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Regenerative
Wärmequellen
sind zum Einen wesentlich schlechter steuerbar als fossil beheizte Wärmeerzeuger.
Dies gilt im Besonderen für
Solaranlagen, aber auch für
Biomassefeuerungen, Kraft-Wärme-Kopplungen
und Wärmepumpen
und macht deren Betrieb an Pufferspeichern erforderlich, in denen
die regenerativ gewonnene Wärme
bis zu ihrer Nutzung gespeichert wird. Zum Anderen verfügt Wärme besonders
aus Solaranlagen und Wärmepumpen
nur über
ein begrenztes Temperaturniveau, was Wärme auf hohem Temperaturniveau überproportional
kostbar macht. Beide Gründe
erfordern also eine möglichst
effiziente Entladung des Pufferspeichers mit dem Ziel, hohe Temperaturen
möglichst lange
zu erhalten und mittlere schnellst- und tiefstmöglich abzukühlen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren sowie
eine Einrichtung zu dessen Durchführung aufzuzeigen, welche eine
derartige Entladung leisten und sich dennoch mit möglichst geringen
Veränderungen
aus dem heutigen Standard an Regelungen und Komponenten verwirklichen lässt. Sie
wird gelöst
mit den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche,
indem der Mischer eines Hochtemperaturkreises mit mindestens zweien
seiner Eingänge
direkt mit auf verschiedenen Höhen
des Pufferspeichers liegenden Anschlüssen verbunden und dem Mischer
eines oder mehrerer Niedertemperaturkreise vorgeschaltet wird.
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Um
die Abhängigkeit
der nachgeschalteten Niedertemperaturmischkreise zu berücksichtigen, wird
eine Maximum-Sollwert-Funktion beschrieben, die sicherstellt, dass
zu jeder Zeit die nachgeschalteten Mischkreise mit einem ausreichend
hohen Temperaturniveau versorgt werden. Durch die gravitationsbedingte
Schichtung aber ist gleichzeitig sichergestellt, dass nur so wenig
wie nötig
auf ein ggf. vorhandenes höheres
Temperaturniveau zugegriffen wird. Hierzu wird der Mischer allein
nach seiner Vorlauftemperatur durch einen Stellantrieb mittels eines 3-Punkt-Signals
geregelt, was eine einfache und handelsübliche Form darstellt.
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Eine
weitere nützliche
Anwendung der Erfindung besteht darin, diese Regelung in einer Spitzenlastwärmequelle
zu integrieren. Sie wird im Abfluss des vorgeschalteten Mischers
installiert und so mit der Mi scherregelung verbunden, dass ihre
Feuerung erst aktiviert wird, wenn das Mischventil vollständig zum
obersten seiner Pufferspeicheranschlüsse geöffnet ist. Der einzige Teil
des Pufferspeichers, der mit fossil erzeugter Wärme beladen wird, ist die oberste
Zone zur Trinkwarmwasserbereitung. Die Beladung geschieht über die
Zuschaltung einer Ladepumpe im Wärmequellenvorlauf,
die aufgeheiztes Wasser in den obersten Pufferspeicheranschluss
fördert,
der noch oberhalb der Pufferspeicheranschlüsse liegt, die mit dem vorgeschalteten
Mischventil verbunden sind. Hierzu wird der vorgeschaltete Mischer voll
zum obersten seiner Pufferanschlüsse
geöffnet, um
den Ladevorgang mit dem geringstmöglichen Brennstoffeinsatz durchzuführen. Der
Ladekreis ist im Ruhezustand über
Schwerkraftbremsen bzw. Rückflussverhinderer
abgesperrt.
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Umlaufwasserheizer
sind in der Heizungstechnik sehr verbreitet und werden zunehmend
als Spitzenlastwärmequellen
mit Pufferspeichern kombiniert. Die meisten dieser Geräte besitzen
ein im Geräterücklauf integriertes
Umschaltventil (RUV), mit dem von der Betriebsart "Heizen" in die Betriebsart "Warmwasserbereitung" umgeschaltet wird.
Bei der Kombination mit Pufferspeichern ist jedoch eine Platzierung
des Umschaltventils im Vorlauf (VUV) vorteilhaft, da nur hier der
Durchfluss von der Heizungsanlage zu dem beschriebenen obersten
Pufferanschluss umgeleitet werden kann. Durch den Einbau eines zusätzlichen
externen Umschaltventils (VUV) im Vorlauf des Umlaufwasserheizers
wird das ursprüngliche,
im Geräterücklauf integrierte
Umschaltventil (RUV) nutzlos. Indem man ihm die bereits beschriebene
Funktion eines vorgeschalteten Mischventils zuweist, was durch einfache
Anpassung seiner Steuerung möglich
ist, wird eine besonders wirtschaftliche Anwendung der Erfindung
gezeigt. Dies gilt umso mehr, als dass viele Rücklaufumschaltventile bereits
heute mit Antrieben ausgestattet sind, die eine Vielzahl von Zwischenstellungen
ermöglichen, was
für eine
Mischfunktion unerlässlich
ist. Diese Funktionsumstellung ist besonders auch dann von Nutzen,
wenn nur ein einziger Heizkreis betrieben werden soll. Auf diese
Weise können
Gerätekonzepte
grosser Serien flexibel und mit geringem Aufwand den Bedürfnissen
sich ändernder
Marktanforderungen angepasst werden.
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Weitere
Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche.
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Einige
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der 1 bis 10 der
Zeichnungen näher
erläutert.
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Von
diesen zeigen die 1 bis 9 hydraulische
Schaltbilder und die 10 ein regelungstechnisches
Schaltbild einer Heizungsanlage.
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Alle
in den Zeichnungen oder der nachfolgenden Beschreibung verwendeten
Bezugszeichen bedeuten die gleichen Einzelheiten.
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Die
Heizungsanlage 1 gemäss 1 weist im
Wesentlichen fünf
Elemente auf, nämlich
einen Brauchwasserpufferspeicher 2, einen gasbeheizten Umlaufwasserheizer 3,
eine Mischventileinrichtung 4, einen Hochtemperaturheizzweig 5 und
einen Niedertemperaturheizzweig 6, die alle über eine
Vielzahl von Rohrleitungen miteinander verbunden sind.
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Der
Brauchwasserspeicher 2 ist von einem hochkant stehenden
Gefäss 59 gebildet,
durch dessen Oberseite 7 eine mit einem Ventil 8 versehene Brauchwasserleitung 9 abgeht.
Ein Innenraum 10 des Gefässes 59 ist durch
einen Stufeneinsatz 11 unterteilt, der einen Brauchwasserraum 12 von
einem Heizwasserraum 13 abtrennt. In den unteren Bereich 60 des
Brauchwasserraumes 12 mündet
eine Kaltbrauchwasserzulaufleitung 14.
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Im
Heizwasserraum 13 ist, den unteren Bereich 60 des
Brauchwasserraumes 12 umschliessend, eine Wärmetauscherrohrschlange 15 angeordnet,
die mit ihren beiden Enden 16 und 17 an eine Reihenschaltung
eines Sonnenkollektors 18 mit einer Ladepumpe 19 angeschlossen
ist.
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Der
Brauchwasserpufferspeicher 2 weist vier weitere Anschlüsse 20, 21, 22 und 23 auf,
von denen der höchstgelegene
Anschluss 20 mit einer über
einen Anschluss 24 eines externen Vorrangumschaltventiles 25 zu
einem Umlaufwasserheizervorlauf 26 führenden Leitung 27 verbunden
ist. Ein zu einem von einem Brenner 28 beheizten Wärmetauscher 29 des
Umlaufwasserheizers 3 führender
Umlaufwasserheizerrücklauf 30 ist
mit dem nächsttiefergelegenen
Anschluss 21 durch eine Leitung 31 mittelbar über eine
Reihenschaltung eines internen Rücklaufumschaltventiles 32,
das ausser seinen beiden Endstellungen auch eine Vielzahl möglicher
Zwischenstellungen einzunehmen imstande ist, also eine Mischfunktion
aufweist, mit einer Umwälzpumpe 33 verbunden.
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Eine
Brennstoff- vorzugsweise Gaszufuhrleitung 61 zum Brenner 28 ist
mit einer ein Magnetventil aufweisenden Brennersteuerung 62 und
die Umwälzpumpe 33 mit
einem Motor 63 versehen. Beide Umschaltventile 25 und 32 weisen
einen Stellantrieb 64 bzw. 65 auf. An einer Seitenwand
des Brauchwasserpufferspeichers 2 sind in unterschiedlichen
Höhen zwei
Temperaturfühler 66 und 67 und
an der Umlaufwasservorlaufleitung 26 ein weiterer Temperaturfühler 68 angeordnet,
die alle drei über
Fühlerleitungen 69 mit
einem Regler 70 verbunden sind. Ein Sollwert wird dem Regler 70 über einen
Sollwertgeber 71 und zwar die Grösse einer Temperaturdifferenz
(zwischen den Werten der Temperaturfühler 66 und 67)
vorgegeben. Der Regler 70 wirkt über Stelleitungen 72 auf das
Stellventil der Brennersteuerung 62 und die Stellantriebe 64 und 65 sowie
den Motor 63 ein.
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Die
Umwälzpumpe 33 kann
darüberhinaus einen
Druckregler aufweisen, der den Differenzdruck über die Pumpe 33 in
den Leitungen 26/31 mit einem Fühler misst,
mit einem an einem Sollwertgeber am Regler vorgebbaren Wert vergleicht
und auf einen Differenzdruck von etwa 200 mBar entsprechend 2 m Wassersäule regelt.
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Mit
dem Umlaufwasserheizervorlauf 26 ist weiterhin über eine
an einen weiteren Anschluss 34 des externen Vorrangumschaltventiles 25 angeschlossene
Leitung 35 die Mischventileinrichtung 4 unmittelbar über ein
Revisionsventil 73 verbunden. Die Leitung 35 geht
durch die Mischventileinrichtung 4 hindurch, wobei sich
in der Mischventileinrichtung 4 stromab einer Leitungsverzweigung 36 eine
Schwerkraftbremse oder ein Rückflussverhinderer
oder Rückschlagventil 58 befindet.
Die sich am Ausgang 38, in dem sich ein weiteres Revisionsventil 73 befindet,
aus der Mischventileinrichtung 4 fortsetzende Leitung 35 führt zu dem
Hochtemperaturheizzweig 5, der aus einer Parallelschaltung
einer Vielzahl von je mit einem Thermostatventil 39 versehenen
Radiatoren und/oder Konvektoren 40 besteht. Eine Rücklaufleitung 41 des
Hochtemperaturheizzweiges 5 führt über ein weiteres Revisionsventil 73 zu
einer in der Mischventileinrichtung 4 angeordneten Verzweigungsstelle 42 und
setzt sich anschliessend über
eiin Druckregelventil 82 zu einer weiteren Verzweigungsstelle 43 und
danach zu dem Anschluss 22 am Brauchwasserspeicher 2 fort.
Die Parallelschaltung sämtlicher
Radiatoren oder Konvektoren 40 ist mittels eines Druckregelventiles 74 überbrückt, welches direkt
an die Leitungen 35 und 41 angeschlossen ist. Die
weitere Verzweigungsstelle 43 ist mittels einer Leitung 44 mit
einem weiteren Anschluss des internen Rücklaufumschaltventiles 32 verbunden.
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Von
der Leitungsverzweigung 36 führt innerhalb der Mischventileinrichtung 4 eine
mit einer Schwerkraftbremse oder einem Rückflussverhinderer oder Rückschlagventil 45 versehene
Leitung 46 zu einem ersten Eingang (E1) des eigentlichen
von einem Stellmotor 37 betätigbaren Mischventiles 47, das
noch zwei weitere Eingänge
(E2 und E3) besitzt, von denen der Eingang E3 verschlossen ist,
aber für andere
Verwendungsfälle
geöffnet
und verwendet werden kann. Der Eingang E2 ist über eine Schwerkraftbremse
oder einen Rückflussverhinderer
oder Rückschlagventil 55 mit
der Verzweigungsstelle 42 in der Rücklaufleitung 41 verbunden.
Ein Ausgang A des eigentlichen Mischventiles 47 ist über eine
Leitung 48 mit einem im Gegenstromprinzip wirkenden Plattenwärmetauscher 49 verbunden,
der Teil des Niedertemperaturheizzweiges 6 ist. Rücklaufseitig
ist der Plattenwärmetauscher 46 mit
einer durch die Mischventileinrichtung 4 hindurchgehenden
Leitung 50 verbunden, die zum Anschluss 23 führt. Der
Niedertemperaturheizzweig 6 weist sekundärseitig
einen Kreis 51 auf, der aus einer Serienschaltung einer
Sekundärseite 52 des
Plattenwärmetauschers 49 mit
einer oder mehreren, mit je einem weiteren Thermostatventil 39 versehenen,
Fussbodenheizschlangen 53 mit einer Umwälzpumpe 54 besteht,
die über
zwei weitere Revisions-ventile 73 angeschlossen sind. Die Temperatur
des Vorlaufs in der Leitung 75 im Niedertemperaturheizzweig 6 wird
von einem Temperatur-fühler 76 gemessen.
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In
der Leitung 50 befindet sich zwischen dem Auslass an der
Mischventileinrichtung 4 und dem Anschluss 23 ein
Umschaltventil 77, dessen Antrieb 78 von einem
Temperaturfühler 79 betätigbar ist,
welcher seinen gemessenen Wert mit einem von einem Sollwertgeber 80 eingestellten
Wert vergleicht.
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Die
Heizungsanlage nach 1 mit dem Pufferspeicher 2,
der beispielhaft über
eine Solaranlage 18 regenerativ beheizt wird und in dessen
Inneren 10 sich ein Trinkwarmwasserbehälter befindet, besitzt folgende
Funktion: Aufgrund der Wärmeausdehnung
und Schwerkraft sammelt sich bei schlanken, hochkant stehenden Gefässen das
heissere Wasser oben und das kältere
Wasser unten. Der Pufferspeicher 2 verfügt über vier auf verschiedenen
Höhen liegende
Anschlüsse 20 bis 23,
sodass dadurch zwischen je zweien dieser Anschlüsse insgesamt drei Temperaturzonen
entstehen. Ziel einer regenerativen Wärmenutzung muss es sein, die
oberste Heisszone schnellstmöglich
zu erhitzen und so lange wie möglich
heiss zu erhalten, während
die unterste Kaltzone so schnell wie möglich abgekühlt und so lange wie möglich kalt
gehalten werden muss. Einem Umlaufwasserheizer 3 mit einem
zur Trinkwarmwasserbereitung in seinem Rücklauf integrierten als Mischventil
ausgebildeten Umschaltventil (RUV) 32 wird daher im Vorlauf
ein externes zweites Umschaltventil (VUV) 25 nachgeschaltet,
welches jetzt in der Trinkwarmwasserbereitung den obersten Anschluss 20 des
Pufferspeichers 2 mit dem Vorlauf 26 des Umlaufwasserheizers 3 verbindet,
so dass die Heisszone schnellstmöglich
aufgeheizt werden kann. Dies geschieht am besten dadurch, dass der
Rücklauf 30 des
Umlaufwasserheizers 3 mit dem zweitobersten Anschluss 21 verbunden
wird, wozu man das Umschaltventil RUV 32 in die entsprechende
Stellung bringt. Auf diese Weise wird die brennstoffbasierte Wärme nur
in die oberste Heisszone des Pufferspeichers 2 eingebracht,
die dadurch schnellstmöglich die
geforderte Mindesttemperatur erreicht. Diese wird durch den Warmwasser-Speichertemperaturfühler 66 gemessen,
der zwischen den beiden obersten Anschlüssen 20 und 21 angebracht
ist.
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Ist
die in der Regel vorrangige Trinkwarmwasserbereitung abgeschlossen,
geht der Umlaufwasserheizer 3 in den Heizbetrieb über und
das Umschaltventil (VUV) 25 wird vom Regler 71 umgeschaltet.
Im Ausführungsbeispiel
der 1 sind zwei Heizkreise, ein Niedertemperatur- 5 und ein
Hochtemperaturheizkreis 6 zu versorgen. Der hier dargestellte spezielle
Mehrwege-Mischverteiler 4 hat drei Anschlüsse zu den
Wärmeerzeugern
und nutzt den Rücklauf 41 des
Hochtemperaturkreises 5 als Vorlauf 48 für die Systemtrennung
des Niedertemperaturkreises. Der oberste Anschluss der Mischventileinrichtung 4 ist
im Heizbetrieb über
das Umschaltventil (VUV) 25 mit dem Vorlauf 26 des
Umlaufwasserheizers 3 verbunden. Dessen eingebaute Pumpe 33 transportiert
das heisse Vorlaufwasser über
eine Schwerkraftbremse bzw. einen Rückflussverhinderer 58 in
den Vorlauf des Hochtemperaturkreises 5. Ein zu seinen
Heizflächen 40 parallel
geschaltetes druckgeregeltes Überströmventil 74 kann
dabei den Mindestumlauf sichern und den Differenzdruck über den Heizflächen 40 und
dem Niedertemperatur-Mischventil 47 auf typische 1–2 mWS bzw.
100–200
mbar begrenzen. Alternativ dazu kann auch eine differenzdruckgeregelte
Pumpe 33' im
Umlaufwasserheizer 3 eingesetzt werden. Aus dem Rücklauf des
Hochtemperaturkreises gelangt das noch warme Heizungswasser über ein
zweites druckgeregeltes Überströmventil
zum mittleren Anschluss des Mischventiles 47 und von dort
zum drittobersten Pufferspeicheranschluss 22. Dieses druckgeregeltes Überströmventil erzeugt
etwa einen Druckabfall von 0,6 mWS bzw. 60 mbar, der das Heizungswasser
auch ohne weitere Pumpe durch die Systemtrennung fliessen lässt. Das 3/2-Wege-Mischventil
besitzt drei Eingänge
E1 bis E3 und einen Ausgang A: E1 verbindet den Ausgang mit dem
heissen Vorlauf 30 aus dem Umlaufwasserheizer 3,
E2 mit dem druckseitigen Teil Hochtemperaturrücklaufes 41 und der
Eingang E3 ist dauerhaft verschlossen, so dass das Ventil in dieser
Stellung den Wasserdurchsatz zum Ausgang unterbricht. Dadurch ist
es möglich,
die am Ausgang angeschlossene Systemtrennung entweder durch eine
Mischung von heissem Vorlaufwasser aus dem Umlaufwasserheizer und
warmem Hochtemperaturkreis-Rücklauf zu
regeln (3-Wege-Mischbetrieb) oder aber durch eine Drosselung des
Durchsatzes von Hochtemperaturkreis-Rücklauf (2-Wege-Drosselbe trieb).
Dies hat die beiden Vorteile, dass erstens eine Pumpe vor der Systemtrennung
eingespart und zweitens eine niedrige Rücklauftemperatur aus der Systemtrennung
erreicht wird. Dieses Verfahren und seine Vorrichtung sind zum Patent
(Az. 10 2007 059 750.0) angemeldet. Der Stellantrieb des 3/2-Wege-Mischventils
wird über
ein herkömmliches
3-Punkt-Signal angesteuert, womit die Vorlauftemperatur hinter der.
Systemtrennung geregelt wird. Während
der nicht benötigte Überschuss
des Hochtemperatur-Rücklaufes über das
druckgeregelte Überströmventil
zum drittobersten Pufferspeicheranschluss zurückfliesst, gelangt der kalte
Rücklauf
aus der Systemtrennung des Niedertemperaturkreises zum untersten
Pufferspeicheranschluss 23 zurück.
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Auf
seinem Weg dorthin kann optional ein in vielen Solaranlagen übliches
Differenz-Temperatur-Umschaltventil (DTU) eingesetzt werden. Dieses wird
von einer Differenz-Temperatur-Steuerung (DTS) angesteuert und führt das
Heizungswasser nur dann in den Pufferspeicher, wenn der Rücklauf kälter ist
als die Kaltzone des Pufferspeichers. Dies ist nicht Gegenstand
der Erfindung und wird nur beispielhaft gezeigt. Der Umlaufwasserheizer
verfügt üblicherweise über eine
Regelung mit mindestens einem integrierten Vorlauffühler (VFint),
einem Aussentemperaturfühler
(AF) und einem WWSF als Sensoren sowie eine Brennersteuerung mit
Brennstoffventil, einen Stellantrieb des Umschaltventiles RUV und die
integrierte Umwälzpumpe 33 als
Aktoren. Dabei wird der Sollwert der Vorlauftemperaturregelung üblicherweise
witterungsabhängig
mittels einer Heizkurve aus der Aussentemperatur abgeleitet, die
ebenfalls üblicherweise
zeitabhängig
ist. Durch Einsatz des zweiten Niedertemperaturkreises kommt ein
weiterer Regelkreis mit einer zweiten Heizkurve und einem zweiten
Vorlauffühler
hinzu, der über
ein 3-Punkt-Signal und den Stellantrieb des Mischventils in seiner
Vorlauftemperatur geregelt wird.
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Da
die hier als optimal beschriebene Beladung der Heisszone des Pufferspeichers 2 nicht über ein
im Rücklauf
eingebautes Umschaltventil RUV möglich
ist, wird dieses werkseitig integrierte Bauteil durch das hier beschriebene
Umschaltventil VUV nutzlos. Jedoch ist es eine Anforderung der Effizienz und
des Komforts, sämtliche
Heizkreise in ihrer Vorlauftemperatur regeln zu können. Zwar
kann nämlich der
Umlaufwasserheizer 3 bei einem entleerten Pufferspeicher 2 durch
Nachheizen die Vorlauftemperatur anheben, nicht jedoch bei einem
vollen Pufferspeicher diese auch absenken. Hier nun liegt die Erfindung
darin, das nutzlos gewordene Umschaltventil RUV als Mischventil
im Rücklauf
(RMV) des Umlaufwasserheizers einzusetzen und dadurch wirtschaftlich
zu nutzen. Dies ist insbesondere bei solchen Ausführungen
möglich,
deren Stellantrieb schon heute eine Vielzahl von Zwischenstellungen
ermöglicht, wie
etwa bei Schrittmotoren. Dadurch kann der Umlaufwasserheizer mit
seinem Rücklauf
auf eine Mischung des zweitobersten Pufferanschlusses und des Hochtemperaturkreis-Rücklaufes
bzw. des drittobersten Pufferanschlusses zugreifen und dadurch seine
eigene Vorlauftemperatur auch absenkend regeln.
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Beim
Ausführungsbeispiel
nach 2 ist der Brauchwasserspeicherraum 12 innerhalb
des Stufeneinsatzes 11 entfallen, das Brauchwasser wird
im Durchlaufverfahren von einer die Leitungen 9 und 14 verbindenden
Rohrschlange 81 erwärmt.
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Im
Gegensatz zu 1 erfolgt bei der Ausführung nach 2 die
Trinkwarmwasserbereitung hier über
den im Pufferspeicher 3 liegenden wendelförmigen Rohrwärmetauscher 81,
beispielsweise aus Edelstahl-Wellrohr.
Auch solche Kombipuffer sind weit verbreitet. Der Niedertemperaturmischer 47 ist beispielhaft
als 3 × 4
Mehrwege-Mischverteiler ohne Systemtrennung dargestellt. Sein 3/3-Wege-Mischer versorgt
den Niedertemperatur-Vorlauf entweder aus einer Mischung von heissem
Umlaufwasserheizer-Vorlauf 35 mit warmem Hochtemperatur-Rücklauf 41 oder
von warmem Hochtemperatur-Rücklauf 41 mit
kaltem Niedertemperatur-Rücklauf 50.
Die sich durch unterschiedliche Wasserströme ergebende Differenz kann
in beide Richtungen zum mittleren der drei unteren Pufferanschlüsse 22 strömen. Auch dieses
Verfahren der Wärmeentnahme
ist zum Patent angemeldet (DP 102 45 572.4) und sorgt durch Zwei-Zonen-Entladung
für die
beschriebene schnelle Auskühlung
der untersten Kaltzone bei gleichzeitiger Verlängerung der Standzeit der mittleren
Warmzone des Pufferspeichers 2.
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Beim
Ausführungsbeispiel
nach 3 ist analog 1 der Brauchwasserspeicherraum 12 wieder
vorhanden, dafür
ist die Leitung 41 entfallen, die Leitung 50 ist
an eine Einmündungsstelle 83 stromab
des Druckregelventiles 82 in die Leitung 41 geführt.
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3 zeigt
als weiteres Ausführungsbeispiel wieder
einen Pufferspeicher 3 mit innenliegendem Trinkwarmwasserspeicher.
Im Gegensatz zu dem der 1 wird jedoch der Niedertemperaturkreis 6 über einen
2 × 4
Mehrwege-Mischverteiler versorgt. Dieser nutzt zwar auch den Hochtemperaturkreis-Rücklauf 41 zur
Versorgung der Systemtrennung des Niedertemperaturkreises 6 mit
dem bereits beschriebenen 3/2-Wege-Ventil,
hat aber im Gegensatz zum 3 × 4-Ventil
nur zwei Anschlüsse
zu den Wärmeerzeugern,
indem er den mittleren und den unteren Anschluss des 3 × 4-jet
zu einem gemeinsamen Anschluss zusammenführt. Auch dieses Verfahren
der Wärmeentnahme
ist zum Patent angemeldet (DP 102 45 571.6). Durch ihre nur zwei
Anschlüsse
ist diese Verteileinrichtung besonders für Pufferspeicher geeignet,
die nur drei Anschlüsse
haben und demzufolge im Heizbetrieb nicht über die beschriebene Zwei-Zonen-Entladung
betrieben werden können. Der
zweitunterste Anschluss des Puffers kann also entfallen.
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Die 4 zeigt
die Möglichkeit,
dass die Schaltung nach 2 bezüglich der Brauchwassererwärmung im
Durchlaufverfahren mit der vereinfachten Ausführung der Verrohrung nach 3 kombinierbar
ist und dass der Plattenwärmetauscher 49 entfallen
kann, wenn der ansonsten verschlossene Eingang E3 an eine Einmündungsstelle 84 in
der Leitung 50 angeschlossen wird.
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4 zeigt
als weiteres Ausführungsbeispiel wieder
einen Pufferspeicher 2 mit einem integrierten Rohrwendelwärmetauscher 81 zur
Trinkwarmwasserbereitung. Der Niedertemperaturmischer 47 ist beispielhaft
als 2 × 4
Mehrwege-Mischverteiler ohne Systemtrennung dargestellt. Sein 3/3-Wege-Mischer versorgt
den Niedertemperatur-Vorlauf entweder aus einer Mischung von heissem
Umlaufwasserheizer-Vorlauf 26 mit
warmem Hochtemperatur-Rücklauf 41b oder
von warmem Hochtemperatur-Rücklauf 41 mit
kaltem Niedertemperatur-Rücklauf 50.
Die sich durch unterschiedliche Wasserströme ergebende Differenz kann
in beide Richtungen über
einen internen Bypass 100 strömen. Auch diese Anordnung entsteht,
indem man beim bereits beschriebenen 3 × 4 Mehrwege-Mischverteiler
die beiden unteren Anschlüsse
zu den Wärmeerzeugern
zu einem einzigen zusammenfasst. Für dieses Verfahren der Wärmeverteilung
ist ein Patent erteilt worden (DP 198 21 256.9-34). Auch dieses Ausführungsbeispiel
ist besonders für
Pufferspeicher 2 geeignet, die nur drei Anschlüsse haben
und demzufolge im Heizbetrieb nicht über die beschriebene Zwei-Zonen-Entladung betrieben
werden können.
Der zweitunterste Anschluss des Puffers kann also entfallen.
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Bei
der 5 ist der Niedertemperaturheizzweig 6 zusammmen
mit der Mischventileinrichtung 6 entfallen, der Brauchwasserpufferspeicher 2 ist
als Schichtspeicher ausgebildet und die Leitungen 31 und 41 sind
mit sich über
eine grössere
Höhe mit Auslassöffnungen 84, 85 versehenen
Mündungsrohren 86 und 87 ausgestattet.
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Diese 5 schließlich zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem das interne Umschaltmischventil 32 des Umlaufwasserheizers 3 als
Rücklaufmischventil
mit nur einem einzigen Heizkreis eingesetzt wird. Als besonderes
Merkmal des Pufferspeichers 2 werden hier Ansaug- und Mündungsrohre 101 und 103 mit
Vorrichtungen 102 und 104 zum Brechen des mechanischen
Impulses gezeigt, weshalb solche Pufferspeicher auch Schichtspeicher
genannt werden. Im Gegensatz zu der hier gewählten Ausführung mit insgesamt vier Pufferanschlüssen sind
auch solche mit nur dreien bekannt, was der Erfindung, wie bereits
gezeigt, keinen Abbruch leistet. Aus der Regeleinrichtung 70 entfallen
dann die Mess- und Stelleinrichtung des Niedertemperaturkreises 6.
Da dieser einfachere Fall den Standard beschreibt, ist es üblich, diese
Komponenten als Erweiterungszubehör der Regelung zu vertreiben.
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Weitere
Möglichkeiten,
das erfindungsgemässe
Verfahren und die erfindungsgemässen
Vorrichtungen zu nutzen, stellen die Ausführunngen nach den 6 bis 9 dar.
Gezeigt werden hier die gleichen Wärmeverteilungen wie zuvor schon
in den 1 bis 4, wobei im Gegensatz zu diesen hier
kein Umlaufwasserheizer 3 zum Nachheizen erorderlich ist,
was besonders in Verbindung mit Pelletheizkesseln und Wärmepumpen
auf Kompressionsbasis von praktischer Bedeutung ist. Vor allem bei Wärmepumpen
muss auf einen schonenden Umgang mit heissem Wasservorrat geachtet
werden, da bei diesen Maschinen der thermodynamische Wirkungsgrad
mit steigender Vorlauftemperatur stark abnimmt. Es ist also von
Interesse, bei der Wärmeentnahme
nur so gering wie möglich,
auf den zweitobersten Anschluss 21 des Pufferspeichers 2 zuzugreifen
und stattdessen der darunter liegenden Wärmezone auf geringerem Temperaturniveau
zunächst sämtliche
verwertbare Wärme
zu entziehen. Dies geschieht, indem man der Misch- und Verteileinrichtung für den Niedertemperaturkreis 6 in
der gleichen Weise den 3-Wege-Mischer 32 vorschaltet, wie
dies bereits für
das Rücklaufmischventil
des Umlaufwasserheizers 3 offenbart wurde. Dabei wird das
gleiche Reglerschema gemäss 10 verwendet. 6 zeigt
beispielsweise einen Pufferspeicher 2 mit vier Anschlüssen, dessen
Trinkwarmwasserbereitung über
eine übliche
externe Wärmetauscherstation
erfolgt. Der dem 3 × 4
Mehrwege-Mischverteiler 47 vorgeschaltete 3-Wege-Mischer 32 versorgt
den Hochtemperaturkreis 5 durch eine Mischung aus dem zweit-obersten
Pufferanschluss 21 mit dem Hochtemperatur-Rücklauf 41.
Die dem 3-Wege-Mischer nachgeschaltete Pumpe 33 fördert das
Heizungswasser durch den 3 × 4
Mehrwege-Mischverteiler 47, so dass es auch dem 3/2-Wege-Ventil
als heissem Vorlauf an seinem Eingang E1 zur Verfügung steht. Über das
im Hochtemperatur-Rücklauf 41 eingesetzte
differenzdruckgeregelte Überströmventil
(typisch: 0,6 mWS bzw. 60 mbar) steht am Eingang E2 des 3/2-Wege-Ventils
auch warmer Hochtemperatur-Rücklauf 41 zur
Verfügung.
Die Systemtrennung am Ausgang A des 3/2-Wege-Ventils wird also wieder
ohne Primärpumpe
entweder aus einer Mischung dieser beiden Temperaturen versorgt
(3-Wege-Mischung)
oder aus dem gedrosselten Hochtemperatur-Rücklauf allein (2-Wege-Drosselung).
Das differenzdruckgeregelte Überströmventil
im Hochtemperaturkreis (typisch: 1–2 mWS bzw. 100–200 mbar) begrenzt
dabei den Differenzdruck über
dem 3/2-Wege-Ventil, was auch mit einer differenzdruckgeregelten
Pumpe 33 im Hochtemperaturkreis erreicht werden kann. Das
im Rücklauf
zum untersten Pufferspeicheranschluss 23 dargestellte Differenz-Temperatur-Umschaltventil 77 stellt
lediglich eine Option dar und ist nicht Bestandteil der Erfindung.
Die Ansteuerung der Stellantriebe beider Mischeinrichtungen 32 und 47 erfolgt über 3-Punkt-Signale.
Sie wirkt auf die jeweilige Vorlauftemperatur, die mittels eines
Fühlers gemessen
und über
den Soll-Ist-Vergleich im Regler abgeglichen wird. Wieder sorgt
die beschriebene Maximum-Funktion dafür, dass zu jeder Zeit die Anforderung
der nachgeschalteten Mischkreise berücksichtigt wird.
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7 zeigt
als weiteres Ausführungsbeispiel die
gleiche Wärmeerzeuger-
und Pufferspeicheranordnung, wobei der 3 × 4 Mehrwege-Mischverteiler 4 den
Niedertemperaturkreis 6 ohne Systemtrennung über seinen
3/3-Wege-Mischer 47 entweder aus einer Mischung von heissem
Wasser aus dem zweit-obersten Pufferspeicheranschluss 21 mit
dem Hochtemperatur-Rücklauf 41 versorgt
oder aus einer Mischung von Hochtemperatur-Rücklauf 41 mit Niedertemperatur-Rücklauf 50.
Hier kann im Gegensatz zum 3 × 4
Mehrwege-Mischverteiler 4 die Hochtemperaturkreispumpe 33 der
Mischeinrichtung nachgeschaltet werden. Dadurch kann der Hochtemperaturkreis 5 vom
Regler 70 durch Abschalten seiner Pumpe 33 unabhängig vom
jeweiligen Sollwert separat zu- und abgeschaltet werden.
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8 zeigt
beispielsweise als Niedertemperatur-Misch- und Verteileinrichtung
einen 2 × 4-Mehrwege-Mischverteiler 4.
Im Gegensatz zur Ausführung nach 6 sind
hier die beiden unteren Anschlüsse des
3 × 4-jet
Mehrwege-Mischverteilers zu einem gemeinsamen Anschluss zusammengefasst
herausgeführt. 8 zeigt
jedoch im Gegensatz zu 3 die Anbindung an einen Puffer
mit vier Anschlüssen.
Der Anschluss eines Puffers mit nur drei Anschlüssen erfolgte also analog zu 3.
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9 schließlich zeigt
schließlich
als Niedertemperatur-Misch- und Verteileinrichtung einen 2 × 4 Mehrwege-Mischverteiler.
Im Gegensatz zu 7 sind hier die beiden unteren
Anschlüsse
des 3 × 4
Mehrwege-Mischverteilers
zu einem gemeinsamen Anschluss zusammengefasst herausgeführt. 9 zeigt
jedoch im Gegensatz zu 4 die Anbindung an einen Puffer
mit vier Anschlüssen.
Der Anschluss eines Puffers mit nur drei Anschlüssen erfolgte also analog zu 4.
-
Der
Aufbau des Reglers 70 ergibt sich aus der 10 wie
folgt: Ein Aussentemperaturfühler 86 ist über eine
Leitung 87 sowohl mit einem Heizkurvenbildner 88 für den Hochtemperaturheizzweig 5 als auch
mit einem zweiten (oder weiteren) Heizkurvenbildner 89 für den Niedertemperaturheizzweig 6 verbunden,
die aus dem Istwert der Aussentemperatur Sollwerte für die Vorlauftemperaturen
bilden. Diese werden von einer Schaltuhr 90 über eine
Leitung 91 parallel verschoben (abgesenkt). Die Ausgänge der beiden
Heizkurvenbildner 88 und 89 sind mit einem Diskriminator 92 verbunden,
der den höheren
oder höchsten
der anstehenden Sollwerte aus dem oder der Vielzahl der Heizkurvenbildner 88 bis 89 auswählt. Der
Ausgang des Diskriminators 92 bildet je einen Eingang eines
der Einzelregler 93 bis 95, von denen der Einzelregler 93 ein
Proportionalregler ist, was die Charateristik 96 kenntlich
macht, während der
Einzelregler 94 ein Dreiunktregler ist, was die Charateristik 97 kenntlich
macht und der Einzelregler 95 ein weiterer Dreiunktregler
ist, was die Charateristik 98 kenntlich macht. Der Ausgang
des Einzelreglers 93 ist mit der Bennersteuerung 62,
der Ausgang des Einzelreglers 94 ist mit dem Antrieb 64 des
internen Umschaltmischventiles 32 des Umlaufwasserheizers 3 und
der Ausgang des Einzelreglers 95 ist mit dem Antrieb 99 des
internen eigentlichen Mischventiles 47 verbunden. Über die
Leitungen des Heizwassers ergeben sich Rückkopplungen zu den Temperaturfühlern 68 und 85.
Es besteht ein Vorrang der Verstellung des internen Umschaltmischventiles 32 des
Umlaufwasserheizers 3 vor dem Betätigen der Bennersteuerung 62 bei
steigender Wärmeanforderung
aus einem der Heizzweige 5 oder 6, das heisst, der
Brenner wird erst dann hochgesteuert, wenn das Mischventil 32 sich
in seiner Endlage befindet, und bei fallender Wärmeanforderung wird zunächst der Brenner
auf geringere Wärmelieferung
gesteuert und dann ausgeschaltet, bevor das geöffnete Mischventil 32 seine
Endlage verlässt.
-
Der
eben beschriebene Regler hat folgende Funktion: Wie dazu die vorhandene
Regelung des Umlaufwasserheizers 3 zu modifizieren ist,
zeigt 10. Vom Außenfühler AF 86 gelangt
die Aussentemperatur zu den beiden zeitabhängigen Heizkurven 88 und 89 des
Hoch- und Niedertemperaturkreises 5 und 6, mit
denen die beiden zeit- und aussentemperaturabhängigen Sollwerte der jeweiligen
Vorlauftemperatur berechnet werden. Während der Sollwert des Niedertemperaturkreises 6 direkt
mit dem Istwert verglichen und die Regelabweichung über ein 3-Punkt-Signal auf
die Niedertemperaturkreis-Mischeinrichtung wirkt, wird der Sollwert
des Hochtemperaturkreises 6 zunächst über eine Maximum-Funktion im
Diskriminator 92 mit dem Sollwert des Niedertemperaturkreises 6 abgeglichen.
Diese Funktion leitet unter zwei oder mehr Eingangssignalen nur
den Maximalwert aller Eingänge
zum Ausgang hindurch. Der Grund dafür ist, dass das Rücklaufmischventil 32 als vorgeschaltetes
Mischventil nicht nur die Vorlauftemperatur des Hochtemperaturkreises 5 beeinflusst, sondern
auch die Vorlauftemperatur des nachgeschalteten Niedertemperaturkreises 6 und
dessen Mischeinrichtung 47. Wäre also beispielsweise zeitabhängig der
Sollwert des Hochtemperaturkreises 5 kleiner als der des
Niedertemperaturkreises 6, so wäre der nachgeschaltete Niedertemperaturkreismischer 47 nicht
mehr in der Lage, die Anforderung seines Kreises zu erfüllen. Durch
die Maximum-Funktion ist jedoch sichergestellt, dass die Anforderung
des nachgeschalteten Mischkreises von vornherein mit berücksichtigt
wird. Dies gilt ausdrücklich
auch für mehrere
nachgeschaltete Niedertemperaturkreise. Der so gebildete Maximum-Sollwert
gelangt zum einen zu dem Regler 94, der mittels eines 3-Punkt-Signals 97 das
Mischventil 32 steuert und zum anderen über ein hier als beispielhaft
für ein
modulierendes System dargestelltes Proportionalsignal den Brenner 28 des
Umlaufwasserheizers 3 steuert, wobei durch eine geeignete
Freigabe sichergestellt ist, dass zunächst durch Öffnen des Mischventiles 32 dem
Pufferspeicher 2 vorhandene regenerative Wärme entzogen
wird, bevor man neuen Brennstoff im Umlaufwasserheizer 3 einsetzt.
-
Der
besondere wirtschaftliche Nutzen der Erfindung liegt also darin,
ein Verfahren und eine Vorrichtung zu beschreiben, die es ermöglichen,
regenerative Wärme
ebenso effizient wie komfortabel zu nutzen unter Einsatz von Komponenten,
die bereits heute zum Teil in den Großserienprodukten (Umlaufwasserheizer)
enthalten sind, was ihren wirtschaftlichen Nutzen ausserordentlich
steigert.
-
- 1
- Heizungsanlage
- 2
- Brauchwasserpufferspeicher
(BWPS)
- 3
- Umlaufwasserheizer
(UWH)
- 4
- Mischventileinrichtung
- 5
- Hochtemperaturheizzweig
- 6
- Niedertemperaturheizzweig
- 7
- Oberseite
des BWPS
- 8
- Ventil
der BWL
- 9
- Brauchwasserleitung
(BWL)
- 10
- Innenraum
(BWPIR) des BWP
- 11
- Brauchwasserspeicher
(BWS) im BWPIR, hier stufenförmig
- 12
- Brauchwasserinnenraum
(BWIR) des BWP
- 13
- Heizungswasserinnenraum
(HWIR) des BWP
- 14
- Kaltwasserzulaufleitung
(KWZL)
- 15
- Solarwärmetauscherrohrschlange
(SWTRS)
- 16
- Vorlaufanschluss
der SWTRS
- 17
- Rücklaufanschluss
der SWTRS
- 18
- Solarkollektor
- 19
- Solarladepumpe
- 20
- oberster
Anschluss des BWPS
- 21
- zweit-oberster
Anschluss des BWPS
- 22
- zweit-unterster
Anschluss des BWPS
- 23
- unterster
Anschluss des BWPS
- 24
- Ladeausgang
des exVUV
- 25
- externes
Umschaltventil im Vorlauf (exVUV)
- 26
- Vorlaufleitung
des UWH
- 27
- Brauchwasserladevorlaufleitung
(BWLVL)
- 28
- Brenner
des UWH
- 29
- Primärwärmetauscher
(PWT) des UWH
- 30
- Rücklaufleitung
des UWH
- 31
- Heizrücklaufleitung
des UWH
- 32
- internes
Umschaltventil im Rücklauf
(intRUV)
- 33
- interne
Umwälzpumpe
des UWH
- 34
- Heizausgang
des exVUV
- 35
- Heizvorlaufleitung
- 36
- Leittungsverzweigung
- 37
- Stellmotor
- 38
- Ausgang
- 39
- Thermostatventil
- 40
- Radiator
- 41
- Rücklauf
- 42
- Verzweigungsstelle
- 43
- Verzweigungsstelle
- 44
- Leitung
- 45
- Rückschlagventil
- 46
- Leitung
- 47
- Mischventil
- 48
- Leitung
- 49
- Plattenwärmetauscher
- 50
- Leitung
- 51
- Kreis
- 52
- Sekundärseite
- 53
- Heizschlange
- 54
- Umwälzpumpe
- 55
- Rückschlagventil
- 56
-
- 57
-
- 58
- Rückschlagventil
- 59
- Gefäss
- 60
- unterer
Bereich
- 61
- Brennstoffleitung
- 62
- Brennersteuerung/Magnetventil
- 63
-
- 64
- Magnetantrieb
- 65
- Magnetantrieb
- 66
- Temperaturfühler
- 67
- Temperaturfühler
- 68
- Temperaturfühler
- 69
- Leitung
- 70
- Regler
- 71
- Sollwertgeber
- 72
- Leitung
- 73
- Revisionsventil
- 74
- Druckregelventil
- 75
- Leitung
- 76
- Temperaturfühler
- 77
- Umschaltventil
- 78
- Antrieb
- 79
- Temperaturfühler
- 80
- Sollwertgeber
- 81
- Rohrschlange
- 82
- Druckregelventil
- 83
- Einmündungsstelle
- 84
- Einmündungsstelle
- 85
- Temperaturfühler
- 86
- Aussentemperaturfühler
- 87
- Leitung
- 88
- Heizkurvenbildner
- 89
- Heizkurvenbildner
- 90
- Schaltuhr
- 91
- Leitung
- 92
- Diskriminator
- 93
- Regler
- 94
- Regler
- 95
- Regler
- 96
- Charakteristik
- 97
- Charakteristik
- 98
- Charakteristik
- 99
- Antrieb
- 100
- Bypass
- 101
- Rohr
- 102
- Brecher
- 103
- Rohr
- 104
- Brecher