DE102008014204A1 - Trinkwassererwärmungsanlage

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Abstract

Description

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DE102008014204A1

Publication number: DE102008014204A1
Application number: DE102008014204A
Authority: DE
Inventors: Franz Josef Prof. Dr. Ziegler
Original assignee: FACHHOCHSCHULE MUENCHEN
Current assignee: Fachhochschule Muenchen
Priority date: 2007-04-25
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2008-10-30

Es ist eine Anordnung und ein Verfahren zur Erwärmung von Trinkwasser für eine Mehrzahl von Wirtschaftseinheiten, Haushalten oder dergleichen (Verbraucher) aus einer Großversorgereinheit mit einem Pufferspeicher und einem Durchfluss-System mit Zirkulationsbetrieb offenbart. Die Anordnung weist ein zweistufiges Durchfluss-Prinzip zur Erzielung niedriger Rücklauftemperaturen für die Großversorgereinheit auf.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bereitstellung von Warmwasserenergie und ein Verfahren zum Erwärmen von Trinkwasser mittels einer solchen Anlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und des Anspruchs 8.
Stand der Technik
Die Steigerung der Energieeffizienz von Heizungs- und Trinkwassererwärmungsanlagen ist eine fundamentale Forderung der Energiepolitik, um die CO₂-Emissionen zu reduzieren und die Energieressourcen zu schonen.
Die Energieeffizienz von Heizungsanlagen lässt sich in vielen Fällen durch eine Absenkung der Rücklauftemperatur erhöhen. Dies ist insbesondere bei den im Folgenden beschriebenen Anlagen gegeben.
Fernwärmeversorgung: Bei Absenkung der Rücklauftemperatur steigt der Wirkungsgrad der Stromerzeugung in den Heizkraftwerken. Zudem erhöht sich die in den Fernwärmeleitungen transportierbare Wärmeleistung. Der spezifische Hilfsenergieaufwand für Pumpen und die Wärmeverluste sinken.
Geothermie-Fernwärmeversorgung: Bei niedrigen Rücklauftemperaturen kann das geförderte Thermalwasser auf niedrige Temperaturen ausgekühlt werden und führt so zu einem energetisch und wirtschaftlich günstigen Anlagenbetrieb.
Heizungsanlagen mit Brennwertkessel: Niedrige Rücklauftemperaturen erhöhen den Wirkungsgrad von Brennwertgeräten.
Thermische Solaranlagen: Niedrige Rücklauftemperaturen erhöhen den Wirkungsgrad der Solaranlage.
Gerade bei zentralen Trinkwassererwärmungsanlagen in größeren Gebäuden gab es bislang kein Anlagenkonzept, das niedrige Rücklauftemperaturen im prakti schen Betrieb gewährleistet. Alle herkömmlichen Systeme der Trinkwassererwärmung bestehen im Allgemeinen aus einem Speichersystem, einem Speicherladesystem und einem Durchfluss- System und weisen bei hohem Zirkulationsvolumenstrom und geringer Warmwasserentnahme hohe Rücklauftemperaturen auf. Bei den herkömmlichen Trinkwassererwärmungsanlagen werden die Trinkwasserspeicher durch den vorgeschriebenen Zirkulationsbetrieb ständig durchmischt und bei Schwachlastbetrieb nur geringfügig abgekühlt. Bei der Aufheizung des Trinkwasserspeichers um einen geringen Temperaturhub von beispielsweise 55°C auf 65°C sind daher zwangsläufig hohe Rücklauftemperaturen in der Heizungsanlage die Folge. Hohe Rücklauftemperaturen führen bei der Fernwärmeversorgung zu energetischen Nachteilen und sind vertraglich meist nicht zulässig. Diese hohen Rücklauftemperaturen sind insofern problematisch, da sie den Wirkungsgrad der Brennwertgeräte vermindern.
Beschreibung
Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Trinkwassererwärmungsanlage mit niedrigen Rücklauftemperaturen zu entwickeln, so dass die Verkalkungsgefahr und somit die Reparaturbedürftigkeit des Wärmeüberträgers vermindert ist und Lastspitzen besser ausgeglichen werden können.
Dieses Ziel der Erfindung wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das neue Anlagenkonzept zur Trinkwassererwärmung soll beispielsweise in großen Wohngebäuden eingesetzt werden. Bei diesem Konzept entstehen niedrige Rücklauftemperaturen in der Heizungsanlage, wodurch sich energetische und wirtschaftliche Vorteile insbesondere bei der Brennwerttechnik und Fernwärmeversorgung ergeben.
Das neue Anlagenkonzept besteht wie aus einer Anordnung zur Bereitstellung von erwärmten Trinkwasser für eine Mehrzahl von Wirtschaftseinheiten, Haushalten oder dergleichen. Hierbei sind Verbraucher von Warmwasser im Allgemeinen gemeint. Dazu zählen beispielsweise Haushalte, insbesondere in einem aus mit einer Vielzahl von Wohneinheiten oder auch Betriebe und andere Wirtschaftseinheiten. Die Anord nung beinhaltet ein Durchfluss- System mit Zirkulationsbetrieb und einem Pufferspeicher. Das Durchfluss- Prinzip ist zweistufig und dient der Erzielung niedriger Rücklauftemperaturen für die Großversorgereinheit. Das neue System gewährleistet bei üblicher Nutzung eine stets niedrige Rücklauftemperatur des Heizmediums. Während das Heizmedium beim Durchlauf abgekühlt wird, wird die dadurch freigewordene Wärmeenergie genutzt, um das Trinkwasser zu Erwärmen. Vorzugsweise wird das Trinkwasser im Trinkwasserkreislauf auf ca. 60°C erwärmt. Bei dieser Temperatur findet kein Legionellenwachstum statt.
Die Trinkwassererwärmung erfolgt in zwei Stufen im Durchflußprinzip. Die Anlage beinhaltet zwei seriell geschaltete Wärmetauscher, und zwar wird das Trinkwasser über diese beiden Wärmetauscher auf die übliche Warmwasseraustrittstemperatur von 60°C erwärmt. An einem ersten Wärmetauscher werden das Warmwasser und der Zirkulationsvolumenstrom von 55°C auf 60°C erwärmt. Dabei wird der Heizungsvorlauf im Heizwasserkreislauf (beispielsweise Fernwärme, oder aber der Heizungsvorlauf aus einer Gastherme o. ä.) durch eine Rücklaufbeimischung auf ca. 65°C abgekühlt, um durch Wärmetausch mit dem Trinkwasser auf 60°C abzukühlen, während das Trinkwasser am Warmwasseraustritt die eingestellte Temperatur von (ebenfalls) 60°C erreicht. D. h. der erste Wärmeüberträger dient der Zirkulation und der Nacherwärmung des Trinkwassers.
Die Beimischregelung zum Abkühlen der Fernwärme von 90°C auf 65°C kann beispielsweise mit einem Zweiwegeventil oder auch mit einer anderen Beimischregelung ausgeführt werden. Die Beimischregelung am ersten Wärmeübertrager mit hoher Grundbeimischung dient auch zur Verminderung der Verkalkungsgefahr durch Reduktion der Wassertemperatur.
Der „heiße" Heizungsrücklauf nach dem ersten Wärmeübertrager hat noch eine Temperatur von ca. 60°C und wird bei Schwachlastbetrieb (geringe Warmwasserzapfung) zum großen Teil im Pufferspeicher aufgenommen. Der andere Teil des „heißen" Heizungsrücklaufs wird am zweiten Wärmetauscher auf ca. 15°C weiter ausgekühlt. Eine Pumpe, die den „heißen" Rücklauf aus dem Pufferspeicher fördert, wird über einen Strömungsschalter bei geringster Warmwasserentnahme eingeschaltet. Der Volumenstrom, der aus dem Pufferspeicher entnommen wird, wird im einfachsten Fall über einen Rücklauftemperaturbegrenzer am zweiten Wärmeüberträger selbsttätig geregelt. Diese Volumenstromregelung des Heizmediums kann auch in anderer Weise erfolgen.
Der Volumenstrom des Heizmediums muss jedoch stets der veränderlichen Warmwasserentnahme angepasst werden.
Der Heizungspufferspeicher, der bei Schwachlastbetrieb den „heißen" Rücklauf aufnimmt und bei hoher Warmwasserentnahme entladen wird, ermöglicht eine Auskühlung des „heißen" Rücklaufs zu einem späteren Zeitpunkt. Beim Pufferspeicher ist auf eine gute Temperaturschichtung und eine geringe Durchmischung beim Be- und Entladen zu achten. Die turbulenzarme Einströmung in den Pufferspeicher kann durch zusätzliche Leitbleche oder Einbauten im Speicher verbessert werden.

Beispielhaft werden gemessenen Kenndaten eines Wohngebäudes mit 101 Wohneinheiten angegeben (l/d = Liter pro Tag):

Der primärseitige Volumenstrom von 8150 l/d, der für die Erwärmung des Zirkulations- und Warmwasservolumenstroms erforderlich wäre, ist am zweiten Wärmetauscher nicht ganz ausreichend, da hier entsprechend der angegebenen Temperaturen ein primärseitiger Volumenstrom von 10500 l/d erforderlich wäre. Ist der Pufferspeicher nahezu entladen, sinkt die Entnahmetemperatur auf Werte unter 60°C. Dadurch sinkt die sekundärseitige Eintrittstemperatur am ersten Wärmetauscher auf Werte unter 55°C. Durch Öffnen eines Zweiwege-Durchgangsventils wird der primärseitige Volumenstrom auf 9560 l/d erhöht und die Warmwasser-Austrittstemperatur von 60°C kann eingehalten werden. Dieses Zahlenbeispiel zeigt, dass auch ein vollständiges Entladen des Pufferspeichers bei der gewählten Regelung unproblematisch ist.
Das neue Anlagenkonzept weist wesentliche Vorteile auf, da die niedrigen Heizungsrücklauftemperaturen auch bei hohem Zirkulationsvolumenstrom in den Warmwasserverteilleitungen gewährleistet werden.
Zudem ergeben sich weitere wichtige Vorteile gegenüber herkömmlichen Systemen. Bei der Trinkwassererwärmung führen einfache, wartungsarme Regelungs komponenten ohne Hilfsenergie zu geringen Investitions- und Betriebskosten sowie hoher Betriebssicherheit. Der erste Wärmetauscher ist kontinuierlich über 24 Stunden pro Tag in Betrieb und wird primärseitig mit niedrigen Temperaturen betrieben. Dadurch ist die Verkalkungsgefahr dieses Wärmetauschers gering, da keine regelungsbedingten Temperaturspitzen und keine Stillstandszeiten gegeben sind.
Der Heizungspufferspeicher weist einen Inhalt von ca. 30% bis 50% des Warmwasser-Tagesbedarfs auf. Der Heizungspufferspeicher wird bei Schwachlast in der Nacht aufgeladen und bei Spitzenlast am Morgen entladen. Dies führt bei Fernwärmeversorgung zu einer besseren Auslastung in der Nacht und reduziert die Lastspitzen am Morgen.
Die Unterbrechung des Zirkulationsbetriebs (8 Stunden über Zeitschaltuhr) während der Spitzenentnahme führt bei Fernwärmeversorgung zu einer weiteren Reduzierung der Lastspitzen am Morgen. Der erste Wärmetauscher kann entsprechend kleiner ausgelegt werden.
Eine Legionellenschaltung ist nicht erforderlich, da keine Bevorratung von warmem Trinkwasser stattfindet.
Figurenbeschreibung
Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nun folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel dient und auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt. Gleiche Bauteile weisen dabei grundsätzlich gleiche Bezugszeichen auf und werden teilweise nicht mehrfach erläutert.
1 zeigt ein Funktionsschema einer erfindungsgemäßen Trinkwassererwärmungsanlage
Eine mögliche Ausgestaltung einer Trinkwassererwärmungsanlage mit erfindungsgemäßen niedrigen Rücklauftemperaturen wird anhand von 1 illustriert.
Das neue Anlagenkonzept gemäß der Erfindung gewährleistet bei üblicher Nutzung eine stets niedrige Rücklauftemperatur des Heizmediums. Die Funktionsweise einer Trinkwassererwärmungsanlage 10 wird anhand von 1 erläutert. Es handelt sich hierbei um ein Durchfluss- System mit Heizungspufferspeicher.
Das neue Anlagenkonzept zur Trinkwassererwärmung soll beispielsweise in großen Wohngebäuden eingesetzt werden. Bei diesem Konzept entstehen niedrige Rücklauftemperaturen in der Heizungsanlage, wodurch sich energetische und wirtschaftliche Vorteile insbesondere bei der Brennwerttechnik und Fernwärmeversorgung ergeben.
Die Trinkwassererwärmung erfolgt in zwei Stufen im Durchflußprinzip, und zwar wird das Trinkwasser über zwei seriell geschaltete Wärmetauscher 20a und 20b auf die übliche Warmwasseraustrittstemperatur von 60°C erwärmt. Am Wärmeüberträger 20a werden das Warmwasser und der Zirkulationsvolumenstrom von 55°C auf 60°C erwärmt. Dabei wird der Heizungsvorlauf (hier Fernwärme) durch eine Rücklaufbeimischung auf ca. 65°C abgekühlt, um am Warmwasseraustritt die eingestellte Temperatur von 60°C zu erreichen. D. h. der Wärmeüberträger 20a dient der Erwärmung der Zirkulation und der Nacherwärmung des Trinkwassers.
Die Beimischregelung kann wie dargestellt mit einem Zweiwegeventil 30 oder auch mit einer anderen Beimischregelung ausgeführt werden. Die Beimischregelung am Wärmetauscher 20a mit hoher Grundbeimischung dient auch zur Verminderung der Verkalkungsgefahr.
Der „heiße" Heizungsrücklauf nach dem Wärmetauscher 20a hat noch eine Temperatur von ca. 60°C und wird bei Schwachlastbetrieb (geringe Warmwasserzapfung) zum großen Teil im Pufferspeicher 34 aufgenommen. Der andere Teil des „heißen" Heizungsrücklaufs wird am Wärmetauscher 20b auf ca. 15°C weiter ausgekühlt. Die Pumpe 40, die den „heißen" Rücklauf aus dem Pufferspeicher 34 fördert, wird über den Strömungsschalter 52 bei geringster Warmwasserentnahme eingeschaltet. Der Volumenstrom, der aus dem Pufferspeicher 34 entnommen wird, wird im einfachsten Fall über den Rücklauftemperaturbegrenzer 50 am Wärmeüberträger 20b selbsttätig geregelt. Diese Volumenstromregelung des Heizmediums kann auch in anderer Weise erfolgen. Der Volumenstrom des Heizmediums muss jedoch stets der veränderlichen Warmwasserentnahme angepasst werden.
Der Heizungspufferspeicher 34, der bei Schwachlastbetrieb den „heißen" Rücklauf aufnimmt und bei hoher Warmwasserentnahme entladen wird, ermöglicht eine Auskühlung des „heißen" Rücklaufs zu einem späteren Zeitpunkt. Beim Pufferspeicher 34 ist auf eine gute Temperaturschichtung und eine geringe Durchmischung beim Be- und Entladen zu achten. Die turbulenzarme Einströmung in den Pufferspeicher 34 kann durch zusätzliche Leitbleche oder Einbauten im Speicher 34 verbessert werden.

Zum besseren Verständnis des Anlagenkonzepts sind nachfolgend beispielhaft die gemessenen Kenndaten eines Wohngebäudes mit 101 Wohneinheiten angegeben (l/d = Liter pro Tag):

Der primärseitige Volumenstrom von 8150 l/d, der für die Erwärmung des Zirkulations- und Warmwasservolumenstroms erforderlich wäre, ist am Wärmeübertrager 20b nicht ganz ausreichend, da hier entsprechend der angegebenen Temperaturen ein primärseitiger Volumenstrom von 10500 l/d erforderlich wäre. Ist der Pufferspeicher 34 nahezu entladen, sinkt die Entnahmetemperatur auf Werte unter 60°C. Dadurch sinkt die sekundärseitige Eintrittstemperatur am Wärmeübertrager 20a auf Werte unter 55°C. Durch Öffnen des Zweiwege-Durchgangsventils 30 wird der primärseitige Volumenstrom auf 9560 l/d erhöht und die Warmwasser-Austrittstemperatur von 60°C kann eingehalten werden. Dieses Zahlenbeispiel zeigt, dass auch ein vollständiges Entladen des Pufferspeichers bei der gewählten Regelung unproblematisch ist.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Gedanken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.

10: Trinkwassererwärmungsanlage
20a: Wärmeüberträger 1
20b: Wärmeüberträger 2
30: Zweiwegeventil
32: Zweiwege-Durchgangsventil
34: (Heizungs-)Pufferspeicher
40: Pumpe
50: Rücklauftemperaturbegrenzer
52: Strömungsschalter

Zirkulationsvolumenstrom:

38400 l/d (bei 8 Stunden Unterbrechung während der Spitzenlastzeit)

Warmwasserverbrauch:

erster Wärmetauscher

sekundär (55°C/60°C): 48900 l/d

primär (90°C/60°C): 9560 l/d

Anordnung zur Erwärmung von Trinkwasser für eine Mehrzahl von Wirtschaftseinheiten, Haushalten oder dergleichen (Verbraucher) aus einer Großversorgereinheit mit einem Pufferspeicher und einem Durchfluss- System mit Zirkulationsbetrieb, gekennzeichnet durch ein zweistufiges Durchfluss- Prinzip zur Erzielung niedriger Rücklauftemperaturen für die Großversorgereinheit.
Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Erwärmung des Trinkwassers im Trinkwasserkreislauf auf ca. 60°C.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch zwei Wärmetauscher (20a, 20b).
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Aufnahme des heißen Rücklaufs durch den Heizungspufferspeicher (34) im Schwachlastbetrieb.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Entladen des Heizungspufferspeichers (34) in Spitzenzeiten hoher Warmwasserentnahme.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine volumenstromregelnde Rücklauftemperaturbegrenzung (50) am zweiten Wärmetauscher (20b).
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch temperaturregelnde Grundbeimischung am ersten Wärmetauscher (20b).
Verfahren zur Erwärmung von Trinkwasser in einer Trinkwassererwärmungsanlage bestehend aus einem Pufferspeicher und einem Durchfluss- System mit Zirkulationsbetrieb durch Warmwasserenergie aus einer Großversorgereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass in der Heizungsanlage durch ein zweistufiges Durchfluss- Prinzip niedrige Rücklauftemperaturen für die Großversorgereinheit eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trinkwasser in einem zweistufiges Durchfluss- Prinzip zirkuliert und auf ca. 60°C erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Trinkwasser über zwei Wärmetauscher (20a, 20b), die durch die Wärmeenergie aus der Großversorgereinheit gespeist werden, zirkuliert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungspufferspeicher (34) im Schwachlastbetrieb den heißen Rücklauf aufnimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungspufferspeicher (34) in Spitzenzeiten hoher Warmwasserentnahme entladen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine einfache Volumenstromregelung durch die Rücklauftemperaturbegrenzung (50) am zweiten Wärmetauscher (20b) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturregelung durch Grundbeimischung am ersten Wärmetauscher (20b) erfolgt.