Verfahren und Einrichtung zum Betrieb von Koch-, Back- und/oder Warmwasserbereitungseinrichtungen Im Hinblick auf einen besseren Ausgleich der Ta- gesbelastungskurven der Elektrizitätswerke kommt der Speicherung von Elektrowärme für den Haushalt, insbe sondere für Koch-, Back- und Warmwasserbereitungs- einrichtungen, besondere Bedeutung zu. Der Stromver brauch im Haushalt für .Küche und Bad fällt - abgese hen von Heisswasserspeichern, die mit Nachtstrom auf geladen werden - hauptsächlich in die Zeiten der hohen Netzbelastung am Morgen, Mittag und Abend.
Infolge der hohen Anschaffungskosten und des grossen Raum bedarfs werden elektrische Heisswasserspeicher mit 80 und mehr Liter Inhalt bis heute im allgemeinen noch relativ wenig verwendet. In Deutschland sind zum Bei spiel nur etwa 15 % der Wohnungen mit elektrischen Heisswasserspeichern ausgerüstet.
Seitens der Elektrizitätswerke besteht ein starkes Be dürfnis nach Elektrowärmespeichern für den Haushalt, die möglichst den ganzen Wärmebedarf für Küche und Bad speichern können und die während der Zeiten der Schwachbelastung der Netze (zum Beispiel von 20 bis 6 Uhr und von 14 bis 16 Uhr) aufgeladen werden. Solche Speicher hätten auch den grossen Vorteil kleiner Anschlussleistungen von beispielsweise 2kW, wodurch die Installationskosten der Netze niedrig werden. Übli che Vollherde haben Anschlusswerte von 7 bis 10 kW, Durchlauferhitzer sogar solche von 12 bis 24 kW.
Schon vor mehr als 30 Jahren wurden elektrische Wärmespeicherherde entwickelt mit der Absicht, billi gen Nachtstrom für Kochzwecke zu verwenden. Diese Herde wurden mit Wasser als Energiespeicher, das in Druckgefässen auf etwa 250 C aufgeheizt wurde, be trieben. Die Wärmeübertragung auf die Kochplatten er folgte mittels gespannten Wasserdampfes über Rohr leitungen in einem geschlossenen System. Da Wasser bzw. Wasserdampf von 250 einen Druck von 40 at aufweist, mussten die Wärmespeicherherde entsprechend massiv gebaut und mit allen erforderlichen Sicherheits vorrichtungen versehen werden.
Wegen der Temperatur begrenzung auf etwa 250 reichte die Wärmesspeicher- fähigkeit auch nicht aus und die Leistung der Koch platten war nach Absinken der Wassertemperatur un genügend. Diese Herde konnten sich deshalb in der Praxis nicht durchsetzen. Für die Erzeugung von Warm wasser für .Küche und Bad sind bis heute - abgesehen von grossen Elektrokessel- und Fern-Wärmeversorgungs- anlagen - keine Elektrowärmespeicher entwickelt oder gebaut worden.
Die Speicherung von Wärme kann auch für Gas netze interessant sein, indem dadurch eine Überlastung der Verteilnetze während den Kochzeiten vermieden und eine Verstärkung der Rohrleitungen erübrigt werden kann.
Die vorliegende Erfindung zeigt einen neuen Weg der zentralen Speicherung von Wärme, insbesondere Elektrowärme, vorzugsweise für den Haushalt, und be trifft ein Verfahren zum Betrieb von Koch-, Back- und/ oder Warmwasserbereitungseinrichtungen mit gespei cherter Wärme. Das Verfahren ist dadurch gekenn zeichnet, dass die Wärme zentral erzeugt und gespei chert und mittels einer Wärmeübertragungsflüssigkeit mit hoher Siedetemperatur, von über 300 C eines Rohrsystems und einer Zirkuiationspumpe den verschie denen Wärmeverbrauchsgeräten je nach Bedarf zuge führt wird.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In einem Wärmespeicherblock 1, der zum Beispiel mit Maschinenguss oder Magnesit als Speichermasse gefüllt ist, sind ein elektrischer Heiz körper 2, ein Temperaturfühler 3 und eine Heizrohr schlange 4, die von einer Wärmeübertragungsflüssigkeit durchflossen wird, eingebaut. Der ganze Block ist mit einer dicken Schicht Wärmeisoliermaterial 5, zum Bei spiel Schlackenwolle oder Glaswolle, umgeben, um die Wärmeverluste klein zu halten.
Der Heizkörper 2, der für einen mittelgrossen Haushalt etwa 2 kW Leistung benötigt, wird vom Wechselstromnetz N, P gespeist und während der Niedertarifzeit, zum Beispiel von 20 bis 6 Uhr und von 14 bis 16 Uhr, durch den Zeitschalter 6 eingeschaltet. Der Temperaturregler 7 schaltet die Hei zung aus, wenn der Wärmespeicher voll aufgeladen ist, zum Beispiel auf 400 C. Er schaltet wieder ein, wenn die Speichertemperatur um etwa 20 C abgesunken ist. Mittels eines Hauptschalters 30 kann die ganze Anlage ein- oder ausgeschaltet werden.
Der Kochherd 8, der normalerweise ein Drei- oder Vierplattenherd ist, weist Kochplatten 9, 10 auf, welche lediglich aus je zwei zusammengeschweissten dünnen hitzebeständigen Stahlblechen bestehen, zwischen denen die Wärmeübertragungsflüssigkeit zirkuliert. Die Koch platten 9, 10 sind über ein dünnes Vorlaufrohr 11, 12 und ein Rücklaufrohr 13, 14 mit der Heizrohrschlange 4 verbunden. Eine kleine Zirkulationspumpe 15 setzt die Wärmeübertragungsflüssigkeit im Wärmekreislauf in Be wegung, wenn Wärme benötigt wird.
Die Durchfluss- menge der Flüssigkeit und damit die Temperatur der Kochplatten 9, 10 kann mittels kleiner Handventile 16, 17 stufenlos geregelt werden. Zum Betrieb des Koch herdes wird vorerst mittels des Handschalters 18 die Pumpe eingeschaltet. Die Erhitzung der Kochplatten er folgt aber erst, wenn die Ventile 16, 17 geöffnet werden. Bei Nichtbenützung des Herdes soll die Pumpe ausge schaltet sein. Im oder neben dem Kochherd ist üblicher weise noch ein Backofen eingebaut, der mittels einer Heizschlange geheizt und mittels eines Temperatur reglers geregelt wird; dieser ist in der Zeichnung nicht eingezeichnet.
Die Wärmeträgheit der Kochplatten ist infolge ihrer geringen Masse sehr klein und nur ein Bruchteil derjenigen üblicher Gusskochplatten. Die Kochplatten werden auf der unteren Seite zweckmässi- gerweise durch eine Schicht Wärmeisoliermaterial 19 abgedeckt.
Der gleiche Wärmespeicher 1 wird zur Warmwasser bereitung für Bad, Dusche, Waschbecken, Spülbecken und dergleichen verwendet. Hierzu dient ein Durch lauferhitzer 20, in dem eine von der Wärmeübertra- gungsflüssigkeit durchflossene Heizschlange 21 einge baut ist. Die Heizschlange 21 ist über Rohrleitungen 22, 11 und 23, 14 mit der Heizrohrschlange 4 des Wärmespeichers verbunden. Ein Regelventil 24, dessen Wärmefühler 25 im Wasserauslauf des Durchlauferhit zers 20 eingebaut ist, regelt den Durchfluss der Wärme übertragungsflüssigkeit derart, dass das Warmwasser mit konstanter Temperatur aus dem Erhitzer fliesst.
Die ge wünschte Wassertemperatur ist an einem Einstellknopf 26 auf 30 bis 90 C einstellbar. Beim Öffnen des Regel ventils 24 wird gleichzeitig ein Kontakt 27 geschlossen, welcher die Pumpe 15 einschaltet. Der Durchlauferhit zer 20 hat einen kleinen Speicherraum von einigen Li tern Warmwasser. Beim Öffnen einer Zapfstelle 28 fliesst sogleich Warmwasser. Der Durchflusserhitzer ist durch den unteren Rohrstutzen 29 an das Wasserlei tungsnetz angeschlossen und wird von unten nach oben durchflossen, während die Wärmeübertragungsflüssigkeit in der Rohrschlange 21 von oben nach unten fliesst (Gegenstromprinzip).
Der Durchlauferhitzer 20 wird vorzugsweise wärmeisoliert, ebenso die Wärmeüber- tragungsrohre 11, 12, 13, 14, 22, 23.
Als Wärmeübertragungsflüssigkeit wird eine hierzu geeignete Spezialflüssigkeit, zum Beispiel Organosilikat, mit guten Wärmeübertragungseigenschaftcn, kleiner Vis kosität und hoher Temperaturbeständigkeit verwendet. Auch bei 400 C besteht kein innerer überdruck im Zirkulationssystem. Der Stromkreis der Wärmeübertra gung sflüssigkeit wird vorzugsweise mit einem kleinen Ausgleichgefäss (nicht dargestellt) verbunden, um Volu menausdehnungen aufzufangen.
Ein Haushalt von 4-5 Personen hat einen täglichen Stromverbrauch für Küche und Bad von etwa 10 kWh, wovon ungefähr 1/4 zum Kochen und 3/,1 für Warm wasserbereitung verwendet werden. Bei nur einmaliger Aufladung des Wärmespeichers pro Tag über die Nacht stunden ist für die Aufspeicherung dieser Energie ein Speicher mit Maschinenguss als Speichermasse mit Ab messungen von 35 x 35 x 35 cm (ohne Isolation) und bei Magnesit als Speichermasse mit Abmessungen von 38 x 38 x 38 cm erforderlich.
Wenn am Nachmittag eine Nachladung des Speichers von 2 oder mehr Stunden zugelassen wird, kann das Speichervolumen um 1/3 redu ziert werden. Speicher dieser Grösse können bequem in der Küche unter der Herdplatte oder in den Einbau- Unterschränken untergebracht werden. Der thermische Wirkungsgrad des Wärmespeichers beträgt bei guter Isolierung und täglicher Aufladung und Entladung etwa 85 %. Der Durchlauferhitzer 20 für die Warmwasser bereitung kann bei zweckmässiger Ausbildung pro Mi nute 10 1 Badewasser von 40 C erzeugen, was einer Leistung von etwa 15 kW entspricht.
Der Erhitzer 20 wird vorzugsweise über oder neben dem Wärmespei cher 1 angeordnet. Um die Leistung der Kochplatten hoch zu halten, soll der Wärmespeicher zum Kochen und Backen nicht unter 200-250 C entladen werden; für die Warmwasserbereitung ist hingegen eine Entla dung auf etwa 150 C zulässig. Zum bequemen Trans port kann der Wärmespeicher 1 in mehrere Teile zer legt und am Einbauort montiert werden.
Die Verwendung eines Wärmespeichers zur Warm wasserbereitung ist, abgesehen von der Einsparung von Stromkosten durch billigen Nachtstrom auch im Hinblick auf den Raumbedarf interessant. Ein Wärmespei- cherblock benötigt zur Wärmespeicherung einer be stimmten Energie mit Einschluss der Isolation nur 1/3 des Raumes, den ein Heisswasserspeicher benötigen würde.
Die Herstellungs- und Anschaffungskosten einer kompletten Wärmespeicheranlage mit Kochherd und Warmwasserbereiter liegen beträchtlich unter den Ko sten einer üblichen Ausrüstung mit Vollherd und Was serspeicher (Druckspeicher) mit mehreren Zapfstellen. Zu diesen Einsparungen kommen noch die wesentlich kleineren Tosten der elektrischen Installation.
Die Bedienung der gesamten Anlage ist äusserst ein fach. Ein Hauptschalter 30 dient dazu, die Anlage dauernd ein- oder auszuschalten. Die Aufladung des Wärmespeichers 1 erfolgt vollständig automatisch wäh rend der durch den Zeitschalter 6 oder einen Fernsteuer empfänger bestimmten Zeiten. Die Aufheizung des Warmwassers im Durchlauferhitzer 20 auf die am Reg lerknopf 26 eingestellte Temperatur erfolgt ebenfalls automatisch, wobei im Erhitzer stets eine kleine Menge Warmwasser bereit gehalten wird.
Beim Öffnen einer Zapfstelle 28 fliesst kaltes Wasser aus der Leitung 29 nach, kühlt den Temperaturfühler 25 ab, wodurch der Reglerkontakt 27 schliesst, die Pumpe 15 einschaltet und Wärmeübertragungsflüssigkeit in der Heizschlange 21 zirkuliert. Zum Kochen oder Backen muss am Herd lediglich der Schalter 18 eingeschaltet werden, der die Pumpe 15 in Betrieb setzt. Die Einschaltung der ein zelnen Kochplatten 9, 10 und die Regulierung der Heiz leistung derselben erfolgt durch die kleinen Handventile 16, 17. Diese Ventile können auch so beschaffen sein, dass sie automatisch eine einstellbare Plattentemperatur einregulieren.
Das beschriebene System der Wärme- speichereng kann selbstverständlich auch lediglich zum Betrieb eines .Kochherdes oder eines Warmwasserberei ters verwendet werden.
Method and device for the operation of cooking, baking and / or hot water preparation devices With a view to better balancing the daily load curves of the power plants, the storage of electrical heat for the household, in particular for cooking, baking and hot water preparation devices, is special Importance to. Electricity consumption in the home for the kitchen and bathroom falls - apart from hot water storage tanks that are charged with night-time electricity - mainly during the times of high network load in the morning, noon and evening.
As a result of the high acquisition costs and the large amount of space required, electrical hot water storage tanks with 80 or more liters capacity are generally still used relatively little to this day. In Germany, for example, only around 15% of the apartments are equipped with electrical hot water storage tanks.
On the part of the electricity companies, there is a strong need for electrical heat storage systems for the household, which can store as much heat as possible for the kitchen and bathroom and which can be charged during times of low load on the networks (for example from 8 p.m. to 6 a.m. and from 2 p.m. to 4 p.m.) will. Such storage systems would also have the great advantage of small connection loads of, for example, 2kW, which means that the installation costs of the networks are low. Usual full stoves have connected loads of 7 to 10 kW, instantaneous water heaters even those of 12 to 24 kW.
Electric heat storage stoves were developed more than 30 years ago with the intention of using cheap night electricity for cooking purposes. These stoves were operated with water as an energy store, which was heated to around 250 C in pressure vessels. The heat transfer to the hotplates was carried out by means of pressurized steam through pipes in a closed system. Since water or water vapor of 250 has a pressure of 40 at, the heat storage stoves had to be built accordingly massive and provided with all necessary safety devices.
Because the temperature was limited to around 250, the heat storage capacity was not sufficient and the performance of the hotplates was insufficient after the water temperature dropped. This herd could therefore not prevail in practice. For the production of hot water for the kitchen and bathroom - apart from large electric boilers and district heating systems - no electrical heat storage systems have been developed or built.
The storage of heat can also be of interest for gas networks, as it avoids overloading the distribution network during cooking times and eliminates the need to reinforce the pipelines.
The present invention shows a new way of central storage of heat, in particular electrical heat, preferably for the household, and be a method for operating cooking, baking and / or water heating devices with stored heat. The method is characterized in that the heat is generated and stored centrally and is fed to the various heat consumption devices as required by means of a heat transfer fluid with a high boiling temperature of over 300 C in a pipe system and a circulation pump.
An exemplary embodiment of the invention is shown in the drawing. In a heat storage block 1, which is filled, for example, with machine casting or magnesite as storage mass, an electrical heating body 2, a temperature sensor 3 and a heating pipe coil 4 through which a heat transfer fluid flows, are installed. The whole block is surrounded by a thick layer of thermal insulation material 5, for example slag wool or glass wool, in order to keep the heat losses small.
The radiator 2, which requires about 2 kW of power for a medium-sized household, is fed from the alternating current network N, P and switched on by the timer 6 during the low tariff period, for example from 8 p.m. to 6 a.m. and from 2 p.m. to 4 p.m. The temperature controller 7 switches the heating off when the heat storage tank is fully charged, for example to 400 C. It switches on again when the storage tank temperature has dropped by about 20 C. The entire system can be switched on or off by means of a main switch 30.
The cooking stove 8, which is normally a three or four-plate stove, has cooking plates 9, 10 which consist only of two thin, heat-resistant steel sheets welded together, between which the heat transfer fluid circulates. The cooking plates 9, 10 are connected to the heating pipe coil 4 via a thin flow pipe 11, 12 and a return pipe 13, 14. A small circulation pump 15 sets the heat transfer fluid in the heat circuit in motion when heat is needed.
The flow rate of the liquid and thus the temperature of the hotplates 9, 10 can be continuously regulated by means of small manual valves 16, 17. To operate the cooker, the pump is first switched on by means of the manual switch 18. The heating of the hotplates, however, only occurs when the valves 16, 17 are opened. When the stove is not in use, the pump should be switched off. In or next to the stove, an oven is usually built in, which is heated by means of a heating coil and regulated by means of a temperature controller; this is not shown in the drawing.
The thermal inertia of the hot plates is very small due to their low mass and only a fraction of that of conventional cast hot plates. The hotplates are expediently covered by a layer of thermal insulation material 19 on the lower side.
The same heat accumulator 1 is used to prepare hot water for the bathroom, shower, sink, sink and the like. A flow heater 20 is used for this purpose, in which a heating coil 21 through which the heat transfer fluid flows is built. The heating coil 21 is connected to the heating coil 4 of the heat accumulator via pipes 22, 11 and 23, 14. A control valve 24, the heat sensor 25 of which is installed in the water outlet of the flow heater 20, regulates the flow of the heat transfer liquid in such a way that the hot water flows out of the heater at a constant temperature.
The ge desired water temperature can be adjusted to 30 to 90 C on a setting knob 26. When the control valve 24 is opened, a contact 27 is closed at the same time, which switches the pump 15 on. The flow heater 20 has a small storage space of a few liters of hot water. When a tap 28 is opened, hot water flows immediately. The flow heater is connected to the water supply network through the lower pipe socket 29 and is traversed from bottom to top, while the heat transfer fluid in the pipe coil 21 flows from top to bottom (countercurrent principle).
The water heater 20 is preferably thermally insulated, as are the heat transfer pipes 11, 12, 13, 14, 22, 23.
A special liquid suitable for this purpose, for example organosilicate, with good heat transfer properties, low viscosity and high temperature resistance is used as the heat transfer liquid. Even at 400 C there is no internal overpressure in the circulation system. The circuit for the heat transfer fluid is preferably connected to a small expansion tank (not shown) in order to absorb volume expansion.
A household of 4-5 people has a daily electricity consumption for the kitchen and bathroom of around 10 kWh, of which around 1/4 is used for cooking and 3/1 for hot water. If the heat storage unit is only charged once per day over the night, a storage unit with machine casting as a storage mass with dimensions of 35 x 35 x 35 cm (without insulation) and with magnesite as a storage mass with dimensions of 38 x 38 x is necessary for storing this energy 38 cm required.
If the storage tank can be recharged for 2 or more hours in the afternoon, the storage volume can be reduced by 1/3. Storage units of this size can be conveniently accommodated in the kitchen under the stove top or in the built-in base units. The thermal efficiency of the heat storage is around 85% with good insulation and daily charging and discharging. The water heater 20 for hot water preparation can produce 10 1 bath water of 40 C per minute with appropriate training, which corresponds to a power of about 15 kW.
The heater 20 is preferably arranged above or next to the heat accumulator 1. To keep the performance of the hotplates high, the heat accumulator should not be discharged below 200-250 C for cooking and baking; For hot water generation, however, discharge to around 150 C is permitted. For convenient transport, the heat accumulator 1 can be divided into several parts and assembled at the installation site.
The use of a heat storage tank for hot water preparation is, apart from the saving of electricity costs through cheap night electricity, also interesting in terms of space requirements. A heat storage block requires only 1/3 of the space that a hot water storage tank would need to store a certain amount of energy, including the insulation.
The production and acquisition costs of a complete heat storage system with stove and water heater are considerably below the cost of a conventional equipment with full stove and what serspeicher (pressure accumulator) with several taps. In addition to these savings, there is the much smaller expense for the electrical installation.
The operation of the entire system is extremely simple. A main switch 30 is used to switch the system on or off continuously. The charging of the heat accumulator 1 takes place completely automatically during the times determined by the timer 6 or a remote control receiver. The heating of the hot water in the water heater 20 to the temperature set on the Reg lerknopf 26 also takes place automatically, with a small amount of hot water always being kept ready in the heater.
When a tap 28 is opened, cold water flows in from the line 29, cools the temperature sensor 25, whereby the controller contact 27 closes, the pump 15 switches on and heat transfer fluid circulates in the heating coil 21. For cooking or baking, only the switch 18 on the stove, which activates the pump 15, has to be switched on. The activation of the individual hotplates 9, 10 and the regulation of the heating power of the same takes place through the small manual valves 16, 17. These valves can also be designed so that they automatically regulate an adjustable plate temperature.
The described system of heat storage can of course also only be used to operate a cooker or a water heater.