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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft einen Kamin oder Kaminofen und eine Heizwassernachrüsteinheit
für Kamine oder
Kaminöfen.
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Luftheizungskamine
und Kaminöfen
sind im allgemeinen zu wenig ausgelastet. Der Wärmeanteil des Kaminfeuers,
abhängig
vom Feuerungsraum, geht zu einem großen Teil ungenutzt aus dem
Schornstein. Außerdem
wird der Raum, in dem der Kamin steht, nach mehreren Heizvorgängen ungemütlich überhitzt.
Um trotzdem ein unterhaltendes Kaminfeuer zu betreiben, kann man
bei fast allen Kaminbesitzern beobachten, dass Fenster und Türen übermäßig geöffnet werden,
Wärme geht
verloren.
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Stand
der Technik
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Im
Kaminbau ist es bekannt wasserführende
Heizkassetten in neue Kamine einzusetzen. Derartige Heizkassetten
für einen
Kamin werden bei Hausneubauten in den Kamin integriert. Für Kamine
oder Kaminöfen
sind nachrüstbare
wasserführende
Heizkassetten nicht bekannt
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Üblicherweise
wird nur ein Raum in einem Gebäude
mit den üblichen
Luftheizungskaminen oder Kaminöfen
beheizt und die überwiegende
Zahl der Wohnräume
mit fossilen Brennstoffen wie Öl
und Gas.
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Bekannte,
wasserführenden
Heizkassetten für
Kamine sind teuer. Ihr Einbau ist aufwändig. Der Schornstein muss
einen Abgasrohrdwchmesser von mindestens 180 mm aufweisen. Das bedeutet,
dass der Schornstein größer und
teurer ist. Entsprechend ist die Zahl der Nutzer dieser Heizkassetten
gegenüber
der Zahl der Kaminöfennutzer
gering.
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Es
sind weiterhin kleinere Holzvergaser bekannt. Diese Holzvergaser
werden vielfach zur Heizungsunterstützung eingesetzt. Um ein Verrußen der
Brennräume
zu verhindern, muss die Vorlauftemperatur bei Holzvergasern auf
mindestens 60°C
gehalten werden. Das gleiche gilt für den Einsatz von nassem Holz.
Auch dies führt
zur Verölung
oder übermäßigem Ruß. Aufwendiges
Reinigen ist nötig.
Die Vorlauftemperatur und das Verrußen spielen beim Kaminfeuer
keine Rolle, ein Brennvorgang mit besserem Holz und guter Zuglufteinstellung
setzt alles wieder frei.
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Auch
ist bei Holzvergasern, die in Häusern
als Hauptheizung eingesetzt werden, der Holzverbrauch von mindestens
20 Raummeter pro Jahr sehr hoch. Diese Menge Holz schreckt viele
Hauseigentümer
ab. Sie bevorzugen dann einen normalen Kaminofen. Es wird demzufolge
mehr Holz als notwendig und Wärme,
die über
dem Bedarf liegt, erzeugt.
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Offenbarung
der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gute und kostengünstige Nutzungsmöglichkeit
für die Abwärme von
Kaminen und Kaminöfen
zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe mit einem Kamin oder Kaminofen gelöst durch eine Heizwassernachrüsteinheit
mit einem von einem in dem Kamin oder Kaminofen anfachbaren Kaminfeuer
beaufschlagten, wasserdurchflossenen Wärmeübertrager, der mit einem Heizungssystem
für Gebäude verbunden
ist.
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Eine
solche Heizwassernachrüsteinheit
kann mit geringen Mitteln einen bereits vorhandenen Kamin oder Kaminofen
effektiv an einen vorhandenen Heizwasserkreislauf anbinden. Durch
die Erfindung werden fossile Brennstoffe wie Öl und Gas im erheblichen Maß eingespart
und die freiwerdende Wärmeenergie
bei der Holzfeuerung besser ausgenutzt. Die Heizwassernachrüsteinheit
ist besonders einfach und langlebig. Der Primärofen, ein zum Beispiel ein Ölkessel
mit 24 KW fährt
den Heizkreislauf hoch. Anschließend wird die Temperatur durch
den nachgerüsteten
Kaminofen gehalten, ohne dass der Ölkessel wieder zuschaltet und
Heizöl verbraucht.
Der nachgerüstete
Kaminofen arbeitet bei zum Beispiel 7 KW bei normaler Beschickung,
in der Größenordnung
von zwei bis drei 20 L Eimer mit Stückholz pro Tag. Der Holzverbrauch
im Jahr liegt zwischen 6 und 8 Raummeter.
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Mit
der Erfindung können
alle gängigen
und bereits vorhandenen Luftheizungskamine und Kaminöfen besser
ausgenutzt werden. Die Heizungsunterstützung kann mit relativ geringem
Aufwand in den wasserführenden
Heizkreislauf eingebunden werden.
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Vorzugsweise
erfolgt die Wärmeabnahme
aus dem Kaminfeuer durch zwei Rohrspiralen, in denen das Heizungswasser
der Heizungsanlagen mit großer
Fließgeschwindigkeit
durchgeleitet wird.
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Eine
Rohrspirale bestehend aus Kupfer mit rechteckigem Querschnitt wird
vorzugsweise direkt um das Stahlabgasrohr gelegt und dient zur Vorwärmeabnahme.
Eine zweite Rohrspirale wird genau entsprechend den Abmaßen des
Feuerungsraumes gewickelt und um das „Kaminfeuer" herum eingebaut.
Hier erfolgt die Hauptwärmeabnahme.
Der untere Teil der Rohrspirale ist dabei zwischen Feuerrost und
Aschekasten gelegt. Dort herrschen die höchsten Temperaturen. Umgekehrt
wird durch die Anordnung dem Aschekasten Energie entzogen.
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Statt
einer Rohrspirale kann auch eine Rohrschleife aus dem gleichen Material
verwendet werden. Dies ist besonders dann sinnvoll, wenn die Abmaße des Feuerungsraums
eines Kamins oder Kaminofens die Bauart einer Rohrspirale nicht
zulassen. Dann wird dem Kaminfeuer lediglich an drei Seiten (im
Gegensatz zu vier Seiten bei der Rohrspirale) entzogen.
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Die
Spirale kann mit einem Absperrmantel aus Stahlblech, einzelnen Schutzrohren
unter dem Feuerrost und einer Hülle
aus Tongranulat vor der Flamme geschützt werden. Beide Spiralen
werden in Reihe miteinander verbunden und die Zu- und Ablaufleitung
dieses Verbundes wird parallel in den Heizkreislauf am Warmwasserspeicher
eingebunden.
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Die
Sicherheitselemente der vorhandenen Heizungsanlage können mitgenutzt
werden. Dabei ist die Durchlaufgeschwindigkeit der Umwälzpumpe
des bereits vorhandenen Heizungssystems auf Stufe „mittel" bis „hoch" einzustellen.
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Ein
im Zulauf eingebauter Durchflusswächter soll Störungen im
Strömungskreislauf
optisch und akustisch anzeigen.
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Die
Heizwassernachrüsteinheit
kann mit Bau- und Strömungsformen
der Spiralen, die auch mit Stahlblech oder Nirosterblech nachbaubar
sein. Der Arbeitsaufwand wäre
erheblich größer. Dies
könnte
z. B. bei Materialengpässen
(Kupferrohr) der Fall sein.
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Kurze
Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
einen Kaminofen mit Heizwassernachrüsteinheit.
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2 ist
ein vertikaler, erster Querschnitt durch den Feuerraum.
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3 ist
ein vertikaler, zweiter Querschnitt durch den Feuerraum.
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4 zeigt
eine Rohrspirale für
den Feuerraum nach dem Biegen.
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5 zeigt
eine Rohrschleife für
den Feuerraum nach dem Biegen
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6 ist
eine Übersicht
des Heizungssystems, in das der Kaminofen mit eingebauter Heizwassernachrüsteinheit
als Sekundärheizung
eingebunden ist.
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7 ist
eine Übersicht
des Heizungssystems, in das der Kaminofen mit eingebauter Heizwassernachrüsteinheit
als Primärheizung
eingebunden ist.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
ein allgemein mit 10 bezeichneter Kaminofen handelsüblicher
Bauart dargestellt. An diesem Kaminofen wurde keine bauliche Veränderung
vorgenommen. Statt eines Kaminofens kann auch ein herkömmlicher
Kamin verwendet werden. Entsprechend werden die Sicherheitsstandards
der Hersteller nicht verändert.
Ein derartiges Sicherheitsdetail ist die Scharmottauskleidung 12 (2 und 3).
Die Scharmottauskleidung verhindert ein Überhitzen.
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Eine
erste Spirale 14 wird um ein aus dem Kamin 16 kommendes
stählernes
Abgasrohr 18 gelegt. Die Spirale 14 dient zur
Vorwärmeableitung.
Die Spirale 14 besteht wegen der guten Wärmeleitung
aus Kupferrohr. Das Kupferrohr hat einen runden Querschnitt. In
einem alternativen Ausführungsbeispiel
(nicht dargestellt) wird ein Kupferrohr mit rechteckigem Querschnitt
und einem Durchmesser von 10 cm verwendet. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird eine erhöhte
Wärmeübertragung
erreicht. Das dargestellte Kupferrohr mit rundem Querschnitt ist
in jedem Baumarkt erhältlich.
Das Kupferrohr wird nach der Aufwicklung um das Abgasrohr 18 mit
mehreren Lagen Aluminiumfolie 20 eingepackt. Dadurch wird
eine bessere Wärmestauwirkung
im Kupferrohr erreicht. Darauf aufbauend wird ein Schutzrohr 22 aus
Stahlblech gesetzt, welches im Abstand von ca. 2 cm im Umfang der
eingepackten Spirale 14 absteht. Der so entstandene Zwischenraum 24 ist
je nach Wärmebedarf
abhängig
von der Größe des Aufstellungsraumes
mit Steinwolle isoliert oder bleibt mit dem 2 cm Luftspalt bestehen.
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Eine
zweite Rohrspirale 26 dient zur Hauptwärmeableitung und wird direkt
als Umhüllung
des Kaminfeuers in den Feuerungsraum 28 eingesetzt. Die
Spirale 26 besteht ebenfalls aus Kupferrohr. Zum Biegen
des Kupferrohrs wird eine Hilfsvorrichtung verwende. Die Hilfsvorrichtung
wurde den den Abmaßen
des Feuerungsraumes angepasst. Um diese Hilfsvorrichtung wird das
Kupferrohr vor dem Einsetzen zu einer Rohrspirale gebogen. Dies
ist in 4 dargestellt.
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In 5 ist
ein alternatives Ausführungsbeispiel
für einen
Wärmeübertrager 70 dargestellt.
Der Wärmeübertrager 70 ist
aus einer Rohrschleife gebildet, die sich über drei Seiten des Feuerungsraums
erstreckt. Das Rohr erstreckt sich entlang der drei Seiten und anschließend schlaufenförmig wieder
in entgegengesetzter Richtung. Auf diese Weise wird ein besonders
guter Wärmeübergang
auch bei kompakten Feuerungsräumen gewährleistet.
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Im
Feuerungsraum wird dem Kaminfeuer an vier Seiten 30, 32, 34 und 36 Wärme entzogen
(2 und 3). Eine dieser Seiten umfasst
insbesondere die Unterseite 36, die dem Aschekasten 38 zugewandt ist.
Um die Wärmeübertragung
weiter zu erhöhen
wird die hintere Kaminseite 40 zusätzlich mit einer 0,5 cm Dicken
Astbestersatzplatte 42 isoliert. Die Asbestersatzplatte 42 wird
hinter der Scharmottsperre 44 und der Stahlwandung 46 des
Feuerraumes 28 eingesetzt.
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Die
Spiralen 14 und 26 werden in Reihe hintereinander
in den Heizungskreislauf eingebunden. Dies ist in 6 dargestellt.
Der Heizungsvorlauf 48 mündet am oberen Teil 50 der
Abgasrohrspirale 14 und der Auslauf 52 am hinteren
Ende der Feuerraumspirale. Das Zuleit- und das Rücklaufrohr 54 kann
durch eine mit Steinwolle isolierte Fußbodenleiste zum Warmwasserspeicher 56 der
Heizungsanlage 58 geführt
werden.
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Das
Heizungswasser läuft
vorzugsweise mit hoher Geschwindigkeit durch die Spiralen 14 und 26.
Zu diesem Zweck wird die vorhandene Umwälzpumpe 60 der Heizungsanlage 58 auf
Stufe 2 oder 3 gestellt.
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Auch
werden die im Heizungskreislauf der Heizungsanlage vorhandenen Sicherheitseinheiten
mit genutzt.
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Das
Ausdehnungsvolumen in den Spiralen 14 und 26 ist
nicht sehr groß.
Es wird durch das Ausdehnungsgefäß 62 mit
erfasst. Ein Sicherheitsventil 64 und ein Schnellentlüftungsventil 65 übernehmen
wie üblich die
Funktion bei einem erhöhten Überdruck.
Als zusätzliches
Sicherungselement wird eine thermische Ablaufsicherung 67 mit
der Öffnungseinheit
im Rücklauf 54 installiert.
Bei Strömungsstillstand,
hervorgerufen durch Pumpenausfall oder geschlossenes Ventil wird
ein Überheizen
in der Weise verhindert, dass bei Erreichen einer Temperatur von
95°C Kaltwasser 73 über ein
Rückschlagventil 75 einströmt. Eine
thermische Signalsonde 69 wird dazu in die Rohrverbindung
zwischen den Rohrspiralen 14 und 26 in einer isolierten
Metalltasche eingebaut. An dieser Stelle steigt die Temperatur bei
Strömungsstillstand
am schnellsten.
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Falls
erforderlich kann als weitere Sicherung ein Durchflusswächter 66 mit
elektrisch gesteuertem Magnetventil 71 eingebaut werden.
Der Durchflusswächter 66 warnt
den Nutzer bei Strömungsstillstand.
Die Warnung erfolgt sowohl akustisch als auch optisch. Die Baugruppe
gewährleistet
automatisch bei Strömungsstillstand
ein Durchfließen
von Kaltwasser. Gleichzeitig wird ein akustisches Signal zur Störungsanzeige
für den Betreiber
erzeugt.
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Die
Kupferrohre haben eine doppelt so hohe Schmelztemperatur wie sie
im Feuerungsraum 28 bei Holzfeuer erzeugt wird. Feuerraumtemperatur
ca. 350°C,
Schmelztemperatur Kupfer über
1.000°C.
Wenn ständig
Wasser strömt,
liegt die Temperatur der Rohre auch im Extremfall nie über 90°C.
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Aus
Sicherheitsgründen
wird zusätzlich
ein Absperrmantel 44, bestehend aus 4 mm Stahlblech zwischen
Flamme und Rohrspirale 26 eingebaut. Die Rohre der Spirale 26 werden
dahinter in Quarzsand und im oberen Bereich mit Tongranulat umschüttet.
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In 7 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird das Ausführungsbeispiel
nach 6 insoweit geändert,
als der Kamin nun auch als Primärheizung
dient. Im Ausführungsbeispiel
nach 6 fließt
das im Kamin erwärmte
Wasser dem Heißwasserspeicher 56 und
einer zusätzlichen
Heizung, zum Beispiel einer Gasfeuerungsanlage 78 zu. Dies
ist mit 76 und 80 bezeichnet (6).
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Im
Ausführungsbeispiel
nach 7 ist keine zusätzliche Heizung vorgesehen.
Das Warmwasser beaufschlagt sowohl die Heizkörper 82 als auch den
Warmwasserspeicher 56.
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Messergebnisse
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Bei
dem durchgeführten
Versuch wurde ein Stahlkaminofen mit der Bauart einer Rohrschleife
zur Hauptwärmeableitung
aus dem Feuerungsraum eingesetzt.
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Um
die Wirtschaftlichkeit der Heizwassernachrüsteinheit nachzuweisen, wurden
folgende Messungen durchgeführt:
Die
Hauptheizung der Ölkessel
wurde abgeschaltet und die Heizwassertemperatur auf 18°C gesenkt.
Das Heizungswasservolumen aus der Speichereinheit 56 und
dem Kesselbehälter
beträgt
250 Liter Wasser. Ein Raumvolumen der Rohrspiralen (0,40 L) wurde
nicht mit berücksichtigt
ebenso der Stromverbrauch der Umwälzpumpe (bei 3,5 h Versuchsdauer
gleich 0,28 KW/h) beide Werte heben sich miteinander in etwa auf.
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Die
Messung wurde einmal ohne Spiralen 14 zur Vorwärmeabgabe
und das zweite Mal mit Vorwärmeabgabe
durchgeführt
wurden. Der Kaminofen 10 wurde als alleinige Heizquelle
eingesetzt und die Umwälzpumpe 60 hauptsächlich auf
die höchste
Stufe eingeschaltet.
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Die
Messdaten sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt
Testreihe:
Heizwassernachrüsteinrichtung
im Stahlkaminofen
10, vorgegebene Leistung 7 KW 1.
Versuch:
2.
Versuch:
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Ergebnis:
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Aus
dem 1. Versuch ergibt sich folgende Wärmenutzung:
Mit 1,5 Eimern
von je 20 Liter Stückholzinhalt
werden 250 Liter Wasser in dreieinhalb Stunden auf 60°C erhitzt.
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Aus
dem 2 Versuch ergibt sich:
Mit 1,2 Eimern von je 20 Liter Stückholzinhalt
werden 250 Liter Wasser in derselben Zeiteinheit auf 70°C erhitzt.
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Mit
der Vorwärmeabnahme
wird ein deutlich besserer Wirkungsgrad erzielt, die erreichte Wassertemperatur
liegt in derselben Zeiteinheit um 10°C höher und der Verbrauch an Brennholz
ist geringer.
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Bemerkungen:
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Die
Zu- und Rücklaufrohre
zum Heizkessel waren bei beiden Versuchennoch nicht wärmeisoliert
- zVL – zusätzlich volle
Luftzufuhr am Kamin durch geöffnete
Tür des
Aschekastens
- VL – volle
Luftzufuhr durch normale Einstellung zum Kamin
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Ermittlung des Eurowertes
der Stückholzverbrennung:
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Bei
der Ermittlung wird von den Werten im 2. Versuch ausgegangen, da
hier der Heizwassernachrüstsatz
komplett mit Vor- und Hauptwärmeabnahmespirale
eingesetzt wurde.
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Ausgangswerte
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Ermittlung des Holzgewichtes
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Überprüfung lt.
Berechnung
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Im
Kaminofen wurde Mischholz mit einer Rohdichte von 0,50 kg/dm3 verbrannt.
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Daraus
lässt sich
ableiten, dass ein Raummeter Mischholz ein Gewicht von 500 kg aufweist.
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Gegenwärtig wird
ein Raummeter dieses Holzes mit 30 EUR zum kauf angeboten. (Quelle:
Tagespresse; Hinweis; Beim Förster
bekommt man einen Raummeter für
10 EUR.)
Berechnung
Eurowert: | Ew
= 12 kg (Holzverbrauch)·30
EUR/500 kg (ein Raummeter) |
(mit
einfachem Dreisatz) | = 0,72 EUR |
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Der
Eurowert für
das Aufheizen von 250 L Wasser von 18°C auf 60°C (Temp. Speicher) mit Holz
liegt bei 0,72 EUR.
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Vergleichsmessung mit
dem Ölkessel
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Ermittlung des Eurowertes
durch Heizölverbrennung:
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Bei
der Messung mit dem Ölkessel
wurde der Kaminofen vom Heizkreislauf über Absperrventile getrennt.
Denn es musste verhindert werden, dass die Heizwärme des Ölkessels über die Spiralen des Kaminofens
entweicht. Das zu erhitzende Wasservolumen aus Warmwasserspeicher
und Kesselbehälter
liegt wie in den anderen Versuchen bei 250 Liter Wasser.
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Ausgangswerte
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Die
Anfangstemperatur war, wie in den Vorversuchen, ebenfalls bei 18°C.
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Gemessen
wurde die Kessellaufzeit, abzulesen an der Messuhr im Armaturenbrett
des Ölheizkessels in
h.
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Dieser
Wert betrug zu Beginn der Messung: 5866,37 h
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Nach
erreichen einer Temperatur von 60°C
im Warmwasserspeicher wurde wieder
gemessen,
der Wert lag jetzt bei: | 5867,39 h |
Als
Differenz daraus ergibt sich: | 1,02
h |
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Der
Umrechnungsfaktor konnte aus mehreren Verbrauchsmessungen am Ölkessel
für einen
Liter Heizöl
ermittelt werden und liegt bei 1 L entspr = 0,33 h
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Der
Heizölverbrauch
liegt dementsprechend bei 3 L (= 1L·1,02 h/0,33h).
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Der
Tagespreis für
einen Liter Heizöl
beträgt
0,61 EUR (Quelle: Tankstelle Dabendorf).
Berechnung
Eurowert: | Ew
= 1,02 h/0,33 h·0,61
EUR |
| = 1.89 EUR |
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Der
Eurowert für
das Aufheizen von 250 L Wasser von 18°C auf 60°C (Temp. Speicher) mit Heizöl liegt bei
1,89 EUR.
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Auswertung:
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In
diesem Versuch wurde deutlich, dass das Heizen mit Heizöl mehr als
doppelt so teuer ist, wie das Heizen mit Holz. Mit dem Kaminofen
wurden 12 kg Mischholz verbraucht, der Ölheizkessel dagegen verbrauchte
3 L Heizöl.
Des Weiteren muss beachtet werden, dass der Kaminofen mit eingebauter
Nachrüsteinheit
Wärmeenergie
in den Aufstellungsraum (z. B. Wohnstube oder Arbeitszimmer) abgibt,
während
der Ölheizkessel
im Heizraum steht.
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Bei
einer Wärmeabgabe
von ca. 60 % an das Heizwasser und 40 % an den Rauminhalt ergibt
sich für die
Heizwassererwärmung:
ca. 2 kg Holz ersetzen 1 Liter Heizöl. Im Ergebnis wird deutlich,
dass das Aufheizen von Wasser im Kaminofen mit der Heizwassernachrüsteinheit
bei der Heizungsunterstützung
zu erheblichen Einsparungen beim Heizölverbrauch führt. Ähnliches
würde sich
in etwa auch bei Gasheizungsanlagen ergeben. Der reine Materialpreis
für die
Herstellung der Nachrüsteinheit
liegt bei etwa 200 EUR, mit Einbau ergeben sich in Summe ca. 450
EUR. Das heißt,
die Heizwassernachrüsteinheit
würde sich
bei dem heutigen Ölpreis
zur Heizungsunterstützung
bereits im 1. Jahr amortisieren.