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Elektrisch aufgeheizte Zentralheizungsanlage mit Durchlaufkessel und Speicher für intermittierende
Stromaufnahme zum Ausgleich der Belastungskurve von Elektrizitätswerken.
Die elektrische Raumheizung als solche stellt in primärer Hinsicht kein technisches, sondern ein wirtschaftliches Problem dar. In technischer Hinsicht ist zur Erzielung einer in jeder Beziehung vollwertigen Heizung lediglich die Aufstellung von Widerstandsheizkörpern erforderlich, deren Wirksamkeit und Betriebssicherheit nichts zu wünschen übrig lässt. In wirtschaftlicher Beziehung vermochten sich derartige Systeme in Deutschland keinen Eingang in die Praxis zu verschaffen, weil der kWh-Preis weit über den Kosten der Kohlenmenge liegt, durch deren Verbrennung 860 WE erzeugt werden können.
Dieser verhältnismässig hohe Preis der elektrischen Arbeit ergibt sich aus der allgemein befolgten Tarifpolitik, gemäss der für jede verkaufte kWh nicht nur die direkten Gestehungskosten für Kohle, Öl usw., sondern auch der Kapitaldienst für Errichtung des Kraftwerkes und Verteilungnetzes mit in Anrechnung zu setzen sind. Der Anteil des Preises für den Kapitaldienst richtet sich hiebei nach der jährlichen Benutzungsdauer des betreffenden Stromverbrauehers und ist um so geringer, je höher die Benutzungsdauer ist.
Die günstigste Ausnutzung eines Kraftwerkes ist gegeben, wenn seine Anlagen über die ganze Dauer des Jahres gleichmässig und voll belastet sind. Die Elektrizitätswerke für die öffentliche Versorgung sind jedoch weit von diesem Idealzustand entfernt. Ihre Belastungskurven kranken durchweg an den typischen Abendspitzen und Nachtsenken, die im wesentlichen durch den Lichtbedarf in den Abendstunden und den Ausfall industrieller Belastung während der Nacht bedingt sind, also durch Faktoren, die sich schlechterdings nicht zugunsten einer vergleichmässigten Absatzverteilung beseitigen lassen ; am Tage wird niemals Bedarf für künstliche Beleuchtung auftreten, und in der Nacht werden niemals die Motoren der Industrie laufen.
Aus diesem Grunde musste sich das Bestreben der Elektrizitätwerke darauf richten, die Senken ihrer Belastungskurven durch solche Konsumenten auszufüllen, die ihrer Natur nach nur während der Talzeiten auftreten oder doch ohne Nachteil in diese Zeit verlegt werden können. Solchen Abnehmern liefert man den Strom zu einem Preise, der ausser mit den direkten Erzeugungskosten nur noch insoweit mit den festen Betriebskosten des Werkes (z. B. Kapitaldienst) belastet ist, als es die Konkurrenz gegenüber andern für diese Zwecke in Frage kommenden Energiequellen gerade noch gestattet. Es kamen hiefür die elektrische Küche und dort, wo kein Feuerungskessel hiefür vorhanden ist, der während der Nachtzeit aufgeheizte Heisswasserspeicher in Frage.
Diese beiden Arten von Stromverbrauchern vermögen aber die Belastungstäler nur in sehr beschränktem Umfange auszufüllen, denn das Nachttal ist gegenüber der Abendspitze zu tief, um durch blosse Heisswasserbereitung ausgefüllt werden zu können, und der elektrische Herd ist zwischen der Morgen-und Abendspitze, d. h. während einer Dauer von sieben Stunden, kaum länger als zwei Stunden im Betrieb. Wie stark also auch immer der elektrische Herdo der Nachtspeicher in Gebrauch kommen werden, die Belastungskurve der Werke wird gegenüber der winterlichen Abendspitze immer noch weit zurückbleiben.
Mit dieser Tatsache scheinen sich die Elektrizitätswerke abgefunden zu haben ; sie betrachten die Spitzenbelastung als notwendiges Übel, dem man nur in begrenztem Umfange steuern kann, ohne es ganz zu beseitigen.
Diese Annahme ist jedoch nicht richtig, weil sie auf einem Irrtum, nämlich auf dem Grundsatz beruht, dass jeder verkauften kWh unter allen Umständen mindestens ein beträchtlicher Teil an den festen Betriebskosten aufgebürdet werden muss. Dieser Grundsatz hat aber dort keine Berechtigung mehr, wo sich der Absatz an solche Konsumenten schlechterdings nicht mehr steigern lässt, die eine
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solche Bürde vertragen.
Ist man einmal an diesem Punkte angelangt, d. h. sind alte Möglichkeiten für die Unterbringung von elektrischen Herden und Wärmespeicher erschöpft, so kann man den dann noch verbleibenden restlichen Talstrom zu den direkten Gestehungskosten für Kohle, Öl u. dgl. zuzüglich eines minimalen Nutzens, also etwa für die 1-25fachen direkten Erzeugungskosten, solchen Verbrauchern liefern, die infolge Konkurrenz mit andern Energiequellen eine höhere Belastung einfach nicht vertragen.
Ein solcher Konsument aber ist die elektrische Raumheizung, die keinen höheren kWh-Preis als 3% Rpl. verträgt, um mit dem Kohlenhausbrand in Wettbewerb treten zu können und welche von den Elektrizitätswerken wenigstens insoweit nicht sabotiert zu werden braucht, als sie zur restlichen Talausfüllung gegenüber der höchsten Winterspitze verwendet wird, zumal sie eine induktionsfreie Last darstellt, also den Gesamtleistungsfaktor der Anlage erhöht.
Betrachtet man das Problem der elektrischen Raumheizung von dieser tariflichen und wirtsehaftlichen Seite, so taucht jedoch nunmehr ein technisches Problem auf, nämlich die Frage, in welcher Weise ein auf elektrische Heizung eingerichtetes Gebäude während der erfahrungsgemäss je dreistündigen Morgen-und Abendspitze voll geheizt werden kann, ohne Strom aus dem Netz zu nehmen, da dieser nach Voraussetzung ja nur zur restlichen Talausfüllung mit einem wirtschaftlich in Frage kommenden Preis abgegeben werden kann. Es liegt auf der Hand, dass die eingangs erwähnten Widerstandsheizkörper diesem Erfordernis nicht gerecht zu werden vermögen.
Die Erfindung besteht nun in einer elektrischen Zentralheizungsanlage, die trotz mehrstündiger Unterbrechung der Stromaufnahme die unveränderte Abgabe von Wärmeeinheiten an die zu beheizenden Bäume ermöglicht. Die Anlage gemäss der Erfindung ist im wesentlichen durch einen elektrischen Durchlauferhitzer gekennzeichnet, der zwischen Rüek-und Vorlauf einer Zentralheizanlage und hydraulisch parallel zu einem elektrisch beheizten Heisswasserspeicher liegt, der während der Stromaufnahme des Durchlauferhitzers aufgeheizt und während der Stromsperre zur Beheizung des Gebäudes
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bedarf des Hauses und nach der Dauer der Stromunterbrechung.
Für ein Gebäude mit einem maximalen stündlichen Wärmebedarf von 40. 000 WE und einer Spitzensperre von drei Stunden muss der Speicher 5'5 mg messen, wenn man annimmt, dass zwischen dem vorlaufenden und rücklaufenden Wasser das in Zentralheizungsanlagen übliche Temperaturgefälle von 20 herrscht. Ein solcher Speicher hat verhältnismässig geringe Abmessungen und kann daher nicht etwa mit einem sogenannten Nachtspeicher verglichen werden, der, wie bereits vorgeschlagen wurde, während der Nachtzeit aufgeheizt wird und so gross sein müsste, dass er den gesamten Wärmebedarf des Hauses für die ganze Tageszeit abzugeben vermag.
Ein solcher Speicher müsste nämlich, wenn man einmal von der in Wohnhäusern kaum je gegebenen Möglichkeit der Erzeugung hochgespannten Dampfes absieht, bei einem stündlichen maximalen Wärmebedarf von 40. 000 WE und einem Temperaturgefälle von 20 , 45 m3 messen und damit die Anlagekosten sowie den Raumbedarf für die Anlage derart erhöhen, dass sie von vornherein nicht wirtschaftlich erscheint.
Das Wesen der Erfindung sei an Hand der Zeichnung näher erläutert, die ein Ausführungsbeispiel darstellt.
Mit 2 ist der Rücklauf und mit 3 der Vorlauf einer gewöhnlichen Warmwasserzentralheizungs- anlage bezeichnet. Zwischen dem Rücklauf 2 und dem Vorlauf 3 ist der sogenannte Durchlauferhitzer 4 eingeschaltet, dessen Rauminhalt etwa 50 1 betragen möge. Es sei ferner angenommen, dass der maximale stündliche Wärmebedarf des Hauses 40. 000 WE beträgt. Demzufolge muss der Durchlauferhitzer -1 eine Leistungsaufnahme von rund 45 kW aufweisen. Diese Leistung entnimmt er mit Hilfe der Heizelemente aus dem Netz 6, die zweekmässigerweise in mittels der Schütze 29 a, 29 b, 29 e einzeln
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lauferhitzers liegen.
Während der beispielsweise siebenstündigen Betriebszeit des Durchlauferhitzers wird daher der Speicher 7 mit ebenso vielen Heizelementen aufgeheizt, wie Elemente des Durchlauferhitzers eingeschaltet sind. Wird nun zur Spitzenzeit die Stromaufnahme in bekannter Weise durch die Sperruhr 30 unterbrochen, so wird das in dem Durchlauferhitzer 4 befindliche Warmwasser infolge der geringen Behälterkapazität von 50 1 sehr schnell durch den Vorlauf entwichen sein, und es beginnt dann der Speicher sein Warmwasser abzugeben, indem er von dem rücklaufenden, etwa 200 kälteren Wasser wieder aufgefüllt wird. Der Speicher ist jedoch so bemessen, dass das während der ganzen Stromsperrzeit vorlaufende Wasser konstante Temperatur besitzt, dass also das in den Speicher zurücklaufende Wasser nicht wieder in den Vorlauf gelangt.
Nach Beendigung der Spitzensperre werden die beiden Heizregister 5, 9 wieder an das Netz angeschlossen. Infolge des geringen Wasserinhalte des Durchlauferhitzers erwärmt sich das in diesem inzwischen abgekühlte Wasser nahezu augenblicklich und übernimmt nun wieder die alleinige Versorgung der Anlage, bis die Wassertemperatur im Speicher die Wassertemperatur des Durchlauferhitzers erreicht hat. Tritt dieser Fall noch vor Beendigung der siebenstündigen Stromentnahmezeit ein, so läuft der Speicher bis zu deren Beendigung als zweiter Dureldauferbitzer mit. Auf diese Weise kann das bei Beendigung der Stromaufnahme aus dem Speicher
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Es kann nun aber vorkommen, dass der Wärmebedarf eines Hauses gerade während der Sperrzeit regelmässig geringer oder auch grösser ist, als während der Zeit der Stromentnahme. Um diesem Erfordernis Rechnung zu tragen, ist gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung eine Differentialschaltung vorgesehen, die z. B. aus den beiden Widerstandsthermoll16tern 10, 11 besteht, deren eines sich im Speicher 7 und deren anderes sich im Durchlauferhitzer 4 ! befindet.
Die beiden Thermometer sind mittels der Widerstände 12, 13 und des widerstandslosen Verbinduugsleiters 14 sowie der Stromquelle 32 beispielsweise zu einer Wheatstoneschen Brücke geschaltet, deren Diagonale 22 über ein polarisiertes Relais 23 führt, das den Stromkreis der Haltespule 24 des Schütze. 25 steuert und damit die Stromaufnahme der Heizregister 9 a, 9 b, 9 e des Speichers 7 beherrscht. Fliesst ein Ausgleichstrom in der Brückendiagonale 22 bzw. durch das Relais 23 in der einen Richtung, so wird der Strom-
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in der andern Richtung, so wird die Heizung des Speichers unterbrochen.
Durch Verschieben des zur Stromquelle 32 führenden Leiters 17 längs der beiden Widerstände 12, 13 kann man nun beliebig einstellen, bei welcher Widerstandsdifferenz zwischen den Thermometern 10 und 11 bzw. bei welcher Temperaturdifferenz in den Behältern 7 und 4 der Strom in der Diagonak 22 nach der einen oder nach der andern Richtung fliesst. Befindet sich beispielsweise der Leiter T ? in der elektrischen Mitte der Widerstände 12 und 13, so tritt Stromlosigkeit der Brückendiagonale bei Temperaturgleichheit der Behälter 7 und 4 auf.
Wird der Leiter 17 dagegen, wie in der Zeichnung dargestellt, aus der elektrischen Mitte ein wenig nach rechts verschoben, so befindet sich die Brücke im Gleichgewicht, wenn der Widerstand des Thermometers 10 kleiner ist als der des Thermometers 11 bzw. wenn die Temperatur des Speichers 7 unter der Temperatur des Speichers 4 liegt. Im allgemeinen wird jedoch gerade der umgekehrte Fall erwünscht sein, dass das Speicherwasser eine etwas höhere Temperatur aufweist als das Wasser im Durchlauferhitzer, weil erfahrungsgemäss die Stromsperrzeiten meistens gerade in die Tagesstunden fallen, in denen der grösste Wärmebedarf herrscht.
Man wird daher den Leiter 17 aus der elektrischen Mitte der elektrischen Widerstände 12, 13 nach links verschieben und in der den Rücklauf 2 mit dem Speicher 7 verbindenden Leitung ein Ventil 8 vorsehen, um zu verhindern, dass das Speicherwasser nach Erreichen der im Durchlauferhitzer herrschenden Temperatur an der Zirkulation teilnimmt.
Dieses Ventil kann selbsttätig arbeiten, beispielsweise elektromagnetisch derart gesteuert sein, dass es nach Einschalten der Anlage geschlossen ist und sich bei Stromunterbrechung selbsttätig öffnet.
Die Verschiebung des Drahtes 17 längs der Widerstände 12, 13 erfolgt zweckmässigerweise längs einer Skala, auf der die positive und negative Temperaturdifferenz zwischen dem Wasser des Speichers 7 und dem des Durchlauferhitzers 4 aufgezeichnet ist.
Da die beiden Widerstandsthermometer in Differentialschaltung liegen, ist der Stromfluss in der Diagonale 22 in der Tat unabhängig von der wirklichen Temperatur und lediglich eine Funktion der Temperaturdifferenz. Überdies schafft die Verwendung der Differentialschaltung die Möglichkeit, die Thermometer 10, 11 statt aus EdeInetalMtaht
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dass der Differentialstromfluss in der Diagonale 22 verhältnismässig gross wird, wodurch das Relais 23 spezifisch unempfindlicher, d. h. robuster und billiger gebaut werden kann.
Um zu verhindern, dass im Durchlauferhitzer 4, z. B. bei zu starkem Drosseln des Wasserumlaufes, gefährliche Übertemperaturen auftreten, ist er mit einem sogenannten Tauehregler 15 versehen, der in der gemeinsamen Zuleitung 33 der Haltespulen 34 a, 34 b, 34 c für die Schütze 29 a, 29 b, 29 c liegt und diese Spulen abschaltet, sobald die eingestellte Höchsttemperatur erreicht ist. Der Speicher 7 dagegen benötigt keinen solchen Tauchregler, weil in ihm Übertemperaturen gar nicht auftreten können, sofern sein Inhalt und seine Leistungsaufnahme richtig bemessen sind und Gewähr für die Einhaltung der Schaltzeiten besteht. Werden letztere durch Synchronuhren bestimmt, so M'scheint diese Voraussetzung hinreichend erfüllt.
Die Anlage lässt sich sehr leicht derart in Abhängigkeit von der in den zu beheizenden Räumen gewünschten Lufttemperatur regeln, dass auf schnellste Weise alle Räume aufgeheizt werden, ohne rgendwo Übertemperaturen zu erzeugen. Zu diesem Zwecke ist in jedem der zu beheizenden Räume Hn Thermostat 18 a, 18 b, 18 e, 18 d... vorgesehen. Die Thermostaten schalten bei steigender Tem- peratur ein und liegen sämtlich in Reihe mit der Haltespule 19 eines in der gemeinsamen Zuleitung 33 ler Haltespulen 34 a, 34 b, 34 eliegenden Quecksilberschaltera20. Hat beispielsweise der Thermostat 18a lie Endtemperatur erreicht, so schliesst sein Kontakt.
In dem betreffenden Raum kann man dann, entweder von Hand oder auch von dem Thermostaten 18 a selbst automatisch gesteuert, den betreffenden Heizkörper abschalten. Hiedurch wird die Temperatur des verlaufenden Wassers alsbald zunehmen, so lass der nächste Thermostat, z. B. 18 b, um so schneller seinen Kontakt schliesst, worauf der Heizkörper n dem betreffenden Raum gleichfalls abgestellt wird, ohne jedoch die Stromaufnahme der Anlage zu leeinflussen. Die Wassertemperatur wird daher nun sehr rasch ansteigen und die übrigen Thermostaten im so schneller zur Schliessung ihrer Kontakte veranlassen.
Erst wenn der letzte Thermostat gesprochen hat, wird der Stromkreis der Spule 19 geschlossen und der Quecksilberschalter 20 geöffnet, wodurch die Spulen 34 a, 34 b, 34 c der Hauptschütze 29 a, 29 b, 29 e stromlos werden und die gesamte
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Anlage abschalten. Sobald jedoch in einem Raum die Temperatur den eingestellten Wert wieder unterschreitet, wird der Stromkreis der Haltespule 19 wieder unterbrochen und dadurch die Schützen 29 wieder eingeschaltet.
Um nun zu vermeiden, dass bei kleinerem Wärmebedarf die Anlage mit vollem Anschlusswert betrieben wird, was ein häufiges Ein-und Ausschalten grosser Leistungen und daher unerwünschte Stromstoss im Netz zur Folge haben würde, sind, wie bereits erwähnt, die Heizregister des Durchlauferhitzers und des Speichers in beispielsweise je drei Gruppen unterteilt. Im Stromkreis der Halte-
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vorgesehen, die aufeinanderfolgend oder gegebenenfalls auch gleichzeitig erst bei grösserem Wärme- bedarf geschlossen werden. Diese Schalter können unter Einfluss der Aussentemperatur stehende
Thermostaten sein, die auf verschiedene Ansprechtemperaturen eingestellt sind.
Die bisher beschriebene Anlage erfüllt die Bedingung, dass ein Gebäude in kürzester Zeitspanne aufgeheizt wird, ohne dass irgendwo Übertemperaturen entstehen, wobei die Aufrechterhaltung der in den verschiedenen Räumen jeweils gewünschten Temperatur selbsttätig erfolgt. Es kann nun aber überdies erwünscht sein, dass die Erreichung oder die Aufrechterhaltung der gewünschten Raumtemperaturen unter Begrenzung der in den Radiatoren herrschenden Wassertemperatur erfolgt. Bei mildem Wetter wird es beispielsweise als angenehmer empfunden werden, wenn die Oberflächentemperatur der Heizkörper dauernd nur ungefähr 450 beträgt, als wenn die Radiatoren zeitweilig mit 80 gespeist werden.
Um dies zu erreichen, können die Haltespulen 34 a, b, c der Schütze 29 a, b, r in Reihe mit weiteren einstellbaren Thermostaten 36 a, 36 b, 36 c liegen, die an irgendeiner Stelle des zirkulierenden Systems sitzen und beispielsweise Tauchregler sind, die sich, wie der Sicherheitsregler 16, im Durchlauferhitzer 4 befinden. Jeder dieser Tauchregler ist nun auf eine andere Ansprechtemperatur eingestellt. Es sei angenommen, dass der Regler 36 a bei 400, der Regler 36 b bei 45 und der Regler 36 c bei 500 seine Kontakte öffnet. Öffnet sich nach längerer Betriebspause, z.
B. im Herbst, einer der Thermostaten 18 a... 18 d, so wird die Wassertemperatur im Durchlauferhitzer 15-200 betragen. Infolgedessen werden alle drei Thermostaten 36 a, 36 b, 36 c geschlossen sein und alle drei Heizregister 5 a, 5 b, 5 c des Durchlauferhitzers 4 Strom aufnehmen. Da (nach Voraussetzung) jedoch nur einer der Thermostaten 18 a... 18 d geöffnet hatte, d. h. nur in einem einzigen Raum Untertemperatur herrscht und bei automatischer Steuerung der Radiatorventile auch nur die Radiatoren in dem einen Raume offen sind, wird die Wassertemperatur im Durchlauferhitzer sehr schnell ansteigen. Sobald sie 400 erreicht hat, wird der Tauchregler 36a öffnen und daher das Heizregister 5a abschalten.
Die Wassertemperatur wird dann zwar langsamer, aber doch weiter ansteigen und schliesslich den Regler 36 b zum Ansprechen bringen und damit die Abschaltung des Registers 56 bei einer Temperatur von 45 zur Folge haben. Das dritte Register 5 c übernimmt nun die Heizung des untertemperierten Raumes allein. Ist auch seine Leistung noch so gross, dass die Wassertemperatur 500 übersteigt, so wird auch dieses dritte Register 5 c unter Wirkung des Thermostaten 36 c zeitweilig ausgeschaltet, bis die Wassertemperatur wieder unter 50 sinkt. Ist dagegen die Leistung des einen Registers 5 c zu klein, um nach Ausschalten des Heizkörpers 5b die Wassertemperatur von 450 aufrechtzuerhalten, so wird vorübergehend das Register 5 b eingeschaltet.
Dieses wechselseitige Spiel zwischen den Reglern 36 a, bund c wird sich so lange wiederholen, bis auch der letzte der Thermostaten 18 a... 18 d seinen Kontakt wieder geschlossen hat.
Die Regler 36 a, b, c sind zweckmässigerweise so beschaffen, dass ihre Ansprechtemperatur beliebig
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Der Speicher 7 muss bei dem angenommenen Ausführungsbeispiel, d. h. bei einem maximalen stündlichen Wärmebedarf des Gebäudes von 40.000 WE und einer dreistündigen Unterbrechung der Stromaufnahme bei sieben-bis achtstündiger Entleerung unter einem Temperaturgefälle von 200 eine Leistung von 27 JHF aufnehmen, so dass ausserhalb der Sperrzeit die gesamte Anlage maximal 45 + 27 = 72 kW benötigt.
Da der Speicher nur den statischen Druck der Wassersäule auszuhalten hat, der im allgemeinen nicht mehr als lez Atm. beträgt, so kann er aus verhältnismässig dünnen Blechen bestehen, die zweckmässigerweise an Ort und Stelle zusammengeschweisst und sodann in bekannter Weise isoliert werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektrisch aufgeheizte Zentralheizungsanlage mit Durchlaufkessel und Speicher für intermittierende Stromaufnahme zum Ausgleich der Belastungskurve von Elektrizitätswerken, dadureh gekennzeichnet, dass der Vorlauf (3) während der Stromentnahmezeit von einem Durchlauferhitzer (4) gespeist wird und dass der Wärmebedarf während der Stromsperre ausschliesslich durch den während der Stromentnahmezeit aufgeladenen Speicher (7) gedeckt wird.