Pufferspeicher:

Die während des Betriebs des BHKWs nicht abgenommene Wärme muß in einem Speicher zwischengespeichert werden, um den Bedarf an Wärmeenergie für die Heizung und Warmwassererzeugung bereitzustellen, wenn das BHKW nicht läuft.

Der Speicher muß vom Volumen so ausgelegt werden, dass das Speichermedium Wasser genügend Wärme bei einer minimalen Abkühltemperatur von 45°C liefern und speichern kann. Die Energie soll die Warmwassererzeugung zu 100% decken und zu mindestens 50% die Heizenergie, da der Rest durch einen Holz-/ Pelletofen gedeckt wird.

Um beim Beispiel eines teilisolierten Altbaus zu bleiben werden 22000 kWh jährlich für Heizung und Warmwasser benötigt; darin enthalten sind 4000 kWh für Warmwasser. Daraus folgt: 4000 kWh / 360 = 11 kWh pro Tag für Warmwasser und 18000 Kwh x 50% = 9000 kWh pro Jahr Heizung vornehmlich in den Monaten September bis März (7 Monate), was ca 9000 kWh / (7 x 30 Tage) = 43 kWh pro Tag entspricht. Hieraus folgt, dass ca. 43 kWh + 11 kWh = 54 kWh pro Tag in der Heizperiode zur Verfügung stehen müssen und 11 kWh pro Tag für Warmwasser das ganze Jahr über. Der Speicher muß ca. 50 kWh an Energie speichern können bei höchstens 90°C und mindestens 45°C, daraus erfolgt eine Temperaturdifferenz von 45 K.

Zur Berechnung:

Qw = (V x ρ x c x ΔT) / 3600

                                                mit  c = 4,19 kJ/ kg K ( spezifische Wärmekapazität, hier Wasser)

                                                ρ = 1 kg/ l ( Dichte von Wasser)

                                                V = Volumen in Liter

                                                ΔT = 45 K (Temperaturdifferenz in Kelvin)

                                                Qw = 50 kWh ( benötigte Wärmemenge)

                                                3600 ist der Umrechnungsfaktor von Joule zu kWh

Somit ist V = 3600 x Qw / (ρ x c x ΔT)

                V = 3600 x 50 kWh / (1kg/l x 4,19 (kJ/ kg K) x  45 K

                V = 945 Liter

Gewählt wird wir ein Speichervolumen von 1500 Litern in Form eines Schichtspeichers, der den Vorteil hat, dass in oberen Teil immer genügend Heizwasser zur Warmwassererzeugung zur Verfügung steht.

Im Sommer kann der Speicher noch durch solare Wärmegewinnung unterstützt werden.

Die Nächste Frage ist der Aufbau des Speichers und damit die Wärmeübertragung auf den Heiz- bzw. Wärmekreislauf. Es ist zu klären, wie die Wärme des BHKW Motors auf den Speicher erfolgt und wie die Einspeisung in den Heizung- und Warmwasserkreislauf erfolgen soll bei höchstem Wirkungsgrad.

Für den grundsätzlichen Aufbau von Pufferspeichern gibt es verschiedene Konzepte. Einige beruhen auf reinen Pufferspeichern, die ein festes Wasservolumen haben, welches nicht getauscht wird, wobei die Aufladung und die Entnahme über im Speicher angeordnete Wärmetauscher erfolgt. Andere Konzepte haben integrierte Warmwasservorratsspeicher oder Durchlaufwärmetauscher zur Brauchwassererwärmung. Einige benutzen ein Schichtladekonzept, andere werden von unten komplett geladen...

Eines haben alle Formen gemeinsam: einen großen Behälter aus Edelstahl, emailliertem oder Kunststoffbeschichtetem Stahl oder Kunststoff, der mit einer mindestens 100.. starken Isolierschicht ummantelt ist, die entweder aus weichem Polyurethanschaum oder Urethanhartschaum besteht.

Die einfachste Form ist ein beheizter Doppelmantelspeicher zur Brauchwassererwärmung:

 

 

 

 

Ein 120 – 300l Edelstahltank wird von Heizwasser umspült, welches die Wärme an das kalte Leitungswasser überträgt. Bei der Brauchwassererwärmung muß darauf geachtet werden, das das gesamte Speichervolumen einmal am Tag über 60°C erwärmt wird um die Bildung von Legionellen und Bakterien vorzubeugen.

Bei dieser Art Speicher wird ein entscheidener Nachteil sofort sichtbar, es wird nur die innere Fläche des Heizmantels zum Wärmetransfer benutzt. Dies ist nicht sehr vorteilhaft, da die halbe Tauscherfläche verschenkt wird.

Für unsere Anwendung kommt somit nur ein Speicher mit innenliegendem Wärmetauscher in Frage:

In der einfachsten Form sei hier ein Brauch- Warmwasserspeicher dargestellt, der einen im unteren Teil befindlichen Wärmetauscher besitzt und den gesamten Inhalt auf die Maximaltemperatur erwärmen kann. Ein entscheidender Nachteil ist hier die Gefahr der Durchmischung bei der Entnahme großer Warmwassermengen in kurzer Zeit.

Diese Art Speicher kann stehend oder liegend ausgeführt werden, wobei die Wärmetauscher entweder in Reihe oder besser parallel geschaltet werden und die Entnahme ebeso in Reihe oder parallel erfolgen kann.

 

 

Die oben dargestellten Speicherformen eignen sich in erster Linie zur Bereitstellung von Brauchwasser. Für die Wärmespeicherung der Abwärme des BHKW Motors und Abgabe in den Heizungs- bzw. Brauch- Warmwasserkreislauf muß ein völlig anderes Konzept angewendet werden.

Die Speicherung muß in Schichten erfolgen, so dass Hochtemperaturwärme zur Brauchwassererwärmung und Wärme auf niederem Niveau für die Heizung entnommen werden kann. Somit kommt nur ein Thermosyphon Speicher in Frage, in dem dem die Wärme in Schichten gespeichert wird, die sich nicht durchmischen und schichtweise geladen/ entladen werden kann. In dieser Art Speicher ist im oberen Bereich immer die Wärme mit der höchsten Temperatur entnehmbar und nach unten erfolgt die Schichtung mit niederen Temperaturen. Die Schichtung findet statt aufgrund der verschiedenen Dichte von Waser mit verschiedener Temperatur. Warmes Wasser ist leichter als kaltes und steigt deshalb immer nach oben. Bei dieser Art Speicher wird durch die Art der Beladung eine Durchmischung von kaltem und warmen Wasser vermieden, so dass hochtemperaturwärme im oberen Teil und die Wärme einer Solaranlage z.B. im mittleren oder unteren Bereich zugeführt wird.

Hier das Prinzip:

Es befinden sich mehrere Wärmetauscher im Wassertank, die je nach Heizwasserangebot und Schichttemperatur des Speichers geschaltet werden.

Eine Entnahme erfolgt durch Wärmetauscher parallel zu den Ladetauschern.

In dem rechts dargestellten Prinzip kann der Speicher in Schichten geladen werden, wobei die Temperaturschichtung beim Beladen oben mit der höchsten beginnt und nacheinander die Wärmetauscher bis zum untersten umgeschaltet werden.

Solar erzeugte Wärme kann somit in den Bereich des Speichers geführt werden, der der der Temperatur entspricht, wass die Vermeidung von Durchmischungsvorgängen bewirkt.

Hier noch ein Schichtspeicher mit multiplen Wärmetauschern zur Schichtbeladung des Speichers. Die Entnahme des heißen Brauchwassers erfolgt im oberen Bereich.

 

Hier folgen nun die technisch anspruchsvolleren Prinzipien, bei denen eine Durchmischung von kaltem und heißem Waser durch Leitung der Temperaturströme weitestgehend vermieden wird.

In diesem Beispiel wird das durch den Wärmetauscher im unteren Bereich erwärmte Wasser durch eine Art Kamin in den oberen Teil geleitet durch den natürlichen Auftrieb des erwärmten Wassers. Im Kamin befinden sich leicht zu öffnende Klappen, die vom Wasser geöffnet werden können und das etwas kühlere Wasser in die Schicht mit ähnlicher Temperatur entweichen kann (ein Aufsteigen in den heißeren und damit spezifisch leichteren Bereich ist nicht möglich). Durch dieses Prinzip wird eine Durchmischung durch das aufsteigende heiße Wasser vermieden, in dem es direkt in den oberen Bereich geleitet wird.

Eine Weiterentwicklung stellt das folgende Design dar:

 

In diesem Beispiel wird das durch den Wärmetauscher im unteren Bereich erwärmte Wasser durch eine Art Kamin in den oberen Teil geleitet durch den natürlichen Auftrieb des erwärmten Wassers. Im Kamin befinden sich leicht zu öffnende Klappen, die vom Wasser geöffnet werden können und das etwas kühlere Wasser in die Schicht mit ähnlicher Temperatur entweichen kann (ein Aufsteigen in den heißeren und damit spezifisch leichteren Bereich ist nicht möglich). Durch dieses Prinzip wird eine Durchmischung durch das aufsteigende heiße Wasser vermieden, in dem es direkt in den oberen Bereich geleitet wird.

 

 

Eine Weiterentwicklung stellt das folgende Design dar:

 

Das im unteren Wärmetauscher aufgeheizte Wasser strömt durch das rote Rohr nach oben in den heißen Bereich ohne das Speichervolumen zu durchmischen.

Der Wärmetauscher im oberen Bereich , z.B. Durchlauferhitzer für Brauchwasser, kühlt das heißeste Wasser ab und es sinkt durch das Rohr nach unten, wiederum ohne den Speicherinhalt zu durchmischen. Der  Mittlere Tauscher wird für die Heizungswärme verwendet, hier kann auch noch über eine Ableitung des abgekühlten Wassers nach unten nachgedacht werden...

 

Es ist beim Bau eines Pufferspeichers darauf zu achten, dass die Wärmetauscher so angeordnet sind, dass eine Schichtladung möglich ist und ebenso eine Wärmeentnahme aus der entsprechenden Schicht möglich ist ohne die Schichtung im Speicher zu stören. Die Beste Lösung ist die Führung der Auf- und Abströme durch kaminartige Rohre mit trichterförmigen Öffnungen.

Wenn im unteren Bereich ein Wärmetauscher von einem engen Rohr eingeschlossen ist, dessen Ende im oberen Bereich des Speichers liegt und auf der gesamten Länge

mit Klappen versehen ist, kann über diesen Tauscher Solarheizmedium unterschiedlicher Temperatur zur Ladung verwendet werden.

Die Entnahme von heißem Brauchwasser muß im oberen Teil erfolgen, wo eine Temperatur größer 60°C liegt, idealerweise um 90°C.

Im mittleren Bereich wird Warmwasser von ca. 60°C für die Heizung entnommen.

Das vom Wärmetauscher abgehende ausgekühlte Wasser muß durch ein Rohr in den unteren Teil geleitet werden. Dieses Prinzip verhindert eine Durchmischung der Schichtung im Speicher.

Weiterhin ist auf eine Revisionsöffnung zu achten.

Es kommt zu Verkalkungen im Speicher und an den Wärmetauscherrohren, welche regelmäßig durch eine chemische Entkalkung entfernt werden müssen, da Kalkablagerungen zu extremen Wirkungsgradeinbußen führen.

Glattrohrwärmetauscher sind generell leichter zu entkalken als Wärmetauscher aus Wellrohren. Allerdings haben Wellrohre einen wesentlich höheren Wirkungsgrad beim Wärmeübergang.

Zum einen muß aus hygenischen Gründen auf eine Erwärmung des Brauchwassers auf über 60°C geachtet werden, zum anderen beginnt gerade ab dieser Temperatur die Verkalkung. Ein weiteres Problem ist die Korrosion; der Werkstoff des Pufferspeichers sollte entweder aus Edelstahl, emailliertem/ kunststoffüberzogenem  Stahl oder aus Kunststoff bestehen.

In unserem Speicher wird folgendes Design gewählt:

  1. ein 1500 Liter Kunststoffspeicher (isoliert gut, läßt sich leicht bearbeiten);
  2. die Polyurethanisolierung wird vor Ort aus Bauschaum erstellt, im oberen Teil dicker, da höhere Temperaturdifferenz!
  3. die Wärmetauscher werden aus 22 mm Cu- Glatt- Rohr selbst gebogen, da diese leichter zu reinigen sind und einen geringeren Wärmewiderstand aufweisen;
  4. im Inneren wird die Zirkulation durch trichterförmige Rohre gelenkt;
  5. es erfolgt eine Auskopplung der Wärme für Heizung im mittleren Bereich bei ca. 60°C und eine Auskopplung der Wärmeenergie für die Brauchwassererwärmung im oberen Teil des Speichers, ca 80 – 90°C.

Wenn der Speicher fertig ist folgt ein Bild und die Bauanleitung

   back   top   next  

 

 

 

 

alternate-energy.de

die etwas andere Seite für alternative Energie Ideen