DE102006028040A1

DE102006028040A1 - Heizanlage

Info

Publication number: DE102006028040A1
Application number: DE102006028040A
Authority: DE
Inventors: Axel Triestram; Michael Schaumlöffel; Lutz Grünig
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2006-06-14
Filing date: 2006-06-14
Publication date: 2007-12-27

Abstract

Ein Warmwasserspeicher einer Heizanlage ist mit einem ersten Wärmetauscher ausgestattet, der mit einer Wärmepumpe wärmetechnisch verbunden ist. Weiterhin ist ein Durchlauferhitzer und eine Mischeinrichtung vorgesehen. Der Durchlauferhitzer dient zur Erwärmung von Flüssigkeit in einem ersten Kreislauf. Mit der Mischeinheit wird eine gewünschte Ausgangstemperatur am Ende einer Warmwasserbereitung erreicht. Mit einem entsprechenden Verfahren zum Steuern einer Heizanlage mit einem Warmwasserspeicher wird das im Warmwasserspeicher befindliche Wasser zunächst über den Wärmetauscher erwärmt, wobei die dem Wärmetauscher zugeführte Wärme durch die Wärmepumpe und/oder durch den Durchlauferhitzer erzeugt wird, wobei der Durchlauferhitzer als Hilfswärmequelle dient.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizanlage.
Sowohl im Wohnungsmarkt als auch bei gewerblich genutzten Gebäuden ist eine effiziente und energiesparende Heizung, Brauchwasserzubereitung, Kühlung sowie Lüftung insbesondere im Hinblick auf die steigenden Energiekosten gewünscht.
DE 10 2005 003 455 A1 zeigt ein Speicherwasserheizgerät mit einer Wärmepumpe als Hauptwärmequelle, einem Speicher zum Speichern von Heißwasser in einem oberen Abschnitt und Kaltwasser in einem unteren Abschnitt. Ferner weist das Heizgerät eine Hilfsheizeinheit als ergänzende Wärmequelle auf, welche Kaltwasser erwärmt. Ferner weist das Heizgerät eine Steuereinheit auf, welche die Wärmepumpe während vorbestimmten Zeitperioden zum Heizen und zum Speichern des Heizwassers in dem Speicher steuert, wobei die Hilfsheizeinheit gesteuert wird, um ergänzend Heißwasser vorzusehen.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine energiesparende Heizanlage vorzusehen.
Diese Aufgabe wird durch die Heizanlage gemäß Anspruch 1 gelöst.
Weitere Aspekte der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die Ausführungsbeispiele und Vorteile der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Heizanlage gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Heizanlage gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Heizanlage gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Heizanlage gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Heizanlage gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Hier ist insbesondere ein System dargestellt, bei dem der Warmwasserspeicher durch einen Wasserumlauf und durch einen Wärmetauscher aufgeladen werden kann. Das Heizsystem weist einen Kaltwasserzulauf KW, einen Warmwasserspeicher 5, eine Wärmepumpe 1, einen Wärmetauscher 3, eine Pumpe 9, ein Mischventil 6 sowie einen Durchlauferhitzer 2 auf. Der Wärmetauscher 3 wird über die Wärmepumpe 1 mit Wärme versorgt und gibt diese Wärme an einen Warmwasserumlauf ab, wenn die Pumpe 9 aktiviert wird, so erfolgt ein Warmwasserumlauf WW. Vorzugsweise wird in der Nähe der Pumpe 9 ein Temperatursensor 11 im Umlaufkreis angeordnet. Zusätzlich oder alternativ dazu kann ein weiterer Temperatursensor in dem Speicher 5 angeordnet werden, um die zugeführte Warmwassertemperatur zu bestimmen. Ferner kann ein weiterer Temperatursensor 12 in dem Warmwasserumlauf WW hinter dem Durchlauferhitzer 2 angeordnet sein.
Die beiden Temperatursensoren 11, 12, die Pumpe 9 sowie das Mischventil 6 können jeweils mit einer Steuereinheit 13 gekoppelt sein, welche dazu ausgestaltet ist, das Mischventil 6, die Pumpe 9 und die Wärmepumpe 1 entsprechend der erfassten Temperaturen der Temperatursensoren 11, 12 zu steuern. Insbesondere kann mittels der durch den Temperatursensor 12 erfassten Temperatur hinter dem Durchlauferhitzer 2 die Temperatur an dem Zapfhahn mittels der Steuereinheit 13 exakt eingestellt werden.
Das Mischventil 6 ist dabei derart mit dem Warmwasserspeicher 5 und dem Warmwasserkreislauf WW verbunden, dass es in einer ersten Betriebsart auf Durchlauf zwischen dem Wärmetauscher 3 und dem Speicher 5 geschaltet werden kann, so dass das Wasser in dem Speicher 5 erhitzt werden kann.
Während eines Zapfbetriebes wird das Mischventil 6 derart eingestellt, dass das Wasser von dem Wärmetauscher 3 und Warmwasser aus dem Speicher 5 zu einer Mischwassermenge vermischt wird. Vorzugsweise wird das Mischventil 6 derart eingestellt, dass eine gewünschte Temperatur, welche beispielsweise zum Duschen benötigt wird, beispielsweise durch Aktivierung der verfügbaren Heizleistung des Durchlauferhitzer 2 (d. h. eine zusätzliche Erwärmung des Warmwassers, welches aus dem Mischventil 6 strömt) am Ausgang der Warmwasserleitung WW erreicht wird.
Die Wärmepumpe 1 kann beispielsweise mit einer Aufnahmeleistung von 0,6 kW vorgesehen sein und kann damit eine Heizleistung von ca. 1,5 kW erzeugen. Hierzu kann noch die Heizleistung des Durchlauferhitzer 2 hinzu addiert werden.
Während eines Zapfbetriebes kann die Steuerungseinrichtung 13 erkennen, dass ein Nutzer für eine längere Zeit Wasser zapft. Dies kann beispielsweise dann erfolgen, wenn länger als ca. 15 Sekunden Warmwasser gezapft wird, was somit über ein übliches Händewaschen hinausgeht. Die Zapferkennung kann zusätzlich oder alternativ dazu über einen Durchflusssensor (beispielsweise ein Flügelradsensor) erfolgen, welcher in oder an der Warmwasserleitung WW angeordnet ist. Alternativ dazu kann eine Zapferkennung auch über die Temperatursensoren erfolgen, indem diese einen Temperaturgradienten ermitteln. Wenn ein starker Temperaturgradient erfasst wird, kann ein Zapfbeginn oder ein Zapfende vorhanden sein. Wenn die Temperatur an dem Temperatursensor jedoch einen starken Gradienten aufweist, kann davon ausgegangen werden, dass Kaltwasser zu dem Temperatursensor gelangt ist.
Zum Zapfen kann beispielsweise ein Zapfhahn 14 in der Warmwasserleitung WW geöffnet werden. Entsprechend der am Zapfhahn eingestellten Temperatur wird Kaltwasser sowie Wasser aus dem Speicher 5 am Mischventil 6 entsprechend gemischt. Das Kaltwasser kann über eine Kaltwasserleitung KW durch den Wärmetauscher 3 erwärmt werden, wenn die Wärmepumpe 1 eingeschaltet ist. Dieses erwärmte Wasser sowie das Warmwasser aus dem Speicher 5 wird in dem Mischventil 6 derart gemischt, dass die erforderliche Temperatur an der Zapfstelle erreicht werden kann. Vorzugsweise wird das Mischventil 6 über die Steuereinheit 13 gesteuert, welche die von den Temperatursensoren 11, 12 erfassten Temperaturen als Eingangswerte aufweist.
Wenn beispielsweise eine Duschtemperatur von 37° C an dem Zapfhahn eingestellt wird und das Kaltwasser lediglich eine Temperatur von 14° C und das Wasser in dem Warmwasserspeicher 5 eine Temperatur von 55° C aufweist, dann kann ein Mischungsverhältnis von X:Y eingestellt werden. Wenn nun die Steuereinrichtung 13 – wie vorstehend erläutert – erkennt, dass eine größere Menge Warmwasser benötigt wird, beispielsweise weil geduscht wird und somit länger gezapft werden soll, reduziert die Steuereinrichtung 13 die Entnahmemenge von Warmwasser aus dem Speicher 5 und aktiviert den Durchlauferhitzer 2 und/oder die Wärmepumpe 1. Die aus dem Speicher 5 gezapfte Warmwassermenge wird soweit wie möglich reduziert, indem die volle Heizleistung des Durchlauferhitzers und/oder der Wärmepumpe ausgenutzt wird, um einen Volumenstrom aus dem Warmwasserspeicher 5 von a l/min auf b l/min zu reduzieren. Somit steigt die tatsächlich verfügbare Warmwassermenge auf das z-fache an.
Gemäß einer weiteren Betriebsart kann entweder der Durchlauferhitzer oder die Wärmepumpe zugeschaltet werden, um die Warmwasserbereitung zu unterstützen. Alternativ bzw. zusätzlich dazu wird zunächst die Wärmpumpe eingeschaltet, während der Durchlauferhitzer ausgeschaltet bleibt. Dies erfolgt, um die vorhandene Wärmeenergie auf effiziente Art und Weise vorzusehen. Alternativ dazu kann auch zunächst erst der Durchlauferhitzer eingeschaltet werden, um die Wärmepumpe zu schonen. Ferner können beide Wärmeerzeuger, d. h. so wohl die Wärmepumpe als auch der Durchlauferhitzer, gleichzeitig eingeschaltet werden.
Die Pumpe 9 ist während des Zapfbetriebes ausgeschaltet und wird nur dann aktiviert, wenn ein Wasserdurchlauf gewünscht ist. Somit ist ein Umschichten des sich in dem Speicher 5 befindlichen Wassers nicht vorgesehen.
Der Brauchwasserspeicher 5 kann beispielsweise zwischen 50 und 80 l aufweisen. Das sich in dem Speicher 5 befindliche Wasser wird über die Wärmepumpe 1 und den Wärmetauscher 3 auf ein vertretbares Temperaturniveau von beispielsweise 50 bis 55° C aufgeheizt. Wenn große Wassermengen beispielsweise zum Befüllen einer Badewanne oder für mehrfaches Duschen benötigt werden, wird das Warmwasser (55° C) aus dem Speicher 5 mit Kaltwasser aus der Kaltwasserleitung KW in dem Mischventil 6 gemischt. Die Beimischung aus Warmwasser und Kaltwasser erfolgt dabei derart, dass ein Durchlauferhitzer 2 mit beispielsweise 6 KW noch dazu in der Lage ist, das Warmwasser in der Warmwasserleitung WW weiter zu erwärmen, um eine entsprechend gewünschte Temperatur zum Duschen bzw. Baden (beispielsweise 40° C) bereitzustellen. Somit kann das effektive Brauchwasservolumen virtuell von 80 l auf ca. die doppelte Menge angehoben werden.
Die Heizanlage gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel stellt vorzugsweise eine kompakte (Luft/Wasser/Sole) Heizungs- und Brauchwasserwärmepumpe oder lediglich eine Brauchwasserwärmepumpe dar. Mit der Heizanlage gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird eine wesentliche Verkleinerung des Brauchwasserspeichers auf beispielsweise ca. 50 Liter ermöglicht, ohne dabei die zapfbare Wassermenge wesentlich reduzieren zu müssen. Somit kann eine kleine Anlage, welche vorzugsweise als eine wandhängende Therme ausgestaltet sein kann, vorgesehen werden.
Beim Zapfen des Brauchwassers wird mittels der Wärmepumpe ein hoher Umweltenergieanteil bei der Erwärmung des Wassers genutzt. Um einen ausreichenden Komfort sicherzustellen, wird zusätzlich ein Durchlauferhitzer vorgese hen, welcher jedoch lediglich einen kleinen Energieanteil zuführt und beispielsweise während Spitzenzeiten aktiviert wird.
Wenn die gewünschte Ausgangswassertemperatur zwischen 38 und 42°C beträgt, dann wird kaltes Wasser (ca. 10 bis 14°C) durch die Kaltwasserleitung KW durch die Wärmepumpe und den Wärmetauscher auf ca. 20° C erhitzt. Die 50 Liter Wasser in dem Speicher 5 können vorab mittels der Wärmepumpe 1 auf eine Temperatur von 50 bis 55°C erhitzt werden. Dieses Wasser wird durch einen Zapfvorgang angefordert und fließt zum Mischer 6 und wird dort mit dem 20°C warmen Wasser von dem Wärmetauscher zugemischt, so dass die Ausgangstemperatur ca. 33°C beträgt. Das 33°C warme Wasser fließt dann anschließend durch den Durchlauferhitzer 2 (2 bis 4 kW Leistung) und wird auf die gewünschte Benutzertemperatur von 38 bis 42°C erhöht.
Folglich kann die zur Verfügung stehende Wassermenge bei 38°C auf ca. 155 Liter erhöht werden, obwohl die Heizanlage lediglich einen kleinen Warmwasserspeicher von 50 Litern aufweist. Somit kann eine Gesamtanlage mit einer geringen Abmessung bei einem hohen Nutzungsgrad von Umweltenergie und durch eine ständige Nutzung eines Durchlauferhitzers mit kleiner Leistung ermöglicht werden. Die oben beschriebene Heizanlage gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel kann einphasig realisiert werden. Hiermit ist insbesondere ein komfortabler Betrieb der Heizanlage mit einem einphasigen elektrischen Anschluss möglich. Mit mehrphasigen Anschlüssen kann die Heizleistung verbessert werden, wodurch zum Beispiel die Dauer der Aufheizung des Brauchwasserspeichers verkürzt wird und/oder ein gleichzeitiger Heizbetrieb erfolgt.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Heizanlage gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Anlage weist eine Kaltwasserzuleitung KW, einen Speicher 5 für Warmwasser und eine Warmwasserleitung WW auf. Eine Wärmepumpe 1 ist über eine Pumpe 9 mit einem Wärmetauscher 5a in dem Speicher 5 gekoppelt. In diesem Kreis kann ein Durchlauferhitzer 2a und ein Wärmetauscher 3a angeordnet sein. Vor der Pumpe 9 kann ein Bypass 16 und ein Mischventil 18 angeordnet sein. Der Durchlauferhitzer 2a dient dazu, die Wärmepumpenleistung zu unterstützen bzw. ergänzen und das Wasser in diesem Kreislauf weiter zu erwärmen.
Parallel zu dem Wärmetauscher 3a kann ein Bypass 15 mit einem Ventil 19 vorgesehen sein, so dass der Wärmetauscher 3a umgangen werden kann.
Während eines Aufheizbetriebes zum Aufheizen des Wassers in dem Speicher 5 ist aus energetischen Gründen vorzugsweise lediglich die Wärmepumpe 1 in Betrieb. Zusätzlich dazu kann der Durchlauferhitzer 2a aktiviert werden, um den Betrieb der Wärmepumpe 1 zu unterstützen, insbesondere wenn höhere Temperaturen oder eine schnellere Aufheizung benötigt werden.
Ferner ist ein Heizkreis 4 mit einer Pumpe 10 vorgesehen, welcher parallel zu dem Wärmetauscher 5a in dem Speicher angeordnet ist. Der Durchlauferhitzer 2a kann beispielsweise dann eingeschaltet werden, wenn eine Brauchwasserzubereitung und gleichzeitig eine Raumbeheizung erfolgen soll. Hierzu ist ein Bypass 17 mit einem Ventil 8b vorgesehen. Wenn lediglich Kaltwasser gezapft werden soll, kann trotzdem eine Beheizung des Heizkreises 4 erfolgen. Der Bypass 17 kann ferner dazu verwendet werden, um an dem Wärmetauscher 5a vorbei einen Teilvolumenstrom zu leiten.
Während eines Zapfbetriebes wird ein Zapfhahn bzw. ein Ventil 14 geöffnet. In der Warmwasserleitung WW und Kaltwasserleitung KW strömt Wasser sowohl über den Wärmetauscher und/oder teilweise über den Bypass sowie das Mischventil 6 zu dem Zapfhahn. Zur gleichen Zeit strömt Kaltwasser unten in den Speicher 5 ein. Warmwasser hingegen strömt aus dem Speicher 5 nach oben aus und vermischt sich mit dem Kaltwasser im bereich des Mischventils 6 zu einer vorgegebenen bzw. eingestellten Temperatur und kann aus der Warmwasserleitung gezapft werden.
Wenn ein vorgegebenes Zapfintervall wie beispielsweise 15 Sekunden überschritten wird, dann kann zunächst die Wärmepumpe 1 hinzugeschaltet werden und das Kaltwasser wird über den Wärmetauscher 5a vorgewärmt. Dies ist vor teilhaft, da die aus dem Speicher entnommene Wassermenge reduziert werden kann, während der Gesamtvolumenstrom von Warmwasser am Zapfhahn gleich bleibt. Die an dem Zapfhahn zur Verfügung stehende Warmwassermenge kann ferner durch Einschalten des Durchlauferhitzers 2a und über den Wärmetauscher 5a noch weiter gesteigert werden, während der Volumenstrom aus dem Warmwasserspeicher reduziert werden kann. Der Anteil des Warmwassers bzw. des vorerwärmten Anteils des Warmwasservolumenstroms kann über das Mischventil 6 erhöht werden. Alternativ zu dem Mischventil kann ein Dreiwege-Mischventil verwendet werden.
Ferner kann ein weiterer Bypass 16 vorgesehen werden, welcher dazu dient die Wärmeabgabe an kaltes Wasser in dem Speicher 15 insbesondere in den unteren Bereich zu vermeiden (dieser Bypass weist den Wärmetauscher 5a und das Mischventil 6 auf). Wenn im unteren Bereich des Speichers kaltes Wasser einfließt, dann wird die vorhandene Wärmeenergie an das kalte Wasser abgegeben, ohne dass eine nutzbare Temperatur des Warmwassers erreicht wird. Die sich im Speicher 5 befindliche Warmwassermenge ist um eine 10er-Potenz höher als die sich im Kaltwasserstrang befindliche Wassermenge. Der Bypass wird erst dann wieder geschlossen, wenn eine Aufheizung des Warmwasserspeichers 5 erfolgen soll. Der Warmwasserspeicher 5 kann vorzugsweise als Schichtspeicher ausgestaltet sein, bei welchem durch eine Temperaturschichtung Warmwasser bei einer entsprechenden nutzbaren Temperatur von wenigstens 40° C bereitgestellt wird.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Heizanlage gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Die Heizanlage gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen der Heizanlage gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Somit weist die Heizanlage eine Kaltwasserzuleitung KW, einen Speicher 5 für Warmwasser und eine Warmwasserleitung WW auf. In dem Speicher 5 ist ein Wärmetauscher 5a vorgesehen, welcher über eine Pumpe 9, ein Ventil 8a, mit einer Wärmepumpe 1 in einem Kreislauf gekoppelt ist. Zusätzlich dazu kann ein Durchlauferhitzer 2a und ein Wärmetauscher 3a in diesem Kreislauf vorgesehen sein. Parallel zu dem Wärmetauscher 5a kann ein Heizkreis 4 mit einer Pumpe 10 und einem Ventil 8b angeordnet sein. Am Ausgang der Warmwasserleitung WW ist ein Mischventil 22 vorgesehen (3-Wege-Mischventil), welches u. a. mit der Kaltwasserzuleitung KW gekoppelt ist.
Zur Steuerung der Heizanlage ist eine zentrale Steuereinheit 27 vorgesehen. Zur Steuerung und Regelung der Heizanlage werden vorzugsweise eine Vielzahl von Temperatursensoren vorgesehen. Ein erster Temperatursensor 21 wird an dem Ausgang, d. h. der Warmwasserleitung WW, vorgesehen. Ein weiterer Temperatursensor 26 wird am Ausgang des Durchlauferhitzers 2a vorgesehen. Ferner können wenigstens zwei Temperatursensoren 24, 25 in dem Warmwasserspeicher 5 angeordnet werden. Anhand der durch diese Temperatursensoren erfassten Temperaturen steuert die Steuereinheit 27 die Wärmepumpe 1, den Durchlauferhitzer 2a, die Pumpe 9, die Pumpe 10, das Stellventil 23 und die Drossel 22, um eine gewünschte Warmwassertemperatur am Ausgang der Warmwasserleitung WW einzustellen.
Vorzugsweise wird Heißwasser mit ca. 60°C zu dem Mischventil 22 geleitet. Dies ist insbesondere hinsichtlich der Abtötung von Legionellen und anderen Bakterien wünschenswert. In dem Mischventil 22 wird Kaltwasser von der Kaltwasserleitung KW beigemischt, so dass die gewünschte Warmwassertemperatur beim Zapfen zur Verfügung gestellt werden kann.
Wenn der Speicher 5 mehrere Temperaturfühler 24, 25 aufweist, dann kann die Steuereinheit 27 den Ladezustand des Speichers überwachen und entsprechend steuern. Die Steuerung der Steuereinheit 27 kann sowohl temperatur- als auch zeitgesteuert erfolgen. Eine Kombination einer temperatur- und zeitgesteuerten Regelung ist ebenfalls möglich. Durch einen der Temperatursensoren 21, 24, 25, 26 kann erfasst werden, dass eine Aufheizung erforderlich ist, und eine entsprechende Aufladung oder eine Schichtaufladung des Speichers kann mittels der Temperatursensoren 24, 25 erfolgen. Wenn die Heizleistung der Wärmepumpe 1 oder des Durchlauferhitzers 2a bekannt ist, kann eine derartige Aufladung auch durch eine Zeit-gesteuerte Regelung erfolgen.
Die Drossel 22 in der Warmwasserleitung WW kann von der Steuereinheit 27 derart angesteuert werden, dass wenigstens bzw. immer eine von dem Benutzer eingestellte Wassertemperatur bereitgestellt wird. Dies erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn ein voll aufgedrehter Zapfhahn bewirkt, dass der Wasservolumenstrom so groß ist, dass eine Erwärmung auf die gewünschte bzw. eingestellte Wassertemperatur aufgrund der begrenzten Heizleistung nicht mehr möglich ist. In einem derartigen Fall kann der Wasserdurchfluss mittels der Drossel 22 durch Steuerung der Steuereinheit 27 gedrosselt werden. Die Drosselung kann sowohl zu Beginn des Zapfens, d. h. wenn der Benutzer sehr viel Wasser zapft, erfolgen, oder es kann dann erfolgen, wenn mittels der Temperatursensoren 24, 25 erfasst wird, dass der Warmwasserspeicher nicht mehr genügend Warmwasser aufweist. Alternativ bzw. zusätzlich dazu kann eine Drosselung durch die Drossel 22 dann erfolgen, wenn mittels des Temperatursensors 21 erfasst wird, dass die Ausgangswassertemperatur nicht mehr die gewünschte Warmwassertemperatur erreicht. Vorzugsweise wird der Wasserdurchfluss durch die Drossel 22 derart gedrosselt, dass die Wärmepumpe 1, der Durchlauferhitzer 2a und/oder der Wärmetauscher 5a dazu in der Lage ist, die gewünschte Warmwassertemperatur bereitzustellen. Dies kann zwar bedeuten, dass die abgegebene Warmwassermenge beispielsweise zum Duschen nicht mehr komfortabel ist, aber andererseits ist eine Warmwasserabgabe bei der gewünschten Temperatur möglich, so dass der Benutzer zumindest noch anhaftende Seife abspülen kann und dies nicht mit kaltem Wasser durchführen muss.
Gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, welches auf dem dritten Ausführungsbeispiel basiert, kann eine Steuerung bzw. Regelung der Heizanlage durch die Steuereinheit 27a basierend auf einem Benutzerprofil erfolgen. Zur Erstellung eines Benutzerprofils kann beispielsweise erfasst werden, wann der Benutzer typischerweise morgens oder abends duscht, so dass die Steuerung der Heizanlage rechtzeitig darauf reagieren kann. So kann beispielsweise bei einem zu erwartenden hohen Brauchwasserbedarf, wie beispielsweise morgens zum Duschen, das Warmwasser in dem Speicher 5 vorab auf eine höhere Temperatur aufgeheizt werden. Somit kann das Wasser in dem Speicher 5 beispielsweise auf 60°C unter Zuhilfenahme der Wärmepumpe 1 oder auf 80°C unter Zuhilfenahme des Durchlauferhitzers 2a aufgeheizt werden. Damit kann ermöglicht werden, dass beispielsweise, wenn morgens geduscht wird, das Wasser in dem Speicher 5 beispielsweise auf 80°C vorgeheizt wird. Wenn anhand des Benutzerprofils bekannt ist, dass typischerweise um 7 Uhr morgens geduscht wird, so kann die Steuerung bzw. Regelung der Heizanlage derart eingestellt werden, dass das Wasser in dem Speicher 5 beispielsweise um 6.50 Uhr bereits auf 80°C vorgeheizt ist. Wenn anschließend geduscht wird, dann kann die Wärmepumpe 1 das kalte Wasser aus der Kaltwasserleitung KW vorheizen, und der Durchlauferhitzer kann das von der Wärmepumpe 1 erwärmte Wasser weiter erwärmen. Vorzugsweise erfolgt die Erwärmung des Wassers durch den Durchlauferhitzer 2a derart, dass ein höheres Temperaturniveau als üblicherweise erforderlich ist eingestellt wird. Anhand des Benutzerprofils kann ebenfalls erfasst werden, mit welcher Temperatur ein Benutzer typischerweise duscht. Dies kann ebenfalls bei der Regelung der Voraufheizung mit berücksichtigt werden. Ferner kann in dem Benutzerprofil gespeichert werden, wie lange der Benutzer morgens duscht. Falls ein Benutzer morgens lediglich kurz duscht, so kann die Voraufheizung des Wassers in dem Speicher 5 entsprechend gesteuert werden.
Wenn anhand der Wärmepumpe 1 und anhand des Durchlauferhitzers 2a das Wasser auf ein höheres Temperaturniveau angehoben wird, so kann vorzugsweise ein Teilstrom in den Speicher 5 geführt werden, und ein weiterer Teilstrom kann zu dem Zapfventil geleitet werden.
Ein zu erwartender Warmwasserbedarf kann beispielsweise über die Speichertemperatur erfasst werden, somit kann beispielsweise erfasst werden, ob und wann eine vollständige Entladung erfolgt ist und weiteres Warmwasser benötigt wurde.
Falls die Heizleistung der Heizanlage nicht ausreicht, um den Wärmebedarf ad hoc zu liefern, so kann das sich in dem Speicher 5 befindliche Wasser vorab auf eine höhere Temperatur gebracht werden, so dass beispielsweise ein mehrfaches Dusche morgens ermöglicht werden kann.
Das Aufheizen des sich in dem Speicher 5 befindlichen Wassers kann sowohl kontinuierlich als auch in Stufen erfolgen. Hierbei kann anhand der Steuerung festgelegt werden, wann die Wärmepumpe 1 aktiviert wird und wann bzw. ab welchen Temperaturen der Durchlauferhitzer 2a aktiviert wird.
Zusätzlich zu der oben beschriebenen Steuerung kann die Steuereinheit 27 erfassen, ob das sich in dem Speicher 5 befindliche Warmwasser ein Temperaturniveau aufweist, welches zu hoch ist, da nicht absehbar ist, dass in den nächsten Stunden ein entsprechender Wärmebedarf bzw. Warmwasserbedarf besteht. Somit kann die Steuerung beispielsweise derart erfolgen, dass die Temperatur des sich in dem Speicher befindlichen Wassers auf 40°C abgesenkt wird, wenn vorauszusehen ist, dass wenig Warmwasser benötigt wird. Insbesondere bei einem kleinen Speicher kann bereits bei einer relativ geringen Zapfmenge eine spürbare Abnahme der Temperatur erfolgen.
Mittels der Steuereinheit 27 kann erfasst werden, wann zuletzt Warmwasser gezapft worden ist und welche Menge bzw. welches Volumen gezapft worden ist. Anhand dieser Daten kann die Steuereinheit 27 die Aufheizung des Warmwassers in dem Speicher derart steuern, dass die Temperatur des sich in dem Speicher befindlichen Wassers reduziert wird, wenn voraussichtlich kein Warmwasser benötigt wird.
Bei der Heizanlage gemäß dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel wird kaltes Wasser (10 bis 14°C) von der Kaltwasserleitung KW durch den Wärmetauscher der Wärmepumpe (2 kW) auf 20°C erhitzt. Das sich in dem Warmwasserspeicher 5 befindliche Wasser kann vorab mittels der Wärmepumpe auf eine Temperatur von 50 bis 55°C erhitzt werden. Das 50 bis 55°C warme Wasser wird durch einen Zapfvorgang angefordert und fließt zum Durchlauferhitzer, welcher das Warmwasser auf eine Temperatur von 60 bis 64° C erhitzt. In dem Mischer wird das 20°C warme Wasser mit dem 60 bis 64°C warmen Wasser des Durchlauferhitzers vermischt, um eine Ausgangstemperatur von 38 bis 42°C vorzusehen. Somit kann eine Wassermenge von ca. 155 Litern bei 38°C zur Verfügung gestellt werden. Somit wird im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel der Durchlauferhitzer zwischen dem Warmwasserspeicher und dem Mischer vorgesehen, um das 50 bis 55°C warme Wasser des Speichers auf 60 bis 64°C zu erwärmen.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Heizanlage gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel. Die Heizanlage weist einen Speicher 5 für Warmwasser sowie eine damit gekoppelte Wärmepumpe 1 auf, welche Wärme über den Wärmetauscher 5a an das Wasser in dem Speicher 5 abgibt. In dem Kreislauf der Wärmepumpe kann ein Durchlauferhitzer 2a angeordnet sein, welcher wie gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel das Wasser in dem Kreislauf der Wärmepumpe weiter erhitzt.
Die Kaltwasserleitung KW ist an den Speicher 5 angeschlossen und die Warmwasserleitung WW ist ebenfalls an den Speicher 5 angeschlossen. Ein weiterer Durchlauferhitzer 2c kann an dem Warmwasserausgang des Speichers 5 angeordnet sein. Mittels dieses weiteren Durchlauferhitzers 2c kann eine weitere Temperaturanhebung des Wassers in der Warmwasserleitung WW realisiert werden. Der Warmwasserspeicher 5 ist vorzugsweise als Schichtspeicher ausgelegt und Kaltwasser strömt zunächst in den Speicher hinein.
In dem Kreislauf mit der Wärmepumpe 1, dem Wärmetauscher 5a und der Pumpe 9 kann parallel ein Heizkreis 4 mit einer Pumpe 10 und einem Ventil 8b wie oben gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben angeordnet werden.
Am Ausgang der Warmwasserleitung WW kann ein Mischventil 28 vorgesehen werden, welches Kaltwasser von der Kaltwasserleitung KW mit von dem zweiten Durchlauferhitzer 2c erwärmten Warmwasser vermischt, damit am Ausgang die entsprechende Temperatur bereitgestellt werden kann. Um eine Steuerung der Heizungsanlage mittels einer Steuereinheit 27a zu ermöglichen, ist ein Temperatursensor 27 in dem Speicher 5 angeordnet, und ein weiterer Temperatursensor 29 ist am Ausgang der Warmwasserleitung WW angeordnet. Die Steuereinheit 27a ist ebenfalls mit der Pumpe 9, der Pumpe 10, dem ersten und zweiten Durchlauferhitzer 2a, 2c und der Wärmpumpe 1 gekoppelt, um diese entspre chend der durch die Temperatursensoren 27, 29 erfassten Temperatur zu steuern.
Nachfolgend soll ein nicht einschränkendes Beispiel einer Auslegung einer Heizanlage gemäß der Erfindung im Vergleich zu einer herkömmlichen Heizanlage beschrieben werden. Eine herkömmliche Heizanlage kann beispielsweise einen Speicher mit 200 Liter Speicherinhalt aufweisen. Die Speichertemperatur beträgt typischerweise 55° C, und beim Duschen wird typischerweise eine Zapfmenge von 8 Litern pro Minute benötigt. Die Wärmepumpe weist eine Heizleistung von 4 kW bei einer Aufnahmeleistung von 1,6 kW auf. Der Durchlauferhitzer weist eine Leistung von 6 kW auf. Es wird davon ausgegangen, dass das Kaltwasser eine Temperatur von 14° C aufweist, und dass die Nutztemperatur beim Duschen 38° C beträgt.
Im Gegensatz dazu wird die Heizanlage gemäß der Erfindung mit einem Speicherinhalt von 50 Litern ausgeführt, wobei die Speichertemperatur typischerweise 55° C beträgt und die Zapfmenge beim Duschen 8 Liter pro Minute beträgt. Die Heizleistung der Wärmepumpe beträgt 3 kW bei einer Aufnahmeleistung von 0,8 kW. Der Durchlauferhitzer weist eine Leistung von 3 kW auf. Es wird hier ebenfalls davon ausgegangen, dass das Kaltwasser eine Temperatur von 14°C aufweist, und dass die Nutztemperatur beim Duschen 38°C beträgt.
Somit beträgt der Wärmeinhalt des Speichers gemäß dem Stand der Technik 9,5 kW-Stunden, und die Wärmeleistung beim Zapfen beträgt 13,4 kW mit 200 Litern Speicherinhalt. Wenn lediglich der Durchlauferhitzer aktiviert wird, kann eine Zapfdauer von 1,29 Stunden erhalten werden, was einer virtuellen Wassermenge von 619 Litern entspricht. Wenn die Wärmepumpe zusätzlich aktiviert wird, kann eine Zapfdauer von 2,81 Stunden erreicht werden, so dass eine gesamte virtuelle Wassermenge von 1349 Litern erreicht wird.
Bei der Heizanlage gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt der Wärmeinhalt des Speichers ca. 2,4 kW-Stunden, so dass bei einer Wärmeleistung während des Zapfens von 13,4 kW eine Zapfdauer von 0,23 Stunden nur durch Aktivie rung des Durchlauferhitzers erhalten werden kann, was einer virtuellen Wassermenge von 110 Litern entspricht. Wenn zusätzlich dazu die Wärmepumpe aktiviert wird, kann eine Zapfdauer von 0,32 Stunden erhalten werden, was einer virtuellen Wassermenge von 155 Litern entspricht. Die virtuelle Wassermenge entspricht dabei der Wassermenge, welche gezapft werden kann, bis der Speicher leer ist.
Wenn beispielsweise die Temperatur des Kaltwassers 20° C statt 14° C beträgt, dann kann die Heizanlage gemäß der Erfindung bei einem Wärmeinhalt in dem Speicher von 0,2 kW-Stunden und einer Wärmeleistung beim Zapfen von 10 kW eine Zapfdauer von 0,29 Stunden lediglich durch Aktivierung des Durchlauferhitzers erhalten, was einer virtuellen Wassermenge von 139 Litern entspricht. Wenn zusätzlich dazu noch die Wärmepumpe aktiviert wird, kann eine Zapfdauer von 0,5 Stunden erreicht werden, was einer virtuellen Wassermenge von 241 Litern entspricht.
Bei der Heizanlage gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel wird kaltes Wasser (10 bis 14° C) von der Kaltwasserleitung KW zur Verfügung gestellt und durch den Wärmetauscher der Wärmepumpe 1 (2 kW) auf ca. 20° C erwärmt. Das sich in dem Speicher befindliche Wasser wurde bereits vorab beispielsweise mittels der Wärmepumpe auf 50 bis 55° C erhitzt. Dieses Wasser fließt zum Mischer und wird mit dem ca. 20° C warmen Wasser vermischt, so dass dieses Wasser auf 33° C erwärmt wird. Anschließend fließt das 33° C warme Wasser durch den Durchlauferhitzer und wird auf die gewünschte Benutzertemperatur von 38 bis 42° C erwärmt. Somit können ca. 155 Liter bei ca. 38° C zur Verfügung gestellt werden.
Die oben beschriebene Steuereinrichtung kann über einen Speicher verfügen, in welchem die Uhrzeit, die Dauer eines Zapfvorganges sowie ggf. die eingestellte Temperatur aufgezeichnet wird. Anhand dieser Aufzeichnungen kann ein Anwenderprofil erstellt werden, mit welchem die Beimischung aus dem Warmwasser, aus dem Speicher und dem Wasser aus der Kaltwasserleitung KW gesteuert wird. Dies ermöglicht eine verbesserte und energiesparende Gesamtsteuerung der Warmwasserzubereitung.
Um das oben beschriebene Benutzerprofil verwenden zu können, kann die Steuereinheit alle Zapfvorgänge (Zapfdauer, Zapfvolumen, Zapftemperatur) erfassen und entweder intern oder in einem externen Speicher speichern. Diese Daten können entsprechend ausgewertet werden und an die Steuereinheit weitergeleitet werden, damit die Steuereinheit die Heizanlage entsprechend effektiv – wie bereits oben beschrieben – steuern kann.

Claims

Heizanlage, mit einer Kaltwasserzuleitung (KW) und einer Warmwasserableitung (WW), einem Warmwasserspeicher (5) zum Speichern von Warmwasser, wobei der Warmwasserspeicher (5) einen ersten Wärmetauscher (5a) aufweist, einem ersten Kreislauf zum Erwärmen des sich in dem Speicher (5) befindlichen Wassers mit einer Wärmepumpe (1) zum Erwärmen der Flüssigkeit in dem ersten Kreislauf, dem ersten Wärmetauscher (5a) zum Erwärmen des sich in dem Speicher befindlichen Wassers und einem ersten Durchlauferhitzer (2a) zum zusätzlichen Erwärmen der Flüssigkeit in dem ersten Kreislauf, und einer ersten Mischeinheit (6b) zum Mischen von Warmwasser aus dem Warmwasserspeicher (5) mit Wasser aus der Kaltwasserzuleitung (KW), um eine gewünschte Ausgangstemperatur am Ende der Warmwasserableitung (WW) zu erreichen.
Heizanlage nach Anspruch 1, mit einem zweiten Wärmetauscher (3a) in dem ersten Kreislauf zum Erwärmen von Kaltwasser aus der Kaltwasserleitung (KW), wobei das durch den zweiten Wärmetauscher (3a) erwärmte Wasser in der Mischeinheit (6b) mit dem Wasser aus dem Speicher (5) vermischt wird, so dass die Heizleistung der Wärmepumpe (1) und des ersten Durchlauferhitzers (2a) zur Erwärmung des Kaltwassers dient.
Heizanlage nach Anspruch 1, mit einer zweiten Mischeinheit (22) zum Mischen von Warmwasser aus dem Speicher (5) mit Kaltwasser aus der Kaltwasserleitung (KW), um eine gewünschte Ausgangstemperatur zu erreichen.
Heizanlage nach Anspruch 2, mit einem ersten Bypass (15) zum Umgehen des zweiten Wärmetauschers (3a), so dass das Kaltwasser aus der Kaltwasserleitung in der ersten Mischeinheit (6b) mit Warmwasser aus dem Speicher (5) vermischt wird.
Heizanlage nach Anspruch 1, ferner mit einem zweiten Durchlauferhitzer (2c) am Ausgang des Speichers (5), und einer dritten Mischeinheit (28) zum Mischen des durch den zweiten Durchlauferhitzer (2c) erwärmten Wassers mit Kaltwasser aus der Kaltwasserleitung (KW), um eine gewünschte Ausgangstemperatur zu erreichen.
Heizanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erwärmte Wasser auf wenigstens 60° C aufgeheizt wird, bevor es zu der Mischeinheit (22) geleitet wird.
Heizanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Mischeinheit (22, 6b, 28) derart von der Steuereinheit (27, 13) gesteuert wird, dass sichergestellt wird, dass eine gewünschte Ausgangstemperatur des Warmwassers erhalten wird, indem Zapfvolumen reduziert wird, wenn die Heizleistung der Heizanlage nicht ausreicht, um die gewünschte Temperatur am Ausgang der Warmwasserleitung (WW) zur Verfügung zu stellen.
Heizanlage, insbesondere nach Anspruch 1, mit einer Kaltwasserleitung (KW) zum Zuführen von Kaltwasser und einer Warmwasserleitung (WW) zum Abführen von Warmwasser, einem Warmwasserspeicher (5) zum Speichern von Warmwasser, einer Wärmepumpe (1) und einem Wärmetauscher (3), wobei der Wärmetauscher (3) in einem Wasserumlauf zum Erwärmen des sich in dem Speicher (5) befindlichen Warmwassers angeordnet ist, einer Mischeinheit (6) zum Vermischen von Warmwasser aus dem Speicher (5) und von durch den dritten Wärmetauscher (3) erwärmten Wassers, und einem dritten Durchlauferhitzer (2) am Ausgang der Mischeinheit (6) zum weiteren Erwärmen des Wassers.
Heizanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, mit mindestens einem Temperatursensor (11, 12) und einer Steuereinheit (13) zum Steuern der Wärmepumpe, der Mischeinheit (6) und/oder des Durchlauferhitzers (2) in Abhängigkeit der von dem mindestens einen Temperatursensor (11, 12) erfassten Tempe ratur, wobei die Steuerung derart erfolgt, dass der Wärmetauscher und/oder der Durchlauferhitzer zur Erwärmung von Kaltwasser aus der Kaltwasserleitung (KW) aktiviert werden, wenn das sich in dem Speicher (5) befindliche Warmwasser nicht für einen Zapfvorgang ausreicht.
Heizanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (13, 17) dazu ausgestaltet ist, die Heizanlage basierend auf mindestens einem Benutzerprofil zu steuern, wobei das Benutzerprofil anhand empirischer Werte wie beispielsweise das Zapfvolumen, die Zapfdauer, die Zapfzeit und/oder die Zapftemperatur zusammengestellt wird.
Verfahren zum Steuern einer Heizanlage mit einem Warmwasserspeicher, einem ersten Kreislauf zum Erwärmen des Warmwassers in dem Speicher, wobei der erste Kreislauf eine Wärmepumpe (1), einen Durchlauferhitzer (2a) und einen Wärmetauscher (5a) aufweist, mit den Schritten: Erwärmen des sich in dem Speicher (5) befindlichen Wassers durch die über den Wärmetauscher (5a) zugeführte Wärme, wobei die durch den Wärmetauscher (5a) zugeführte Wärme durch die Wärmepumpe (1) und/oder durch den Durchlauferhitzer (2a) erzeugt wird, wobei der Durchlauferhitzer (2a) als Hilfswärmequelle dient.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner mit den Schritten: Erfassen der Temperatur des Wassers in der Warmwasserleitung (WW), in dem Speicher (5) und/oder hinter dem Durchlauferhitzer (2a), und Steuern der Wärmepumpe (1), des Durchlauferhitzers (2a) und/oder der Mischeinheit (22) zum Mischen des Warmwassers aus dem Speicher (5), um eine gewünschte Ausgangstemperatur zu erhalten, wobei die Steuerung derart erfolgt, dass der Wärmetauscher und/oder der Durchlauferhitzer zur Erwärmung von Kaltwasser aus der Kaltwasserleitung (KW) aktiviert werden, wenn das sich in dem Speicher (5) befindliche Warmwasser nicht für einen Zapfvorgang ausreicht.