DE10117112A1

DE10117112A1 - Alternierend genutzte Heizung mit getrennter Verbrauchserfassung

Info

Publication number: DE10117112A1
Application number: DE10117112A
Authority: DE
Inventors: Joachim Falkenhagen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-04-06
Filing date: 2001-04-06
Publication date: 2002-01-03
Anticipated expiration: 2021-04-07
Also published as: DE10117112C2

Abstract

Mehrere Wärmeabnehmer werden abwechselnd von einem Wärmeerzeuger versorgt. Der Energieträgerbedarf der einzelnen Abnehmer wird getrennt bzw. über getrennte Zähler dem Wärmeerzeuger zugeführt bzw. erfaßt. Die Regelung sorgt dafür, daß nacheinander die verschiedenen Wärmeabnehmer und die zugehörigen Zähler versorgt bzw. aktiviert werden. DOLLAR A Weitere Anwendungen dieses Prinzips ergeben sich bei Kälteerzeugung, bei mehreren Wärmeerzeugern, bei Verbrauchsmessung des Wärmeträgermediums, bei zusätzlicher Einspeisung von Solarenergie und bei dieses Verfahren nutzenden Regeleinrichtungen und Dienstleistungen. DOLLAR A Die zeitliche Steuerung der Wärmeabgabe kann in Raumtemperaturreglern mit Zusatzfunktionen erfolgen, wobei Druckzustände in den Leitungen der Signalübertragung dienen können.

Description

Einsatzgebiet

Wärmeerzeugung für mehrere Wärmeabnehmer mit gemeinsamer Wärmeerzeugung, insbesondere aus leitungsgebundenen Brennstoffen, wenn eine Messung des Bezugs von Energieträgern, insbesonder Brennstoffen, der Messung des Wärmebedarfs vorgezogen wird.

Stand der Technik

In Mehrfamilienhäusern erfolgt überwiegend zentrale Wärmeerzeugung und eine Heizkostenabrechnung mit Heizkörperverdunstern, Warmwasserzählern oder Wärmemengenzählern. In Doppel- und Reihenhäusern sind individuelle Heizsysteme mit seperatem Brennstoffbezug und einzelnen Feuerungen vorherrschend.

Brennwertheizgeräte arbeiten meist mit Umschaltung des Brenners zwischen Warmwassererzeugung konstanter Temperatur und witterungsgeführter Heizwassererwärmung für denselben Wärmeabnehmer.

Probleme der bekannten Lösungen

Heizkostenabrechnungen in Mehrfamilienhäusern sind mit erheblichem Aufwand verbunden. Sie erfordern eine Abrechnungsebene zwischen Brennstofflieferanten und Wärmeabnehmern, meist die Vermieterin, die für die Abrechnung geeichte Anlagen einsetzen muß und die unterschiedlichen Zahlungszeitpunkte von Heizkostenvorauszahlungen und Brennstoffabrechnungen ausgleicht. Die Erfassung von Wärme ist zudem oft aufwendiger und fehleranfälliger als die Messung einer Brennstoffmenge und erfordert häufig den Einsatz von Fachfirmen.

Getrennte Heizungen, auch als Gasetagenheizungen in Mehrfamilienhäusern, haben einen vielfachen Aufwand für Anschlußbeiträge, Geräte, Schornsteinfeger usw. zur Folge und erschweren u. a. die gemeinsame Nutzung der Sonnenwärme. Die Leistungen der kleinsten am Markt verfügbaren Brenner überschreiten zudem den Wärmebedarf gut isolierter Wohneinheiten mittlerer Größe und führen somit zu ungünstigen Betriebszuständen und unnötig hohen Leistungsanforderungen.

Passivhäuser ohne konventionelle Heizung sind nicht überall realisierbar.

Zum Informationsaustausch (Anspruch 9) zwischen Komponenten des Regelungssystems können auch gesonderte Steuerleitungen oder Funksender genutzt werden, jedoch wären Funkempfänger in Heizkörperventilen schwer realisierbar.

Neue Lösung

Die Energieträgerzufuhr eines Brenners oder anderen Erzeugers von Wärme- oder Kälte (im folgenden einheitlich als Wärme bezeichnet) erfolgt über mehrere Zufuhrwege, zwischen denen mittels geeigneter Ventile oder anderen Umschalteinrichtungen gewechselt werden kann.

Mehrere Wärmeabnehmer werden abwechselnd in Abhängigkeit von deren Wärmeanforderungen versorgt. Dabei nimmt die Anlagensteuerung gleichzeitig mit der Umschaltung zwischen zwei Wärmeabnehmern eine Umschaltung zwischen den diesen zugeordneten Zufuhrwegen der Energieträger vor, etwa zwischen mehreren Gasleitungen mit den Wärmeabnehmern zugeordneten Gaszählern.

Kennzeichnend ist dabei, daß

- eine getrennte Energieträgerzufuhr oder -abrechnung,
- eine Umschaltvorrichtung zwischen diesen Zufuhrwegen der Energieträger,
- ein gemeinsamer Abschnitt der Energieträgerzufuhr bis zum gemeinsamen Energiewandler,
- der gemeinsame Energiewandler,
- ein gemeinsamer Abschnitt des Transportwegs eines Energietransportmediums,
- eine Vorrichtung zum Umschalten auf einzelne Wärmeabnehmer und
- die individuellen Wärmeverteilungs- bzw. Wärmeübertragungssysteme der einzelnen Wärmeabnehmer, an die alternierend das Energietransportmedium abgegeben wird, aufeinander folgen. Dabei kann sich die getrennte Energieträgerzufuhr darauf beschränken, daß die einzelnen Wärmeabnehmer jeweils über getrennte Zähleinrichtungen vom selben Lieferanten eines Energieträgers versorgt werden (Anspruch 2).

Anspruch 1 beinhaltet auch die Möglichkeit, daß derselbe Wärmeabnehmer an mehreren Stellen des Wärmeverteilungsnetzes gleichzeitig Wärme entnimmt, wenn entsprechend viele Stellventile für den Wärmeabnehmer vorhanden sind. Anspruch 8 verbindet diese Funktion mit der ohnehin verbreiteten Funktion einer raumluftabhängigen Heizkörperregelung, wobei eine Öffnung der Ventile zur Wärmeabgabe nur dann ermöglicht wird, wenn die dem Wärmeabnehmer zugeordnete Energieträgerzufuhr aktiviert ist.

Das entsprechende Prinzip ist auch bei mehreren Wärmeerzeugern nutzbar, wenn durch geeignete Verschaltung gewährleistet ist, daß ein Wärmeerzeuger zu einem Zeitpunkt nur einen Wärmeabnehmer versorgt und gleichzeitig mit dessen Energieträgerzufuhr bzw. -zähler verbunden ist (Anspruch 3).

Anspruch 9 beschreibt die Möglichkeit, Druckverhältnisse in dem Wärmetransportleitungen zur Informationsübergabe zu den Regelventilen auf Abnehmerseite zu nutzen.

Vorteile und vorteilhafte Ausprägungen

Die Ermittlung des Verbrauchs eines flüssigen oder gasförmigen Energieträgers ist als Volumenmessung weniger anspruchsvoll als die Messung von Wärmeflüssen. Zudem kann sie an zentraler Steile in Nähe des Wärmeerzeugers erfolgen, gegenüber dem Regelfall einer indirekten Messung des Wärmeflusses (Verdunster) an mehreren Wärmeübergabepunkten (Heizkörpern) je Wärmeabnehmer (Haushalt).

Der Betreiber des Wärmeumwandlers (Vermieter oder Wohneigentumsverwaltung) ist nicht mit der Abrechnung der Energieträgerzufuhr befaßt, wenn mittels der einzelnen Zähler für den Energieträger der jeweilige Verbrauch direkt zwischen dem Lieferant des Energieträgers (Gasversorgungsunternehmen) und den Wärmeabnehmern abgerechnet wird. Lediglich die sonstigen Betriebskosten der Anlage (wie Betriebsstrom, Wartung) müssen auf die Wärmeabnehmer umgelegt werden. Hierfür kann gegebenenfalls der von dem Lieferanten des Energieträgers mit dessen Zählern erfaßte Brennstoffverbrauch als Verteilungsmaßstab herangezogen werden.

Insbesondere in Doppelhäusern und kleinen Mehrfamilienhäusern oder Reihenhäusern können die Fixkosten für Vorhaltung und Betrieb mehrfacher Heizungsanlagen eingespart werden, wobei eine direkte Abrechnung mit dem Energielieferanten erfolgt.

Gemäß Teilanspruch 6 ist eine zentrale Einspeisung von Sonnenwärme möglich. Die ohne Brennstoffverbrauch gewonnene Sonnenwärme kann auch ohne Berechnung von Energiekosten weiterverteilt werden.

Abgesehen von der größeren Zahl der Betriebszustände und der gleichzeitig erfolgenden Umschaltung zwischen mehreren Gaszählern unterscheidet sich die benötigte Steuerung wenig von normalen Anlagensteuerungen mit den Betriebszuständen Herz- und Warmwasserbetrieb. Die Gasventile können im einfachsten Fall parallel zu den Heizkreisventilen verschaltet werden.

Da die einzelnen Wärmeabnehmer nur einen Teil der Zeit versorgt werden, muß während einer Versorgungsperiode eine erhöhte Leistung abgegeben werden, was durch einen größeren Wasserdurchfluß erreicht werden kann. Daher ist mit etwas höheren Strömungswiderständen und Pumpenleistungen zu rechnen. Gegebenenfalls kann auch die Vorlauftemperatur etwas erhöht werden. Daher ist diese Lösung besonders für etwa zwei bis vier angeschlossene Haushalte geeignet.

Ein vorteilhafter Nebeneffekt ist die Möglichkeit, ohne Mischer im Heizkreis die Vorlauftemperatur je Wärmeabnehmer individuell zu regeln, womit auch bei mehreren von einem Brenner versorgten Wohneinheiten mit unterschiedlichen Wärmeanforderungen eine raumlufttemperaturabhängige Optimierung der Regelung möglich wird. Möglich ist auch die Versorgung von unterschiedlichen Heizkreisen (z. B. Fußbodenheizung, Radiatoren, Luftheizung) über einen Brenner.

Eine Überlastung des Gasnetzes durch gleichzeitiges Einschalten mehrerer Brenner wird vermieden.

Bei Modernisierung bestehender Zentralheizungen kann bei geeigneten Verhältnissen ein individueller Gasbezug erreicht werden, ohne daß eine Strangsanierung mit Verlegung neuer Rohre erforderlich wäre.

Die Gaszähler können an fast beliebiger Stelle in der Zuleitung angeordnet werden. Die zwischen Zählern bzw. Umschaltpunkt und Energiewandler (Brenner) in den Leitungen vorhandenen Mengen des Energieträgers werden nach Umschaltung auf den nächsten Wärmeabnehmer von diesem genutzt; jedoch gleichen sich solche Volumina bei gleichbleibender Energiedichte des Energieträgers untereinander aus und wirken sich damit nicht auf die Abrechnung aus.

Bei entsprechender Leitungsführung ist auch die zusätzliche Versorgung individueller, den Energieträger nutzender Geräte wie Gasherde und Durchlauferhitzer über dieselben Zähler möglich, über die auch die gemeinsame Heizung anteilig versorgt wird. Dies erfordert ebenso wie Konfigurationen gemäß Anspruch 3 gesonderte Meßeinrichtungen je Abnehmer. Eine einzige Meßeinrichtung mit umschaltbarem Zählwerk bzw. Ablesung des Zählerstands bei Wechsel des Abnehmers und Erfassung auf gesondertem Zählwerk (Anspruch 2) ist dagegen ausreichend, wenn der Energieträger nicht an mehreren Stellen gleichzeitig von unterschiedlichen Abnehmern verbraucht werden kann.

Prinzipiell wäre es bei geeigneter Trennung der Stromkreise und entsprechender Regelung auch möglich, den sonstigen Betriebsstrom der Anlage alternierend von den jeweils versorgten Wärmeabnehmern zu beziehen, um jede Verrechnung von Energiekosten zu vermeiden. Es wäre auch möglich, ausschließlich Heizungspumpen bei den Wärmeabnehmern einzusetzen.

Anspruch 4 beinhaltet die Möglichkeit, bei der zentralen Warmwasserversorgung zwischen getrennten Wasserzählern zu wechseln.

Eine Dienstleistung gemäß Anspruch 5 könnte darauf beruhen, daß die Umwandlungsanlage von dem Erzeuger, Verteiler oder Vertrieb des Energieträgers (z. B. Gasversorgungsunternehmen) oder in dessen Kontrolle betrieben wird. Dieses könnte u. a. einen festen Wärmepreis anbieten, der nach dem Gasverbrauch mit einem Aufschlag für die Betriebskosten ermittelt wird. Hierbei könnte z. B. die Differenz von unterem und oberem Heizwert als Marge genutzt werden. Zusätzlich kann der Gasversorger bei entsprechender Tarifgestaltung von dem Mehrpreis der Versorgung mehrerer kleinerer Gasabnehmer statt eines großen profitieren.

Anspruch 9 ermöglicht den Verzicht auf besondere elektrische Leitungen oder Funkstrecken zur Informationsübergabe in Richtung der Wärmeabnehmer. In Gegenrichtung könnte das gleiche Prinzip genutzt werden. Ein Informationsaustausch ist erforderlich, damit zu jedem Zeitpunkt nur ein Wärmeabnehmer versorgt wird, und die richtige Meßeinrichtung aktiviert ist. Benötigt werden Sensoren zur Druckmessung zwischen Vorlauf und Rücklauf bzw. beiden Seiten eines Ventils und eine programmierte Steuerung in den Verbrauchsventilen der Wärmeabnehmer, beispielsweise an den Heizkörpern.

Grundsätzlich bieten sich die Zustände "kein Druck in der Leitung - Pumpe aus", "normaler Betriebsdruck in der Leitung - ein Ventil geöffnet", "reduzierter Betriebsdruck in der Leitung - mehrere Ventile geöffnet" und "hoher Leitungsdruck - Pumpe an und alle Ventile geschlossen" für die Kommunikation an.

Analog zu der Nutzung von seriellen Bus-Übertragungsleitungen in der Informationstechnik sind auch hier geeignete Protokolle zu entwickeln, die die Reihenfolge und Priorität der Nutzung der Leitungsnetzes und des gemeinsamen Wärmeerzeugers regeln. Bestandteile eines solchen Kommunikationsprotokolls könnten folgende Zustände sein;

- Bei fortdauerndem Wärmebedarf Systemnutzung durch einen Wärmeabnehmer (normaler Betriebsdruck).
- Eine Übergabe an einen anderen Wärmeabnehmer kann eingeleitet werden durch
- a) Deckung des Wärmebedarfs des Abnehmers bzw. dessen Beendigung der Wärmeabnahme nach einer maximal zulässigen Dauer (Ventil schließt, erhöhter Druck in der Leitung).
- b) Freigabeaufforderung durch die dem Wärmeerzeuger zugeordnete zentrale Regeleinrichtung (kurzzeitiger Druckabfall durch Abschalten der Umlaufpumpe) oder
- c) Freigabeaufforderung durch andere Wärmeabnehmer (Druckabfall durch kurzfristiges Öffnen weiterer Ventile).
- Nach b) bzw. c) ebenfalls Freigabe des Systems (Heizkörperventil schließen, Druckanstieg signalisiert anderen Wärmeabnehmern die Freigabe) durch den aktuellen Wärmeabnehmer;
- Übernahme durch den nächsten Wärmeabnehmer in vorgegebener Reihenfolge durch Ventilöffnung.
- Nach Übernahme Bestätigungssignal an die anderen Partner durch kurzzeitiges, mehrmaliges Schließen des Ventils (kurzzeitiger Druckanstieg). Dabei könnten unterschiedlichen Beteiligten unterschiedliche Perioden zwischen zwei derartigen Schließsignalen zugeordnet werden, so daß eine eindeutige Identifikation bzw. Bestätigung möglich ist, welcher Wärmeabnehmer das Wärmeverteilnetz "übernommen" hat. Bei mehreren Heizkörperventilen desselben Wärmeabnehmers könnte dabei eines dieser Ventile die Kommunikation mit der zentralen Regelung und den anderen Wärmeabnehmern übernehmen, während die anderen Ventile desselben Wärmeabnehmers erst nach bestätigter Übernahme des Leitungsnetzes öffnen.
- Für den Fall des gleichzeitigen Zugreifens könnte an dem durch einen anderen Wärmeabnehmer ausgelösten Druckanfall erkannt werden, daß auch dieser einen Systemzugriff anfordert. In solchen Fällen müßte sich gemäß einer vorher festgelegten Priorität der nachrangige Beteiligte abschalten.
- Die Übergabe zusätzlicher Informationen, z. B. Anforderung anderer Vorlauftemperaturen, könnte durch weitere Schließsignale erfolgen; allerdings wird die Komplexität des Kommunikationsprotokolls durch die Systemträgheit und die Beeinträchtigung des Heizbetriebs und der Verbrauchsabrechnung limitiert.

Soweit während der Abwicklung des Kommunikationsprotokolls Wärmemengen zu Energieabnehmern übertragen werden deren Energiezähler nicht aktiviert ist, könnte die Systemregelung durch geeignete Verzögerung von Umschaltzeitpunkten einen Ausgleich herbeiführen.

Ausführungsbeispiel und Erläuterung der Zeichnung

Drei Haushalte (1, 2, 3) als Wärmeabnehmer sind an einen gemeinsamen Gasbrenner (4) angeschlossen.

Die Gaszufuhr erfolgt mittels eines Umschaltventils (5) über getrennte Gaszähler (6) von einer gemeinsamen Gasanschlußleitung (7). Für den Fall eines kurzzeitigen Druckabfalls beim Umschalten der Gaszufuhr ist ein kleiner Ausgleichsbehälter (8) eingebaut.

Die Heizungsregelung (9) versorgt im Betrieb durch Öffnen jeweils eines der Ventile (10, 11, 12) im Heizungskreislauf abwechselnd die einzelnen Haushalte (1, 2, 3), wobei die Regelung auch die für die unterschiedlichen Betriebszustände (Warmwasserbereitung, Heizungsvorlauf) benötigten Vorlauftemperaturen gewährleistet. Gleichzeitig erfolgt mit dem Umschaltventil (5) in der Gaszufuhr die Umschaltung zwischen den Gaszählern (6). Im Beispiel ist Haushalt (1) lediglich mit der Heizung am Heizkreis angeschlossen. Haushalt (2) verfügt über einen Schichtspeicher mit Warmwassererzeugung im Durchlauf prinzip und über eine gesonderte Heizkreispumpe. Haushalt (3) ist mit einem normalen Warmwasserspeicher mit Wärmetauscher ausgestattet.

Links unten dargestellt ist die Möglichkeit der zusätzlichen Einspeisung von solarer Wärme außerhalb der Brennstoffkostenabrechnung (Nebenanspruch 4) mit einer Solaranlage (13).

Claims

1. Verfahren:

1. 1.1 der Regelung und Abrechnung
2. 1.2 für mehrere Wärme- oder Kälteabnehmer
3. 1.3 bei dem ein Wärme- oder Kälteerzeuger so eingesetzt wird, daß
4. 1.4 dessen Wärme- oder Kälteabgabe zwischen den einzelnen Wärme- oder Kälteabnehmern umgeschaltet wird,
5. 1.5 und diese dadurch alternierend mit Wärme oder Kälte versorgt werden,
6. 1.6 wobei gleichzeitig mit dem Wechsel zwischen Wärme- bzw. Kälteabnehmern ein Wechsel zu diesen zugeordneten Zuführungen von Energieträgern stattfindet,
7. 1.7 so daß ohne gesonderte Meßeinrichtungen des Wärme- oder Kälteverbrauchs
8. 1.8 eine Zuordnung des Verbrauchs an Energieträgern zu den Wärme- oder Kälteabnehmern möglich ist.

2. Verfahren:

1. 2.1 der Regelung und Abrechnung gemäß Anspruch 1,
2. 2.2 bei der der Wechsel bei der Zufuhr von Energieträgern darin besteht, daß
3. 2.3 den einzelnen Wärme- oder Kälteabnehmern
4. 2.4 jeweils getrennte Meßeinrichtungen oder getrennte Zähler einer umschaltbaren bzw. automatisch ablesbaren Meßeinrichtung zugeordnet sind,
5. 2.5 die vom selben Lieferanten eines Energieträgers versorgt werden.

3. Verfahren:

1. 3.1 der Regelung und Abrechnung entsprechend Anspruch 1 oder 2,
2. 3.2 jedoch mit mehreren Wärme- oder Kälteerzeugern,
3. 3.3 die gleichzeitig oder einzeln verschiedenen Abnehmern zugeordnet werden.

4. Verfahren:

1. 4.1 der Regelung und Abrechnung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3
2. 4.2 wobei zusätzlich der Verbrauch eines die Wärme transportierenden oder aufnehmenden Mediums
3. 4.3 mit getrennten Meßeinrichtungen oder unterscheidbaren Zählern einer umschaltbaren Meßeinrichtung,
4. 4.4 die sich vor einem gemeinsam genutzten Netzabschnitt befinden
5. 4.5 erfaßt wird.

5. Dienstleistungen:

1. 5.1 der Wärme- oder Kältebereitstellung und -abrechnung
2. 5.2 die auf einem Regelungs- und Abrechnungssystem nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4 beruhen.

6. Verfahren:

1. 6.1 der Regelung und Abrechnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5
2. 6.2 bei dem zusätzlich Solarenergie eingespeist wird,
3. 6.3 wobei eine unterschiedliche Verbrauchserfassung der durch Solarenergie und der durch Umwandlung von Energieträgern gewonnenen Wärme oder Kälte erfolgt.

7. Vorrichtung:

1. 7.1 zur Regelung und/oder Abrechnung
2. 7.2 einer Anlage der Energieumwandlung bzw. Wärme- oder Kälteerzeugung mit den in den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 beschriebenen Merkmalen.

8. Vorrichtung:

1. 8.1 zur Regelung von Heizkörpern, Wärmetauschern oder Abschnitten eines Wärmeverteilnetzes, die wenigstens
2. 8.2 die Raumtemperatur und
3. 8.3 die aktuelle Zuordnung der Energieträgerzufuhr, die von einer Anlagensteuerung gemäß den in Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 beschriebenen Merkmalen übermittelt werden,
4. 8.4 als Führungsgrößen verarbeitet.

9. Vorrichtung:

1. 9.1 die im Zusammenhang mit einem Verfahren der Anlagenregelung gemäß den in Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 beschriebenen Merkmalen
2. 9.2 Wärme- bzw. Kälteabnehmer zu- oder abschaltet, oder entsprechende Schaltvorgänge auslöst,
3. 9.3 wobei die Druckverhältnisse in dem Verteilungsnetz des Wärmeträgermediums dazu genutzt werden,
4. 9.4 den bei den Wärme- bzw. Kälteabnehmern installierten Regeleinrichtungen
5. 9.5 zu signalisieren, ob das Wärme- bzw. Kälteverteilungsnetz momentan genutzt werden kann, oder ob es noch von anderen Wärme- bzw. Kälteabnehmern beansprucht wird.