

Beispielsweise umfasst die Steuereinheit einen Energiezähler oder ist mit einem solchen kommunizierend verbunden. Ein Energiezähler dient dazu und ist dafür ausgeführt und konfiguriert, den von der PV-Anlage verfügbaren Energieüberschuss anhand des Vergleichs mit der voreingestellten Einspeiseenergie festzustellen. Der Energiezähler kann auch ausgebildet sein, die kommunizierende Verbindung der E-Patrone mit der externen PV-Anlage zu realisieren. Er steuert oder regelt die zumindest eine oder die mehreren E-Patronen in Abhängigkeit von der erforderlichen Leistung zur Erzielung der benötigten Brauchwassertemperatur und/oder in Abhängigkeit vom zur Verfügung stehenden PV-Überschuss. Ein Energiezähler ist bekannt als Vorrichtung zur Stromverbrauchsmessung und ist für die Regelung der E-Patrone mit dieser über eine Kabel- oder Funkverbindung kommunizierend verbunden, so dass die Leistung der E-Patrone an den zur Verfügung stehenden und gemessenen PV-Überschuss anpassbar ist. Der Energiezähler kann darüber hinaus konfiguriert sein, Messwerte der E-Patrone, wie Temperatur an der Heizwendel, die eingestellte Sicherheitstemperaturbegrenzung sowie die Temperaturen an weiteren Messpunkten im Speichermedium zu erhalten und anhand vordefinierter Parameter auszuwerten.For example, the control unit includes an energy meter or is communicatively connected to one. An energy meter serves and is designed and configured to measure the energy available from the PV system. Determine energy surplus based on comparison with the preset feed-in energy. The energy meter can also be designed to implement the communicating connection between the electric cartridge and the external PV system. It controls or regulates the at least one or more electric cartridges depending on the required output to achieve the required domestic hot water temperature and/or depending on the available PV surplus. An energy meter is known as a device for measuring electricity consumption and is communicatively connected to the electric cartridge via a cable or radio connection to control it, so that the output of the electric cartridge can be adjusted to the available and measured PV surplus. The energy meter can also be configured to receive measured values from the electric cartridge, such as the temperature at the heating coil, the set safety temperature limit and the temperatures at other measuring points in the storage medium, and to evaluate them based on predefined parameters.

Die Anordnung der zumindest einen E-Patrone oder mehrerer davon im Heizbereich hängt von verschiedenen Parametern des Speicherbehälters und der Gegenstrom-Brauchwassererhitzers ab, wie beispielsweise dem Volumen und dem Durchmesser des Speicherbehälters, der Breite des Strömungsspaltes, der Steigung der Wendelung, der Temperaturschichtung des Speichermediums und anderen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die E-Patrone unterhalb des offenen Ausgangs des Strömungsspalts anzuordnen. Diese Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand E, die Lage der E-Patrone definierend, größer ist als der Abstand A, die Lage des oberen Eingangs des Strömungsspaltes definierend. In dieser Ausführungsform sind die direkt benachbart zu der E-Patrone verlaufenden Wendelungen von der Strömungsleitung umhüllt. Als unmittelbar benachbart zur E-Patrone angeordnet wird solch eine Wendelung angesehen, welche in der Seitenansicht unmittelbar neben der E-Patrone liegt. Als Wendelung wird allgemein ein Abschnitt einer gewendelten Leitung angesehen, welcher in der Draufsicht einen Vollkreis bildet.The arrangement of at least one or more electric cartridges in the heating area depends on various parameters of the storage tank and the counterflow domestic water heater, such as the volume and diameter of the storage tank, the width of the flow gap, the pitch of the coil, the temperature stratification of the storage medium, and others. It has proven advantageous to arrange the electric cartridge below the open outlet of the flow gap. This variant is characterized in that the distance E, defining the position of the electric cartridge, is greater than the distance A, defining the position of the upper inlet of the flow gap. In this embodiment, the coils running directly adjacent to the electric cartridge are enclosed by the flow line. A coil is considered to be arranged directly adjacent to the electric cartridge if it is located directly next to the electric cartridge in a side view. A coil is generally considered to be a section of a coiled line that forms a full circle in a plan view.

Es hat sich herausgestellt, dass mittels der Anordnung der E-Patrone unterhalb des Eingangs des Strömungsspaltes ein störungsfreier Ablauf der erfindungsgemäßen Brauchwassererwärmung gesichert werden kann. Die E-Patrone kann mehr Wärmeenergie an das umgebende Speichermedium abgeben und droht nicht zu überhitzen.It has been found that by locating the electric cartridge below the inlet of the flow gap, trouble-free operation of the domestic water heating system according to the invention can be ensured. The electric cartridge can transfer more heat energy to the surrounding storage medium and is less likely to overheat.

Indem entsprechend einer weiteren Ausführungsform umfasst das Multifunktionsspeichersystem eine weitere Pumpe mit zur Brauchwasserladepumpe entgegengesetzter Pumprichtung. Dabei ist deren Druckseite mit dem heißen Speichermedium im Heizbereich des Speicherbehälters fluidisch verbunden ist und die Saugseite mit dem ebenfalls im oberen Heizbereich liegenden Eingang des Strömungsspalts, d. h. Saug- und Druckseite der weiteren Pumpe sind vertauscht im Vergleich zur Brauchwasserladepumpe bei deren zuvor beschriebenen Normalbetrieb. Diese Pumpe wird zu Unterscheidung als Schichtladepumpe bezeichnet. Mittels der Schichtladepumpe wird Speichermedium aus dem unteren, kälteren Bereich des Speicherbehälters durch den Strömungsspalt in den Heizbereich gepumpt und vermischt sich mit dem dortigen, mittels E-Patrone zusätzlich erhitzten Speichermedium. Auch diese Maßnahme dient dem Schutz der E-Patrone, die infolgedessen bei Überschreitung einer vordefinierten Grenztemperatur von Speichermedium umspült wird. Dieses weist eine geringere Temperatur auf als das Speichermedium im Heizbereich.According to a further embodiment, the multifunctional storage system comprises an additional pump with a pumping direction opposite to that of the domestic hot water charging pump. Its pressure side is fluidically connected to the hot storage medium in the heating section of the storage tank, and its suction side is connected to the inlet of the flow gap, which is also located in the upper heating section. This means that the suction and pressure sides of the additional pump are reversed compared to the domestic hot water charging pump during its normal operation described above. To distinguish it, this pump is referred to as a stratified charging pump. The stratified charging pump pumps storage medium from the lower, colder section of the storage tank through the flow gap into the heating section, where it mixes with the storage medium there, which is additionally heated by the electric cartridge. This measure also serves to protect the electric cartridge, which is consequently surrounded by storage medium when a predefined limit temperature is exceeded. This storage medium has a lower temperature than the storage medium in the heating section.

Alternativ oder ergänzend kann die Saugseite der Schichtladepumpe über eine Bypassleitung direkt mit dem unteren Bereich des Speicherbehälters fluidisch verbunden sein und über die Bypassleitung kälteres Speichermedium in den Heizbereich fördern. Optional kann auch in dieser Ausführungsform das Speichermedium in den obersten Bereich des Speicherbehälters eingeleitet werden oder in einen tiefer liegenden Bereich des Heizbereichs.Alternatively or additionally, the suction side of the stratified charging pump can be fluidically connected directly to the lower section of the storage tank via a bypass line, and the bypass line can pump colder storage medium into the heating zone. Optionally, in this embodiment, the storage medium can also be introduced into the uppermost section of the storage tank or into a lower section of the heating zone.

Die Schichtladepumpe kann mit der Brauchwasserladepumpe in Reihe angeordnet sein, wobei in diesem Fall solche Pumpen verwendet werden, welche gegenläufige Strömungen verarbeiten können. Andernfalls würde die Verwendung einer der in Reihe angeordneten Pumpen zur Zerstörung der zweiten Pumpe führen. Alternativ können beide Pumpen auch in einer Pumpe mit wechselbarer Pumprichtung ausgebildet sein.The stratified charging pump can be arranged in series with the domestic hot water charging pump, in which case pumps are used which can handle counter-rotating flows. Otherwise, the use of one of the pumps arranged in series would result in the destruction of the second pump. Alternatively, both pumps can be configured as one pump with reversible pumping direction.

Zur Steuerung der Pumpen können Temperatursensoren an verschiedenen, dafür geeigneten Positionen angeordnet sind, beispielsweise im obersten und optional unteren Bereich Speichers sowie in der Entnahme des Brauchwassers oder an weiteren Positionen.To control the pumps, temperature sensors can be arranged in various suitable positions, for example in the upper and optionally lower area of the storage tank as well as in the domestic water extraction or in other positions.

Gemäß einer Ausführungsform kann zumindest eine weitere E-Patrone in einem tieferen Bereich des Speicherbehälters angeordnet sein, wo die Schichtung einen signifikanten Temperaturunterschied sowohl zur obersten als auch zu untersten Schicht aufweist, insbesondere in einem mittleren Abschnitt des Speichers, beispielsweise in der Pufferspeicherzone. Auch ein Abstand von mehr als einer Wendelung zur E-Patrone in der Warmwasserladezone, bei mehreren dortigen E-Patronen unterhalb deren untersten E-Patrone, ist von Vorteil. Bevorzugt ist ein Abstand von zwei, drei, vier, fünf oder mehr Wendelungen, in Abhängigkeit von der Größe des Speicherbehälters und der Anzahl deren Wendelungen, sowie dessen Temperaturschichtung Die weitere, untere E-Patrone kann kaskadiert oder separat zur ersten, d. h. der eingangs beschriebenen oberen E-Patrone, betreibbar ausgebildet sein, beispielsweise kann diese E-Patrone in einem Energiebereich betrieben werden, welcher über jenem der oberen E-Patrone liegt. Sie kann optional stufig regelbar sein. Die untere E-Patrone beheizt dann eine mittlere oder untere Schicht des Speichers und bildet eine Grundlast. Zu dieser kann die obere E-Patrone je nach Brauchwasserentnahme bei Bedarf modulierend zugeschaltet werden. Optional kann dann die obere E-Patrone auch ausgeschaltet werden.According to one embodiment, at least one further electric cartridge can be arranged in a deeper region of the storage tank, where the stratification has a significant temperature difference to both the uppermost and lowermost layers, particularly in a central section of the tank, for example in the buffer storage zone. A distance of more than one coil from the electric cartridge in the hot water charging zone, if there are multiple electric cartridges there, below their lowest electric cartridge, is also advantageous. A distance of two, three, four, five, or more coils is preferred, depending on the size of the storage tank and the number of coils, as well as its temperature stratification. The further, lower electric cartridge can be designed to be cascaded or operable separately from the first, i.e., the upper electric cartridge described above. For example, this electric cartridge can be operated in an energy range that lies above that of the upper electric cartridge. It can optionally be step-controlled. The lower electric cartridge then heats a middle or lower layer of the storage tank, forming a base load. The upper electric cartridge can be switched on as needed, modulating the heat output depending on domestic hot water consumption. Optionally, the upper electric cartridge can also be switched off.

Eine solche kaskadierte Anordnung mit entsprechend angepassten Regelbereichen und kaskadierten Betrieb ist auch bei der Verwendung von mehr als zwei übereinander angeordneten E-Patronen möglich. Die mehreren E-Patronen können einzeln oder gemeinsam regelbar sein, auch zu Gruppen zusammengefasst sein.Such a cascaded arrangement with appropriately adjusted control ranges and cascaded operation is also possible when using more than two e-cartridges arranged one above the other. The multiple e-cartridges can be controlled individually or together, and can also be grouped together.

Die Steuereinheit des Multifunktionsspeichersystem kann zur automatischen oder manuellen Steuerung und Regelung der Abläufe des Multifunktionsspeichersystems, wie beispielsweise der Überwachung der Temperatur des Speichermediums und des Brauchwassers an verschiedenen Positionen im und am Speicherbehälter sowie der Temperaturregulierung, der Herstellung der Gegenströmung im Strömungsspalt, der Ermittlung des zur Verfügung stehenden PV-Überschusses und anderer, auch untergeordneter Prozesse ausgebildet sein. Neben den Temperatursensoren, umfasst das Multifunktionsspeichersystem zu diesem Zweck weitere elektronische Komponenten, wie Signalwandler, Strömungsschalter zur Steuerung der Pumpen und andere, sowie hydraulische Komponenten wie Pumpen, Ventile, Pufferspeicher zum Puffern von möglichen Druckschlägen infolge von Schaltvorgängen und andere.The control unit of the multifunctional storage system can be designed for automatic or manual control and regulation of the multifunctional storage system's processes, such as monitoring the temperature of the storage medium and the domestic water at various positions in and on the storage tank, as well as temperature regulation, establishing counterflow in the flow gap, determining the available PV surplus, and other, even subordinate, processes. In addition to the temperature sensors, the multifunctional storage system includes additional electronic components for this purpose, such as signal converters, flow switches for controlling the pumps, and others, as well as hydraulic components such as pumps, valves, buffer tanks for buffering potential pressure surges resulting from switching operations, and others.

Der Betrieb der einen oder der optional mehreren E-Patrone(n)mittels des PV-Überschusses sowie deren Regelung zur Optimierung des Eigenverbrauchs des Solarstroms, der mit dem Heizungssystem und dem Multifunktionsspeichers verknüpften PV-Anlage kann auf der Basis der Temperatursensoren drahtlos erfolgen.The operation of one or more optionally several e-cartridges using the PV surplus as well as their control to optimize the self-consumption of solar power, the PV system linked to the heating system and the multifunctional storage can be carried out wirelessly on the basis of the temperature sensors.

Mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Multifunktionsspeichersystems in Verbindung stehend wird die Aufgabe verfahrensseitig durch dessen Betrieb gelöst, wobei E-Patrone durch jenen Anteil an Solarenergie einer PV-Anlage des Heizungsbetreibers gespeist wird, welcher durch den Betreiber selbst nicht verwendbar ist und deshalb in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden müsste ("überschüssige Solarenergie" oder "PV-Überschuss"), jedoch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben der Brauchwassererwärmung effektiv nutzbar ist.In connection with the previously described embodiments of the multifunctional storage system, the problem is solved in terms of the method by its operation, whereby the E-cartridge is fed by that portion of solar energy from a PV system of the heating operator which cannot be used by the operator himself and would therefore have to be fed into the public electricity grid ("excess solar energy" or "PV surplus"), but can be effectively used with the method according to the invention for operating the domestic water heating.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb des zuvor beschriebenen Multifunktionsspeichersystems umfasst folgende Merkmale:

  • Im Speicherbehälter wird in der bekannten Weise eine Schichtladung des Speichermediums erzeugt, mit von oben nach unten abnehmender Temperatur des Speichermediums, zur Ausbildung einer Pufferspeicherzone und einer darüber liegenden Warmwasserladungszone.
  • Weiter wird das Brauchwasser mittels des Gegenstrom-Brauchwassererhitzers im Multifunktionsspeichersystem erhitzt, indem das Brauchwasser in der Brauchwasserleitung von unten nach oben geleitet wird und das Speichermedium des Speicherbehälters durch den Strömungsspalt von oben nach unten, zumindest im Bereich der Warmwasserladezone, mittels der Brauchwasserladepumpe gepumpt werden. Auch eine solche Brauchwassererwärmung erfolgt gemäß Stand der Technik.
  • Ein oberer Heizbereich der Warmwasserladezone, aus welchem das Speichermedium in den Strömungsspalt gepumpt wird, wird mittels zumindest einer E-Patrone beheizt.
The method according to the invention for operating the multifunctional storage system described above comprises the following features:
  • In the storage tank, a stratified charge of the storage medium is generated in the known manner, with the temperature of the storage medium decreasing from top to bottom, to form a buffer storage zone and a hot water charging zone above it.
  • Furthermore, the domestic water is heated by the counterflow domestic water heater in the multifunctional storage system. The domestic water is directed from bottom to top in the domestic water pipe and the storage medium of the storage tank is pumped through the flow gap from top to bottom by the domestic water charging pump, at least in the area of the hot water charging zone. This type of domestic water heating is also carried out according to the state of the art.
  • An upper heating area of the hot water charging zone, from which the storage medium is pumped into the flow gap, is heated by at least one electric cartridge.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt das Konzept zugrunde, das Speichermedium im obersten Bereich des Speicherbehälters, dem oben beschriebenen Heizbereich, welcher der Warmwasserladezone zugeordnet ist, mittels einer dort angeordneten E-Patrone zusätzlich und über die für das Speichermedium übliche und erforderliche Temperatur zu erhitzen und mittels der Brauchwasserladepumpe in den Eingang des Strömungsspalt zu pumpen. Auf diese Weise wird die Brauchwasserleitung nahe ihres Ausgangs aus dem Speicherbehälter auf ein Maß erwärmt, welches deutlich über jener Temperatur liegt, welche mittels der regulären Temperaturschichtung des Speichermediums im Speicherbehälter aufgrund der eingangs beschriebenen Funktionsweise des Multifunktionsspeichersystems erzielbar ist. Eine Absenkung der Temperaturschichtung zumindest in der Pufferspeicherzone kann vermieden werden oder ist möglich, ohne die Temperatur des Brauchwassers unter das Temperaturniveau absenken zu lassen. Die Taktung des Betriebs der Wärmequelle des Multifunktionsspeichersystems und der Energiebedarf der Wärmequelle kann signifikant reduziert werden.The method according to the invention is based on the concept of heating the storage medium in the uppermost area of the storage tank, the heating area described above, which is assigned to the hot water charging zone, by means of an electric cartridge arranged there, additionally and above the usual and required temperature for the storage medium, and pumping it into the inlet of the flow gap by means of the domestic water charging pump. In this way, the domestic water line is heated near its outlet from the storage tank to a level that is significantly higher than the temperature achievable by means of the regular temperature stratification of the storage medium in the storage tank due to the functionality of the multifunctional storage system described above. A reduction in the temperature stratification, at least in the buffer storage zone, can be avoided or is possible without allowing the temperature of the domestic water to fall below the temperature level. The timing of the operation of the Heat source of the multifunctional storage system and the energy requirement of the heat source can be significantly reduced.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die zumindest eine E-Patrone mit Strom betrieben, welcher von einer externen Photovoltaik-Anlage (PV-Anlage) erzeugt wird. Aufgrund der Verwendung der Energie einer Photovoltaik-Anlage, bevorzugt einer PV-Anlage des Betreibers des Multifunktionsspeichersystems, zum Betreiben der E-Patrone kann die Wärmezufuhr von der Wärmequelle in das gesamte Speichermedium weiter reduziert werden. Dies erfolgt in einer Weise, welche die Schichtung trotz Brauchwasserentnahme nicht nur in solch geringem Maß beeinflusst, dass Energie von der Wärmequelle nur dann benötigt wird, wenn größere Mengen Brauchwasser entnommen wird. Ab welcher Menge eine Energiezufuhr von der Wärmequelle erforderlich wird, kann zudem mittels der Konfiguration und des Betreibens der einen oder mehreren E-Patronen beeinflusst werden.In one embodiment of the method according to the invention, the at least one electric cartridge is operated with electricity generated by an external photovoltaic system (PV system). Due to the use of energy from a photovoltaic system, preferably a PV system belonging to the operator of the multifunctional storage system, to operate the electric cartridge, the heat supply from the heat source to the entire storage medium can be further reduced. This is done in such a way that, despite the withdrawal of domestic water, the stratification is not only influenced to such a small extent that energy from the heat source is only required when larger quantities of domestic water are withdrawn. The amount at which an energy supply from the heat source is required can also be influenced by the configuration and operation of the one or more electric cartridges.

Erfindungsgemäß wird das Speichermedium im oberen Bereich der Warmwasserladezone, welcher der oberste Bereich im Speicherbehälter ist und hier auch als Heizbereich bezeichnet wird, beheizt und am dort befindlichen Eingang des Gegenstrom-Wärmetauschers in dessen Strömungsspalt gepumpt und kommt dort mit der Wärmetauscherfläche der Brauchwasserleitung in direkten thermischen Kontakt. Infolgedessen wird das Brauchwasser, welches den Wärmetauscher in entgegengesetzter Richtung, von unten nach oben, durchfließt und infolgedessen vorgewärmt wurde, im oberen Abschnitt des Wärmetauschers am intensivsten erwärmt.According to the invention, the storage medium is heated in the upper area of the hot water charging zone, which is the uppermost area in the storage tank and is also referred to here as the heating zone. It is pumped into the flow gap of the counterflow heat exchanger at the inlet located there, where it comes into direct thermal contact with the heat exchanger surface of the domestic water pipe. As a result, the domestic water, which flows through the heat exchanger in the opposite direction, from bottom to top, and has thus been preheated, is heated most intensively in the upper section of the heat exchanger.

Die zusätzliche Wärmeenergie wird mittels einer oder mehrerer E-Patronen zugeführt, wobei die E-Patrone Strom von der externen PV-Anlage erzeugt wird. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist dies die PV-Anlage des Betreibers des Multifunktionsspeichersystems, wodurch deren PV-Überschuss für die zusätzliche Beheizung des Speichermediums verwendbar ist.The additional heat energy is supplied via one or more electric cartridges, which generate electricity from the external PV system. According to one embodiment of the invention, this is the PV system of the operator of the multifunctional storage system, allowing its excess PV energy to be used for additional heating of the storage medium.

Der Betrieb der E-Patrone erfolgt in einem solchen Leistungsbereich, dass auch geringe Leistungen der PV-Anlage, insbesondere der PV-Überschuss verwendbar sind. Gegenwärtig liegt dieser Bereich bei bis zu einem fünfstelligem Wattbetrag, kann sich jedoch mit der Weiterentwicklung der verwendeten Heiz- und PV-Systeme zukünftig ändern. Je nach Ausführung der einen oder mehreren E-Patrone kann die optimal nutzbare Leistung durch eine Regelung, beispielsweise mittels Pulsweitenmodulation, oder eine Einstellung der zumindest einen E-Patrone oder Zu- oder Abschaltung weiterer, vorhandener E-Patronen erzielt werden. Basis dafür sind Temperaturmessungen im Speicherbehälter und/oder des entnommenen Brauchwassers.The electric cartridge operates within a power range that allows even low PV system outputs, particularly PV surplus, to be utilized. Currently, this range is up to five-digit wattage, but may change in the future with the further development of the heating and PV systems used. Depending on the design of the one or more electric cartridges, the optimal usable output can be achieved through control, for example, using pulse width modulation, or by adjusting at least one electric cartridge, or by connecting or disconnecting additional, existing electric cartridges. This is based on temperature measurements in the storage tank and/or the tapped domestic water.

Für eine optimale Nutzung der zur Verfügung stehenden PV-Leistung wird erfindungsgemäß ein Energiezähler verwendet. Dieser wird mit dem Elektroverteiler des Hauses, in welchem das Multifunktionsspeichersystem verwendet wird, kommunikativ verbunden und ermittelt den von der verwendeten PV-Anlage den aktuell verfügbaren PV-Überschuss. An diesen ermittelten Wert wird die Leistung der einen oder mehreren E-Patronen angepasst.To ensure optimal use of the available PV power, the invention utilizes an energy meter. This meter is communicatively connected to the electrical distribution board of the house in which the multifunctional storage system is installed and determines the currently available PV surplus from the PV system in use. The output of one or more e-cartridges is adjusted to this determined value.

Bei einer Verwendung von mehreren E-Patronen steht in weiteren Ausführungsformen die Möglichkeit der Kombination der, gegebenenfalls variierbaren, Leistungsbereiche der E-Patronen zur Verfügung. Die E-Patronen können beispielsweise in mehreren Stufen gleicher oder unterschiedlicher Leistung oder in kaskadierenden Stufen innerhalb der Warmwasserladungszone oder innerhalb der Warmwasserladungszone und der Pufferspeicherzone betrieben werden. Letztere Verteilung von E-Patronen unterstützt beispielsweise die Aufrechterhaltung der Temperaturschichtung im Speicherbehälter, da diese in den verschiedensten hier beschriebenen Situationen der Nutzung des Speichermediums zur Einstellung der Temperatur des Brauchwassers und des Heizbereichs beeinflusst werden kann.When using multiple electric cartridges, further embodiments offer the option of combining the optionally variable power ranges of the electric cartridges. For example, the electric cartridges can be operated in multiple stages of the same or different power levels, or in cascading stages within the hot water charging zone or within the hot water charging zone and the buffer storage zone. The latter distribution of electric cartridges supports, for example, maintaining temperature stratification in the storage tank, as this can be influenced in the various situations described here for using the storage medium to adjust the temperature of the domestic water and the heating zone.

Für den Fall, dass PV-Strom in einem solchen Maß zur Verfügung steht, dass das Speichermedium im Heizbereich soweit erhitzt wird, dass dessen Temperatur eine nicht zu überschreitende, vordefinierte Solltemperatur übersteigt, wird entsprechend einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens Speichermedium aus einem unteren Bereich des Speicherbehälters, dessen Temperatur geringer ist als die Solltemperatur, mittels der oben beschriebenen Schichtladepumpe in den Heizbereich gepumpt, zumindest bis zur Unterschreitung besagter Solltemperatur. Die Zufuhr des kälteren Speichermediums kann optional durch den Strömungspalt erfolgen oder durch eine Bypassleitung, welche optional unabhängig von der Temperaturschichtung außerhalb des Speicherbehälters verlaufen kann. Das Pumpen des kälteren Speichermediums kann in einer weiteren Ausführungsform durch die Brauchwasserladepumpe erfolgen, indem beide Pumpen in Reihe geschaltet sind. Auch eine Kombination beider Ausführungsformen ist möglich.In the event that PV power is available to such an extent that the storage medium in the heating area is heated to such an extent that its temperature If the temperature exceeds a predefined target temperature that must not be exceeded, according to a further embodiment of the method, storage medium is pumped from a lower region of the storage tank, the temperature of which is lower than the target temperature, into the heating zone by means of the stratified charging pump described above, at least until the temperature falls below said target temperature. The colder storage medium can optionally be supplied through the flow gap or through a bypass line, which can optionally run outside the storage tank independently of the temperature stratification. In a further embodiment, the colder storage medium can be pumped by the domestic hot water charging pump by connecting both pumps in series. A combination of both embodiments is also possible.

Im ersten Fall wird Speichermedium aus dem unteren Bereich gezogen, in welchem der Ausgang des Strömungsspaltes liegt. Dieser Bereich ist durch die Anlage definiert und umfasst Speichermedium einer relativ geringen Temperatur, bezogen auf die zur Verfügung stehenden Temperaturschichten des Multifunktionsspeichersystems. Dabei wird der Gegenstrom im Strömungsspalt für die Zufuhr des kälteren Speichermediums umgekehrt. Die Einstellung Solltemperatur ist aufgrund der bevorzugt nicht oder nur gering gestörten Temperaturschichtung allein über die Menge des zugeführten Speichermediums möglich.In the first case, storage medium is drawn from the lower area, where the outlet of the flow gap is located. This area is defined by the system and contains storage medium at a relatively low temperature, relative to the available temperature layers of the multifunctional storage system. The counterflow in the flow gap is reversed to supply the colder storage medium. Due to the preferably unaffected or only slightly disturbed temperature stratification, the target temperature can be adjusted solely by the amount of storage medium supplied.

Im zweiten Fall umfasst das Multifunktionsspeichersystem eine, optional auch mehrere Bypassleitungen, welche sich innerhalb oder außerhalb des Speicherbehälters von zumindest einem unterhalb des Heizbereiches liegenden, kälteren Bereich des Speichermediums in den Heizbereich führen. Die Verwendung mehrerer Bypassleitungen, welche jeweils auf unterschiedliche Temperaturschichten zugreifen, gestattet es, dass die Temperatur des zugeführten Speichermediums variiert werden kann.In the second case, the multifunctional storage system comprises one, optionally several, bypass lines, which lead inside or outside the storage tank from at least one colder area of the storage medium located below the heating area to the heating area. The use of several bypass lines, each accessing different temperature layers, allows the temperature of the supplied storage medium to be varied.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit, vorhandeneA further advantage of the invention is the possibility of using existing

Multifunktionsspeichersysteme mit einer oder mehreren E-Patronen zwecks Nutzung des PV-Überschusses nachzurüsten. Eine solche Integration zumindest einer E-Patrone schließt augenscheinlich auch deren Steuerung ein, wobei die vorhandenen Temperatur- und Drucksensoren dafür verwendbar und sofern erforderlich durch weitere Sensoren ergänzbar sind. Weiter wird die Integration durch die verfügbaren Energiezähler unterstützt, welche mit der Stromverteilung des Hauses verbunden werden können und entsprechend der so möglichen Ermittlung des zur Verfügung stehenden PV-Überschusses kabelgebunden oder über Funkverbindung die Steuerung des oder der E-Patrone(n) realisieren können.Retrofitting multifunctional storage systems with one or more e-cartridges for utilizing the PV surplus is possible. Such integration of at least one e-cartridge also apparently includes its control, whereby the existing temperature and pressure sensors can be used for this purpose and, if necessary, supplemented with additional sensors. The integration is further supported by the available energy meters, which can be connected to the house's power distribution system and, depending on the available PV surplus, can control the e-cartridge(s) via wired or wireless connection.

Zusammenfassend können mit dem erfindungsgemäßen Multifunktionsspeichersystem und dessen Verfahren zu Betrieb folgende Vorteile erzielt werden:

  • Die Betriebstemperatur für Brauchwasser kann erzielt werden, ohne dafür Wärme vom Wärmeerzeuger, beispielsweise von der Heizungsanlage beziehen zu müssen. Zumindest jedoch kann die von der Heizungsanlage dafür zu liefernde Wärme signifikant reduziert werden.
  • Mittels der Konfiguration hinsichtlich Anzahl und Lage der E-Patronen, deren Leistungsbereiche und Regelungen kann das Multifunktionsspeichersystem für verschiedenste Bedarfsmengen konfiguriert werden.
  • Es kann insbesondere der PV-Überschuss einer PV-Anlage optimal für die Brauchwassererwärmung genutzt werden.
  • Eine Störung der Temperaturschichtung zumindest in der Pufferspeicherzone des Speicherbehälters kann auf verschiedene Weisen verhindert oder zumindest signifikant reduziert werden.
  • Die Komponenten zur Ausführung des Verfahrens sind in bestehende Anlagen integrierbar.
In summary, the following advantages can be achieved with the multifunctional storage system according to the invention and its method of operation:
  • The operating temperature for domestic water can be achieved without having to draw heat from a heat generator, such as the heating system. However, the heat required for this purpose from the heating system can at least be significantly reduced.
  • By configuring the number and position of the e-cartridges, their performance ranges and controls, the multifunctional storage system can be configured for a wide range of required quantities.
  • In particular, the PV surplus of a PV system can be optimally used for domestic water heating.
  • A disturbance of the temperature stratification, at least in the buffer storage zone of the storage tank, can be prevented or at least significantly reduced in various ways.
  • The components for carrying out the process can be integrated into existing systems.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Der Fachmann würde die zuvor und nachfolgend in den verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung realisierten Merkmale in weiteren Ausführungsformen zweckmäßig kombinieren, soweit es die jeweiligen Anforderungen für das Multifunktionsspeichersystem erfordern und gestatten. Die zugehörigen Figuren zeigen in

  • Fig. 1 eine erste Ausführungsform des Multifunktionsspeichersystems mit einer E-Patrone im Heizbereich, und
  • Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des Multifunktionsspeichersystems gemäß Fig. 1 mit einer weiteren E-Patrone in der Pufferspeicherzone.
The invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments. The person skilled in the art would recognize the features realized above and below in the various embodiments of the invention in further The embodiments can be combined as required and permitted by the respective requirements for the multifunctional storage system. The accompanying figures show
  • Fig. 1 a first embodiment of the multifunctional storage system with an electric cartridge in the heating area, and
  • Fig. 2 a second embodiment of the multifunctional storage system according to Fig. 1 with another e-cartridge in the buffer storage zone.

Die Figuren stellen die Erfindung nur schematisch und in einem solchen Umfang dar, wie es zum Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Sie erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder Maßstäblichkeit. Beispielsweise sind die Wendelungen des Gegenstrom-Brauchwassererhitzers vergrößert dargestellt, so dass die darstellbare Anzahl der Wendelungen der Leitungen und die darstellbaren Positionen der E-Patronen zwischen den Wendelungen begrenzt sind.The figures depict the invention only schematically and to the extent necessary for understanding the invention. They make no claim to completeness or scale. For example, the coils of the counterflow domestic water heater are shown enlarged, so that the number of coils of the pipes and the positions of the electric cartridges between the coils that can be depicted are limited.

Fig. 1 zeigt ein Multifunktionsspeichersystem 1 mit einem Speicherbehälter 2, welcher mit einem Speichermedium 3 gefüllt ist. Im Speichermedium 3 ist eine Temperaturschichtung erzeugt und aufrechterhalten, mit von unten nach oben steigender Temperatur. Der Temperaturverlauf von niedrigen zu höheren Temperaturen ist in Fig. 1 durch eine zunehmende Graustufe der Fläche im Speicherbehälter 2 dargestellt. Mittels der Temperaturschichtung wird eine Pufferspeicherzone 5 im unteren Bereich und einer darüber liegende Warmwasserladezone 6 im darüber liegenden Bereich des Speicherbehälters 2 erzeugt, wobei eine scharfe Trennung zwischen beiden Zonen nicht vorhanden und nicht erforderlich ist. Dargestellt ist die optionale Ausführung mit einer perforierten Trennscheibe 9, welche umlaufend einen Ringspalt (nicht dargestellt) zur Wandung des Speicherbehälters 2 aufweist. Fig. 1 shows a multifunctional storage system 1 with a storage container 2, which is filled with a storage medium 3. In the storage medium 3, a temperature stratification is created and maintained, with the temperature increasing from bottom to top. The temperature progression from low to higher temperatures is shown in Fig. 1 represented by an increasing gray level of the area in the storage tank 2. By means of temperature stratification, a buffer storage zone 5 is created in the lower area and a hot water charging zone 6 in the area above it in the storage tank 2, whereby a sharp separation between the two zones is neither present nor required. The optional version with a perforated separating disc 9 is shown, which has an annular gap (not shown) surrounding the wall of the storage tank 2.

Im Innenraum des Speicherbehälters 2 ist der, im dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Pufferspeicherzone 5 und die Warmwasserladezone 6 verlaufende, Gegenstrom-Brauchwassererhitzer 10 ausgebildet. Dieser umfasst eine als Wärmetauscherfläche 11 ausgebildete Brauchwasserleitung 11, deren Brauchwasserausgang 13 oben aus dem Speicherbehälter 2 mündet, und deren Brauchwassereingang 12 am Fuß des Speicherbehälters 2 angeordnet ist. Optional kann der Gegenstrom-Brauchwassererhitzer10 auch verkürzt sein, indem der Brauchwassereingang 12 und der Ausgang 17 des Strömungsspalts 15 höher als dargestellt angeordnet sind. Ergänzend oder alternativ kann auch der Eingang 16 des Strömungsspalts 15 eine andere Position haben. Im dargestellten Ausführungsbeispiel liegt dieser ca. eine halbe Wendelung der Brauchwasserleitung 11 unterhalb deren oberen Durchtritt durch die Wandung 4. Der Gegenstrom-Brauchwassererhitzer 10 verläuft jedoch zumindest durch die Warmwasserladezone 6.In the interior of the storage tank 2, in the illustrated embodiment by the buffer storage zone 5 and the A countercurrent domestic water heater 10 is formed running through the hot water charging zone 6. This comprises a domestic water line 11 designed as a heat exchanger surface 11, the domestic water outlet 13 of which opens out of the top of the storage tank 2, and the domestic water inlet 12 of which is located at the base of the storage tank 2. Optionally, the countercurrent domestic water heater 10 can also be shortened by arranging the domestic water inlet 12 and the outlet 17 of the flow gap 15 higher than shown. Additionally or alternatively, the inlet 16 of the flow gap 15 can also have a different position. In the illustrated embodiment, this is located approximately half a turn of the domestic water line 11 below its upper passage through the wall 4. However, the countercurrent domestic water heater 10 runs at least through the hot water charging zone 6.

Der Gegenstrom-Brauchwassererhitzer 10 umfasst weiter eine die Brauchwasserleitung 11 konzentrisch umhüllende Strömungsleitung 14. Die Strömungsleitung 14 ist über ihre gesamte Länge derart angeordnet, dass zwischen beiden Leitungen ein Strömungsspalt 15 ausgebildet ist. Das Speichermedium 3 wird mittels einer Brauchwasserladepumpe 18 von oben nach unten durch den Strömungsspalt 15 gepumpt, wobei deren Druckseite am oberen Ende des Strömungsspalts15, dessen Eingang 16 angeschlossen ist. Das untere Ende des Strömungsspalts 15 ist folglich dessen Ausgang 17. Der Steigungswinkel der Wendelungen in der Pufferspeicherzone 5 sind im Ausführungsbeispiel größer gewählt als der Steigungswinkel in der Brauchwasserladezone 6. Andere Verhältnisse der Wendelungen und/oder der Anzahl der Wendelungen in beiden Zonen sind möglich.The counterflow domestic water heater 10 further comprises a flow line 14 concentrically enclosing the domestic water line 11. The flow line 14 is arranged over its entire length such that a flow gap 15 is formed between the two lines. The storage medium 3 is pumped from top to bottom through the flow gap 15 by means of a domestic water charging pump 18, the pressure side of which is connected to the upper end of the flow gap 15, whose inlet 16 is connected. The lower end of the flow gap 15 is therefore its outlet 17. In the exemplary embodiment, the pitch angle of the coils in the buffer storage zone 5 is selected to be greater than the pitch angle in the domestic water charging zone 6. Other ratios of the coils and/or the number of coils in both zones are possible.

Der Eingang der Strömungsleitung 14 befindet sich im dargestellten Ausführungsbeispiel zirka eine halbe Wendelung unterhalb des Brauchwasserausgangs 13 aus dem Speicherbehälter 2. Andere Positionen von Eingang 16 und Ausgang 17 des Strömungsspaltes 15 sind entsprechend der Länge der Strömungsleitung 14 möglich.In the illustrated embodiment, the inlet of the flow line 14 is located approximately half a turn below the domestic water outlet 13 from the storage tank 2. Other positions of the inlet 16 and outlet 17 of the flow gap 15 are possible depending on the length of the flow line 14.

Eingang 16 und Ausgang 17 des Strömungsspalts 15 münden offen im Speichermedium 3. Die Brauchwasserladepumpe 18 ist in einer Bypassleitung 27 angeordnet, die außerhalb des Speicherbehälters 1 verläuft. Deren Druckseite (die in Richtung der Bypassleitung zeigende Spitze des dreieckigen Symbols) ist über die Bypassleitung 27 mit dem Eingang 16 des Strömungsspalts 15 und deren Saugseite (die gegenüber liegende Basis des dreieckigen Symbols) mit dem obersten Abschluss der Wandung des Speicherbehälters 2 über dieselbe Bypassleitung 27 verbunden. Die Brauchwasserladepumpe 18 fördert das im obersten Abschluss des Speicherbehälters 2 befindliche heißeste Speichermedium 3 in den Eingang 16 des Strömungsspalts 14 zur Erwärmung des Brauchwassers auf die erforderliche Temperatur.Inlet 16 and outlet 17 of the flow gap 15 open into the storage medium 3. The domestic hot water charging pump 18 is arranged in a bypass line 27 that runs outside the storage tank 1. Its pressure side (the tip of the triangular symbol pointing towards the bypass line) is connected via the bypass line 27 to the inlet 16 of the flow gap 15, and its suction side (the opposite base of the triangular symbol) is connected to the uppermost end of the wall of the storage tank 2 via the same bypass line 27. The domestic hot water charging pump 18 pumps the hottest storage medium 3 located at the uppermost end of the storage tank 2 into the inlet 16 of the flow gap 14 to heat the domestic hot water to the required temperature.

Die Schichtladepumpe 19 ist in Reihe zur Brauchwasserladepumpe 18 in derselben Bypassleitung 27 angeordnet, jedoch mit umgekehrter Pumprichtung (dargestellt durch des entgegengesetzt gerichtete Pumpsymbol). Sie pumpt kälteres Speichermedium 3 durch den Strömungsspalt 15 aus dem unteren Bereich der Pufferladungszone 5 in den obersten Abschluss der Wandung des Speicherbehälters 2. Eine optionale Bypassleitung 27' (gestrichelt dargestellt) führt von den Pumpen 18, 19 zu einem oberhalb des Brauchwassereingangs 12 angeordneten Eingang in die Pufferspeicherzone 5.The stratified charging pump 19 is arranged in series with the domestic hot water charging pump 18 in the same bypass line 27, but with the pumping direction reversed (represented by the oppositely directed pump symbol). It pumps colder storage medium 3 through the flow gap 15 from the lower area of the buffer charging zone 5 into the uppermost part of the wall of the storage tank 2. An optional bypass line 27' (shown in dashed lines) leads from the pumps 18, 19 to an inlet into the buffer storage zone 5 located above the domestic hot water inlet 12.

In jenem Abschnitt der Brauchwasserleitung 11, welcher nicht von der Strömungsleitung umgeben ist und somit direkt durch das Speichermedium 3 im Speicherbehälter 2 erwärmt wird, ragt der Eingang der Zirkulationsleitung 8, so dass auch deren Brauchwasserinhalt erwärmt wird.In that section of the domestic water pipe 11 which is not surrounded by the flow line and is thus heated directly by the storage medium 3 in the storage tank 2, the inlet of the circulation pipe 8 protrudes so that its domestic water content is also heated.

Zur Temperaturmessung des Speichermediums 3 im oberen Bereich des Speicherbehälters 2 ist dort ein Temperatursensor 22 angeordnet. Weitere Temperatursensoren an weiteren Positionen sind möglich, zur Unterstützung der, bevorzugt automatischen, Steuerung des Multifunktionsspeichersystems 1. Lediglich beispielhaft sind Temperatursensoren 22 in der Pufferspeicherzone 5 und im Brauchwasserausgang 13 dargestellt.A temperature sensor 22 is arranged in the upper area of the storage tank 2 to measure the temperature of the storage medium 3. Additional temperature sensors at other positions are possible to support the, preferably automatic, control of the multifunctional storage system 1. Temperature sensors 22 in the buffer storage zone 5 and in the domestic water outlet 13 are shown merely as examples.

Zwischen der zweiten Wendelung 25 der Brauchwasserleitung 11 und der mit einem Abstand zur ersten darunter liegenden dritten Wendelung 26 der Brauchwasserleitung 11 ist eine E-Patrone 20.1 angeordnet, deren stabförmige Heizfläche zwischen beide Wendelungen 25, 26 ragt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist E größer als A, so dass die E-Patrone 20.1 im Bereich der Strömungsleitung 14 angeordnet ist. Andere Verhältnisse von A und E zueinander und daraus folgend andere Positionen zwischen den Wendelungen sind gemäß obiger Beschreibung möglich.An E-cartridge 20.1 is arranged between the second coil 25 of the domestic water line 11 and the third coil 26 of the domestic water line 11, which is located at a distance from the first coil below it. The E-cartridge's rod-shaped heating surface extends between the two coils 25, 26. In the illustrated embodiment, E is greater than A, so that the E-cartridge 20.1 is arranged in the area of the flow line 14. Other ratios of A and E to one another and, consequently, other positions between the coils are possible according to the above description.

Zur Bestimmung der Position der E-Patrone 20.1 und des Eingangs 16 des Strömungsspalts 15 im Speicherbehälter 2 werden beide Punkte zum obersten Punkt der Innenwandung des Speicherbehälters 2 gemessen und können auf dieser Basis zueinander in Relation gesetzt werden. Der Abstand des Eingangs 16 des Strömungsspalts 15 zum obersten Abschluss der Behälterwandung des Speicherbehälters 2, wird mit A bezeichnet. Der unterste Punkt der Heizfläche der E-Patrone 20.1 zum selben Punkt der oberen Wandung wird mit E bezeichnet. Der Abstand E bestimmt auch das Maß des "Heizbereichs" gemäß obiger Definition.To determine the position of the E-cartridge 20.1 and the inlet 16 of the flow gap 15 in the storage tank 2, both points are measured to the uppermost point of the inner wall of the storage tank 2 and can be related to each other on this basis. The distance from the inlet 16 of the flow gap 15 to the uppermost end of the tank wall of the storage tank 2 is designated A. The lowest point of the heating surface of the E-cartridge 20.1 to the same point on the upper wall is designated E. The distance E also determines the size of the "heating area" according to the above definition.

Mittels einer Steuereinheit 21 erfolgt eine automatische oder manuelle Steuerung und Regelung der Abläufe des Multifunktionsspeichersystems 1, wie beispielsweise Temperaturmessungen, der Betrieb der zumindest einen E-Patrone 20.1, der Betrieb der Pumpen 18, 19, der Ermittlung des PV-Überschusses mittels eines Energiezählers 23 und anderer, auch untergeordneter Prozesse. Zur Verwendung der Energie der zur Verfügung stehenden PV-Anlage 24 und der Ermittlung des PV-Überschusses ist die Steuereinheit 21 mit der PV-Anlage kommunikativ verbunden.A control unit 21 automatically or manually controls and regulates the processes of the multifunctional storage system 1, such as temperature measurements, the operation of at least one electric cartridge 20.1, the operation of the pumps 18, 19, the determination of the PV surplus using an energy meter 23, and other, even subordinate, processes. To utilize the energy from the available PV system 24 and determine the PV surplus, the control unit 21 is communicatively connected to the PV system.

Das Multifunktionsspeichersystem gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von jenem der Fig. 1 durch eine weitere E-Patrone 20.2, welche in der Pufferspeicherzone 5 angeordnet ist und die dort befindliche Temperaturschicht zur Ausbildung einer Grundlast beheizt. Die weitere E-Patrone 20.2 befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel zwischen der dritten und vierten Wendelung der Brauchwasserleitung 11. Auch hier sind andere Positionen und/oder mehrere E-Patronen innerhalb der Pufferspeicherzone 5 möglich.The multifunctional storage system according to Fig. 2 differs from that of the Fig. 1 by a further E-cartridge 20.2, which is arranged in the buffer storage zone 5 and uses the temperature layer located there to form a Base load heating. In this embodiment, the additional electric cartridge 20.2 is located between the third and fourth coils of the domestic hot water line 11. Other positions and/or multiple electric cartridges within the buffer storage zone 5 are also possible.

Weiter sind die Pufferspeicherzone 5 und die Warmwasserladezone 6 nicht durch eine Trennscheibe getrennt. Im Übrigen wird auf die Darlegungen zu Fig. 1 verwiesen.Furthermore, the buffer storage zone 5 and the hot water charging zone 6 are not separated by a partition. For further information, please refer to the explanations for Fig. 1 referred to.

Bezugszeichenlistelist of reference symbols

11
MultifunktionsspeichersystemMultifunctional storage system
22
Speicherbehälterstorage tank
33
SpeichermediumStorage medium
44
Wandungwall
55
PufferspeicherzoneBuffer storage zone
66
WarmwasserladezoneHot water charging zone
77
HeizbereichHeating area
88
Zirkulationsleitungcirculation line
99
Trennscheibecutting disc
1010
Gegenstrom-BrauchwassererhitzerCounterflow domestic water heater
1111
Brauchwasserleitung, WärmetauscherflächeDomestic water pipe, heat exchanger surface
1212
BrauchwassereingangDomestic water inlet
1313
BrauchwasserausgangDomestic water outlet
1414
StrömungsleitungFlow line
1515
Strömungsspaltflow gap
1616
Eingang des Strömungsspalts 15Entrance of the flow gap 15
1717
Ausgang des Strömungsspalts 15Exit of the flow gap 15
1818
BrauchwasserladepumpeDomestic hot water charging pump
1919
SchichtladepumpeStratified charging pump
20.1; 20.220.1; 20.2
Elektropatrone, E-PatroneElectric cartridge, E-cartridge
2121
SteuereinheitControl unit
2222
Temperatursensortemperature sensor
2323
Energiezählerenergy meter
2424
PV-AnlagePV system
2525
zweite Wendelung der Brauchwasserleitung 11second coil of the domestic water pipe 11
2626
dritte Wendelung der Brauchwasserleitung 11third coil of the domestic water pipe 11
27, 27'27, 27'
BypassleitungBypass line
AA
Abstand Oberseite Wandung - Unterkante Eingang StrömungsspaltDistance top wall - bottom edge inlet flow gap
EE
Abstand Oberseite Wandung - Unterkante Heizfläche E-Patrone 2024023566 2024-09-09Distance top wall - bottom edge of heating surface of electric cartridge 2024023566 2024-09-09

Claims (14)

Multifunktionsspeichersystem ausgebildet zur Erzeugung von Heizwärme zwecks Raumheizung mittels Heizwärmespeicherung in einem wärmetragenden, durch eine externe Wärmequelle erwärmten Speichermedium sowie zur häuslichen Brauchwassererwärmung, folgende Komponenten umfassend: - einen Mehrzonen-Schichtladespeicher mit einen Speicherbehälter (2) zur Aufnahme des Speichermediums (3), - wobei der Mehrzonen-Schichtladespeicher Vorrichtungen umfasst zur Ausbildung einer durch unterschiedliche Temperaturen des Speichermediums (3) erzeugten Schichtladung derart, dass über einer Pufferspeicherzone (5) eine darüber liegende Warmwasserladungszone (6) ausgebildet ist, derart dass die Temperatur des Speichermediums (3) mit zunehmender Höhe im Speicherbehälter (2) zunimmt; - einen Gegenstrom-Brauchwassererhitzer (10), welcher zumindest abschnittsweise durch die Warmwasserladungszone (6) verläuft, - wobei der Gegenstrom-Brauchwassererhitzer (10) eine als Wärmetauscherfläche ausgebildete Brauchwasserleitung (11) aufweist, deren Brauchwasserausgang (13) oberhalb deren Brauchwassereingangs (12) liegt, - sowie eine die Brauchwasserleitung (11) konzentrisch umhüllende Strömungsleitung (14) derart, dass zwischen beiden Leitungen ein Strömungsspalt (15) ausgebildet ist, - wobei der obere Eingang (16) und der darunter liegende untere Ausgang (17) des Strömungsspalts (15) offen im Speichermedium (3) münden und der Eingang (16) des Strömungsspaltes (15) einen Abstand A zur oberen Wandung (4) des Speicherbehälters (2) aufweist; - eine Brauchwasserladepumpe (18), ausgebildet zur Beladung des Strömungsspaltes (15) mit Speichermedium, deren Saugseite mit dem über dem Eingang (16) des Strömungsspaltes (15) liegenden, oberen Bereich des Volumens des Speicherbehälters (2) und deren Druckseite mit dem Eingang (16) des Strömungsspalts (15) fluidisch verbunden ist, - eine Steuereinheit (21), ausgebildet und konfiguriert zum Betreiben des Multifunktionsspeichersystems (1); dadurch gekennzeichnet, dass: - das Multifunktionsspeichersystem (1) zumindest eine Elektropatrone (20.1) umfasst, hier verkürzt auch als E-Patrone bezeichnet, deren Heizfläche in einem oberen Heizbereich innerhalb der Warmwasserladezone (6) angeordnet ist, mit einem Abstand E, gemessen vom obersten Abschluss der Wandung (4) des Speicherbehälters (2) bis zur Unterkante der Heizfläche der E-Patrone (20.1), - wobei sich der Heizbereich maximal bis zur achten Wendelung der Brauchwasserleitung 11 erstreckt. Multifunctional storage system designed to generate heat for space heating by storing heat in a heat-carrying storage medium heated by an external heat source and for domestic hot water heating, comprising the following components: - a multi-zone stratified storage tank with a storage container (2) for holding the storage medium (3), - wherein the multi-zone stratified charging storage tank comprises devices for forming a stratified charge generated by different temperatures of the storage medium (3) in such a way that a hot water charging zone (6) is formed above a buffer storage zone (5) in such a way that the temperature of the storage medium (3) increases with increasing height in the storage tank (2); - a countercurrent domestic water heater (10) which runs at least partially through the hot water charging zone (6), - wherein the countercurrent domestic water heater (10) has a domestic water pipe (11) designed as a heat exchanger surface, the domestic water outlet (13) of which is located above its domestic water inlet (12), - and a flow line (14) concentrically surrounding the service water line (11) such that a flow gap (15) is formed between the two lines, - wherein the upper inlet (16) and the lower outlet (17) of the flow gap (15) located thereunder open into the storage medium (3) and the inlet (16) of the flow gap (15) is at a distance A from the upper wall (4) of the storage container (2); - a domestic water charging pump (18), designed to charge the flow gap (15) with storage medium, the suction side of which is connected to the upper region of the volume of the storage tank (2) located above the inlet (16) of the flow gap (15) and the pressure side of which is connected to the inlet (16) of the flow gap (15) is fluidically connected, - a control unit (21) designed and configured to operate the multifunctional storage system (1); characterized in that : - the multifunctional storage system (1) comprises at least one electric cartridge (20.1), here also referred to as E-cartridge for short, the heating surface of which is arranged in an upper heating area within the hot water charging zone (6), at a distance E, measured from the uppermost end of the wall (4) of the storage tank (2) to the lower edge of the heating surface of the E-cartridge (20.1), - whereby the heating area extends up to the eighth coil of the domestic water pipe 11. Multifunktionsspeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (21) ausgebildet und konfiguriert ist zum Betreiben der zumindest einen E-Patrone (20.1) unter Verwendung der Energie einer externen Photovoltaik-Anlage (24).Multifunctional storage system according to claim 1, characterized in that the control unit (21) is designed and configured to operate the at least one e-cartridge (20.1) using the energy of an external photovoltaic system (24). Multifunktionsspeichersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (21) des Multifunktionsspeichersystems (1) einen Energiezähler (23) umfasst, welcher ausgebildet ist zur Ermittlung eines von einer externen PV-Anlage (24) verfügbaren PV-Überschusses und zur Anpassung der Leistung der zumindest einen E-Patrone (20.1) an den ermittelten PV-Überschuss.Multifunctional storage system according to claim 2, characterized in that the control unit (21) of the multifunctional storage system (1) comprises an energy meter (23) which is designed to determine a PV surplus available from an external PV system (24) and to adapt the power of the at least one E-cartridge (20.1) to the determined PV surplus. Multifunktionsspeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand E größer ist als der Abstand A.Multifunctional storage system according to one of the preceding claims, characterized in that the distance E is greater than the distance A. Multifunktionsspeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Schichtladepumpe (19), deren Druckseite mit dem oberen Bereich des Volumens des Speicherbehälters (2) und deren Saugseite mit dem Eingang (16) des Strömungsspalts (15) und/oder der Pufferspeicherzone (5) fluidisch verbunden ist.Multifunctional storage system according to one of the preceding claims, further comprising a stratified charging pump (19), the pressure side of which is fluidically connected to the upper region of the volume of the storage container (2) and the suction side of which is fluidically connected to the inlet (16) of the flow gap (15) and/or the buffer storage zone (5). Multifunktionsspeichersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brauchwasserladepumpe (18) und die Schichtladepumpe (19) in Reihe geschaltet sind.Multifunctional storage system according to claim 5, characterized in that that the domestic hot water charging pump (18) and the stratified charging pump (19) are connected in series. Multifunktionsspeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Multifunktionsspeichersystem (1) zumindest eine weitere E-Patrone (20.2) aufweist, welche in der Pufferspeicherzone (5) angeordnet ist.Multifunctional storage system according to one of the preceding claims, characterized in that the multifunctional storage system (1) has at least one further E-cartridge (20.2) which is arranged in the buffer storage zone (5). Verfahren zum Betrieb eines Multifunktionsspeichersystems nach einem der vorstehenden Ansprüche, - wobei im Speicherbehälter (2) eine Schichtladung des Speichermediums (3) erzeugt wird, mit von oben nach unten abnehmender Temperatur des Speichermediums (3), zur Ausbildung einer Pufferspeicherzone (5) und einer darüber liegenden Warmwasserladungszone (6), - wobei das Brauchwasser mittels des Gegenstrom-Brauchwassererhitzers (11) im Multifunktionsspeichersystem (1) erhitzt wird, indem das Brauchwasser in der Brauchwasserleitung (11) von unten nach oben geleitet wird und das Speichermedium (3) des Speicherbehälters (2) durch den Strömungsspalt (15) vom oberen Eingang (16) zum unteren Ausgang (17) des Strömungsspalts (15) mittels der Brauchwasserladepumpe (18) gepumpt werden, dadurch gekennzeichnet, dass
besagter oberer Heizbereich der Warmwasserladezone (6), aus welchem das Speichermedium (3) in den Strömungsspalt (15) gepumpt wird, mittels zumindest einer E-Patrone (20.1) beheizt wird.
Method for operating a multifunctional storage system according to one of the preceding claims, - wherein a stratified charge of the storage medium (3) is generated in the storage tank (2), with the temperature of the storage medium (3) decreasing from top to bottom, to form a buffer storage zone (5) and a hot water charging zone (6) above it, - wherein the domestic water is heated by means of the countercurrent domestic water heater (11) in the multifunctional storage system (1) by directing the domestic water in the domestic water pipe (11) from bottom to top and pumping the storage medium (3) of the storage tank (2) through the flow gap (15) from the upper inlet (16) to the lower outlet (17) of the flow gap (15) by means of the domestic water charging pump (18), characterized in that
said upper heating area of the hot water charging zone (6), from which the storage medium (3) is pumped into the flow gap (15), is heated by means of at least one electric cartridge (20.1).
Verfahren zum Betrieb eines Multifunktionsspeichersystems nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine E-Patrone (20.1) mit dem Strom, bevorzugt mit dem PV-Überschuss betrieben wird, welcher von einer externen Photovoltaik-Anlage (PV-Anlage) (24) erzeugt wird.Method for operating a multifunctional storage system according to claim 8, characterized in that the at least one E-cartridge (20.1) is operated with the current, preferably with the PV surplus, which is generated by an external photovoltaic system (PV system) (24). Verfahren zum Betrieb eines Multifunktionsspeichersystems nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Energiezählers (23) ein von der externen PV-Anlage (24) verfügbare PV-Überschuss ermittelt und die Leistung der zumindest einen E-Patrone (20.1) an den ermittelten PV-Überschuss angepasst wird.Method for operating a multifunctional storage system according to claim 9, characterized in that by means of an energy meter (23) a PV surplus available from the external PV system (24) is determined and the power of the at least one e-cartridge (20.1) is adjusted to the determined PV surplus. Verfahren zum Betrieb eines Multifunktionsspeichersystems nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere E-Patronen (20.1, 20.2) in mehreren Stufen gleicher Leistung oder in kaskadierenden Stufen innerhalb der Warmwasserladungszone (6) oder innerhalb der Warmwasserladungszone (6) und der Pufferspeicherzone (5) betrieben werden.Method for operating a multifunctional storage system according to one of claims 8 to 10, characterized in that several E-cartridges (20.1, 20.2) are operated in several stages of equal power or in cascading stages within the hot water charging zone (6) or within the hot water charging zone (6) and the buffer storage zone (5). Verfahren zum Betrieb eine Multifunktionsspeichersystems nach Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Schichtladepumpe (19) Speichermedium (3) aus dem Eingang (16) des Strömungsspalts (15) und/oder aus der Pufferspeicherzone (5) des Speicherbehälters (2) in den Heizbereich gepumpt wird.Method for operating a multifunctional storage system according to claims 8 to 11, characterized in that by means of the stratified charging pump (19) storage medium (3) is pumped from the inlet (16) of the flow gap (15) and/or from the buffer storage zone (5) of the storage container (2) into the heating area. Verfahren zum Betrieb eine Multifunktionsspeichersystems nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass besagtes Speichermedium (3) durch die Brauchwasserladepumpe (18) hindurch gepumpt wird.Method for operating a multifunctional storage system according to claim 12, characterized in that said storage medium (3) is pumped through the domestic water charging pump (18). Verfahren zum Betrieb eine Multifunktionsspeichersystems nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine E-Patrone (20.1) in die Warmwasserladezone eines bestehenden Multifunktionsspeichersystems (1) integriert wird.Method for operating a multifunctional storage system according to one of claims 8 to 14, characterized in that the at least one electric cartridge (20.1) is integrated into the hot water charging zone of an existing multifunctional storage system (1).
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0385700A1 (en) * 1989-02-28 1990-09-05 Michael John Nunnerley Heat exchange unit, heat exchange system, method of improving heat exchange efficiency, and refrigeration circuit
WO1991011664A1 (en) * 1990-02-01 1991-08-08 Baxi Partnership Limited Water heating arrangement
DE29816006U1 (en) 1997-12-05 1998-11-19 Gebr. Meibes Zeitspararmaturen für Heiztechnik GmbH Leipzig, 04827 Gerichshain Home or space heating system with heat storage
DE202004016209U1 (en) * 2004-10-20 2005-02-17 Dietz, Erwin Two-part double wall coil heat exchanger in closed vessel has condensing refrigerant passing through inner tubes in opposite direction to water in outer tubes
DE102009026420A1 (en) 2009-05-22 2010-11-25 Joachim Zeeh Multi-zone layer loading storage for heating system, has buffer storage zone and heating surface that is arranged in inner side of storage container basically over total height of layer charge
DE102010028198A1 (en) 2009-04-27 2011-04-14 Joachim Zeeh Hot water preparation system in flow countercurrent principle
EP3812678A1 (en) 2019-10-21 2021-04-28 Johann Kasper Heat accumulator

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0385700A1 (en) * 1989-02-28 1990-09-05 Michael John Nunnerley Heat exchange unit, heat exchange system, method of improving heat exchange efficiency, and refrigeration circuit
WO1991011664A1 (en) * 1990-02-01 1991-08-08 Baxi Partnership Limited Water heating arrangement
DE29816006U1 (en) 1997-12-05 1998-11-19 Gebr. Meibes Zeitspararmaturen für Heiztechnik GmbH Leipzig, 04827 Gerichshain Home or space heating system with heat storage
DE202004016209U1 (en) * 2004-10-20 2005-02-17 Dietz, Erwin Two-part double wall coil heat exchanger in closed vessel has condensing refrigerant passing through inner tubes in opposite direction to water in outer tubes
DE102010028198A1 (en) 2009-04-27 2011-04-14 Joachim Zeeh Hot water preparation system in flow countercurrent principle
DE102009026420A1 (en) 2009-05-22 2010-11-25 Joachim Zeeh Multi-zone layer loading storage for heating system, has buffer storage zone and heating surface that is arranged in inner side of storage container basically over total height of layer charge
EP3812678A1 (en) 2019-10-21 2021-04-28 Johann Kasper Heat accumulator

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