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Die Erfindung betrifft Verfahren zur Erwärmung von Wasser variablen Volumenstroms nach dem Durchlaufprinzip nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 3, bei denen ein Wärmeerzeuger ein von einer Pumpe in einem Kreislauf gefördertes Heizfluid erwärmt, das Heizfluid ein im Durchlauf geführtes Wasser erwärmt, und mindestens ein in einem Wasserweg angeordneter Messfühler eine Auslauftemperatur TW und/oder einen Volumenstrom VW des Wassers misst. Ferner betrifft die Erfindung ein Wassererwärmungssystem nach dem Durchlaufprinzip nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 10 mit einem Wärmeerzeuger, einem vom Wärmeerzeuger beheizten Heizfluidkreislauf, der von einer Pumpe gefördert wird, einem vom Heizfluidkreislauf beheizten Wasserdurchlauf und mindestens einem in einem Wasserweg angeordneten Messfühler zum Erfassen einer Auslauftemperatur TW und/oder eines Volumenstroms VW des Wassers.
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Diese Verfahren kommen zum Beispiel in sogenannten Kombinationsheizgeräten zur Anwendung. Kombinationsheizgeräte können zwei Heizaufgaben lösen, beispielsweise eine Warmwasserheizung für die Raumerwärmung sowie eine Trinkwarmwasserbereitung für Anwendungen in Küche und Sanitärbereich. In der Regel erwärmt ein im Heizgerät angeordneter Wärmeerzeuger (Wärmequelle) über einen Primärwärmetauscher ein im Kreislauf fließendes Heizfluid (Heizungswasser), das in einem Raumheizungsmodus von einer Pumpe (Umwälzpumpe) von dem Heizgerät über Vorlauf- und Rücklaufleitungen bis in die zu beheizenden Räume gefördert wird und dort die Wärme beispielsweise über Raumheizkörper (Verbraucher, Wärmesenke) an den Raum abgibt. In einem Modus zur Trinkwarmwasserbereitung lenkt ein Umschaltventil das Heizfluid zu einem oft ebenfalls im Heizgerät angeordneten Sekundärwärmetauscher (zum Beispiel Plattenwärmetauscher), wo es die Wärme an ein durchfließendes Trinkwasser überträgt.
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Der Wärmeerzeuger kann ein mit Heizöl oder Erdgas befeuerter Brenner, aber auch ein mit elektrischer Energie arbeitender Wärmeerzeuger sein. Der Wärmeerzeuger kann seine Wärmeleistung einschalten und ausschalten sowie in der Regel auch zwischen einer von Null verschiedenen Minimalleistung und einer Maximalleistung (Nennleistung) modulieren.
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Im Trinkwarmwassermodus kann damit Trinkwasser unterschiedlicher Volumenströme erwärmt werden. Für die Trinkwarmwasserbereitung können über einen Thermostaten, ein Regelgerät und/oder andere Komponenten eine Trinkwarmwasser-Solltemperatur sowie minimal und maximal zulässige Auslauftemperaturen vorgegeben werden. Der Betrag einer an den Wärmeerzeuger gestellten Wärmeanforderung zur Erreichung der Trinkwarmwasser-Solltemperatur ergibt sich aus dem Trinkwasservolumenstrom, der Temperatur des in den Sekundärwärmetauscher einlaufenden kalten Trinkwassers (Einlauftemperatur), der Solltemperatur des aus dem Sekundärwärmetauscher auslaufenden warmen Trinkwassers (Trinkwarmwasser) und der Wirkungsgradkette für die Wärmeübertragung zwischen Wärmeerzeuger und Trinkwarmwasser.
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Es können nur solche Wärmeanforderungen, die im Bereich zwischen Minimalleistung und Maximalleistung des Wärmeerzeugers liegen, kontinuierlich und zuverlässig erfüllt werden. Ist die Wärmeanforderung größer als die maximale Wärmeleistung, so wird entweder die Solltemperatur oder der Volumenstrom des Trinkwarmwassers nicht erreicht (unterschritten). Ist die Wärmeanforderung kleiner als die minimale Wärmeleistung, so bleiben der Wärmeerzeuger und die Umwälzpumpe entweder dauerhaft ausgeschaltet oder sie müssen takten. Der Wärmeerzeuger geht dann in einen taktenden Betrieb über, wenn bei minimaler Wärmeleistung die gemessene Wasser-Auslauftemperatur die vorgegebene Wasser-Solltemperatur beziehungsweise die vorgegebene maximal zulässige Auslauftemperatur überschreitet. Takten bedeutet, dass der Wärmeerzeuger und/oder die Umwälzpumpe in kurzen Zeitabständen wiederholt einschalten und ausschalten und so im zeitlichen Durchschnitt gemittelte Wärmeleistungen bereitstellen, die kleiner als die minimale Wärmeleistung sind.
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Im Taktbetrieb von Wärmeerzeuger und Umwälzpumpe kann die Auslauftemperatur des Trinkwarmwassers nicht konstant auf Solltemperatur TW0 gehalten werden, sondern schwankt synchron und eventuell etwas zeitversetzt mit den Ein- und Austaktungen (Ein- und Ausschaltungen) zwischen einer minimal zulässigen Auslauftemperatur TW0,MIN und einer maximal zulässigen Auslauftemperatur TW0,MAX. Diese minimal und maximal zulässigen Auslauftemperaturen bilden ein zulässiges Solltemperaturintervall (Hysterese). Da der Wärmeerzeuger selbst bei Minimalleistung gemessen an der Wärmeanforderung zuviel Wärme erzeugt, steigt die Auslauftemperatur des durch den Sekundärwärmetauscher fließenden Wassers bei eingeschaltetem Wärmeerzeuger und eingeschalteter Umwälzpumpe schnell an und erreicht bald die maximal zulässige Auslauftemperatur. Zu diesem Zeitpunkt werden der Wärmeerzeuger und die Umwälzpumpe durch den Thermostaten oder das Regelgerät ausgeschaltet, um ein Überschreiten der maximal zulässigen Auslauftemperatur und ein eventuelles Verbrühen eines Nutzers zu verhindern. Somit strömt anschließend bei ausgeschaltetem Wärmeerzeuger und ausgeschalteter Umwälzpumpe unerwärmtes, kaltes Wasser aus dem Sekundärwärmetauscher aus, die Auslauftemperatur fällt schnell und erreicht bald die minimal zulässige Auslauftemperatur, woraufhin der Wärmeerzeuger und die Umwälzpumpe schließlich wieder einschalten.
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Besonders von Trinkwarmwasserbereitern wird ein hoher Warmwasserkomfort gefordert, das bedeutet eine möglichst genaue Einhaltung der Trinkwarmwasser-Solltemperatur bei verschiedenen Trinkwarmwasser-Zapfverläufen. Die einschlägigen Normen prüfen beispielsweise die Abweichung der Auslauftemperatur von der Solltemperatur bei andauernder Zapfung mit geringen und hohen Volumenströmen, bei unterbrochener Zapfung mit kürzeren und längeren Zapfpausen und anderes mehr. Gerade der Taktbetrieb von Wärmeerzeuger und Umwälzpumpe stellt hinsichtlich der Komfortanforderungen wegen der oben beschriebenen Schwankungen der Auslauftemperatur einen kritischen Betriebspunkt dar.
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Neben den ungünstigen Auswirkungen eines Taktbetriebes auf den Trinkwarmwasserkomfort gibt es auch Aspekte der Lebensdauer und Effizienz, die gegen einen Taktbetrieb sprechen. Ein häufiges Ein- und Ausschalten verringert durch die hohe Anzahl mechanischer und thermischer Belastungszyklen die Lebensdauer und verkürzt die Wartungsintervalle der verwendeten Komponenten. Außerdem wird auch die Wärmeübertragungseffizienz durch häufige und wiederholte Auskühlverluste des Wärmeerzeugers verringert.
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Bei Wärmeanforderungen zur Erwärmung von Wasser, die zwischen einer minimalen und einer maximalen Wärmeerzeugerwärmeleistung liegen, kann die Solltemperatur im Dauerbetrieb und ohne Takten von Wärmeerzeuger und Umwälzpumpe erreicht werden. Bei Änderungen der Wärmeanforderung, wie sie sich beispielsweise aus einer Änderung des Wasservolumenstroms, der Wassereinlauftemperatur oder der Solltemperatur ergeben, muss sich in gleichem Maße auch die Wärmeerzeugerwärmeleistung ändern. Sprunghafte Änderungen der Wärmeanforderung können in aller Regel jedoch nicht sofort, sondern nur zeitverzögert erfüllt werden. Das liegt an der thermischen Trägheit des aus Wärmeerzeuger, primärem Wärmetauscher, Heizfluidkreisiauf und sekundärem Wärmetauscher bestehenden Wärmeübertragungssystems. Auch durch die Zeitverzögerung wird der Warmwasserkomfort negativ beeinflusst.
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Der Wärmeerzeuger hat in der Regel eine vorgegebene, nicht überschreitbare Änderungsrate (Geschwindigkeit), mit der die Leistungsmodulation verändert werden kann. Die Wärmetauscher haben aufgrund ihrer Masse sowie der spezifischen Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit des Materials eine thermische Trägheit, die wie ein Wärmespeicher wirkt. Auch der Heizfluidkreislauf hat aufgrund seines Wasservolumens sowie der Masse und des Materials der verwendeten Rohrleitungselemente seine thermische Trägheit. Für den Heizfluidkreislauf sind nach heutigem Stand der Technik zur Trinkwarmwasserbereitung nur zwei Strömungszustände bekannt: Umwälzung bei nominellem Umwälzvolumen (Heizfluidvolumen) bzw. nomineller Pumpendrehzahl sowie Null-Umwälzung bei ausgeschalteter Pumpe.
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Ändert sich also die Wärmeanforderung sprunghaft, so wird die an das Wasser übertragene Wärmeleistung nur zeitverzögert angepasst und wird die Solltemperatur nur zeitverzögert erreicht. Beispielsweise wird sich bei einer sprunghaften Erhöhung des Wasservolumenstroms die Wärmeerzeugerwärmeleistung mit der vorgegebenen Änderungsrate solange erhöhen und das Wärmeübertragungssystem an die neue Wärmeanforderung anpassen, bis die Auslauftemperatur nach einer anfänglichen Unterschreitung der Solltemperatur und/oder der minimal zulässigen Auslauftemperatur die Solltemperatur wieder erreicht. Bei einer sprunghaften Verringerung des Wasservolumenstroms wird dagegen die Auslauftemperatur die Solltemperatur oder die maximal zulässige Auslauftemperatur anfänglich überschreiten, und zwar solange, bis sich die Wärmeleistung mit seiner Änderungsrate entsprechend verringert und das Wärmeübertragungssystem an die neue Wärmeanforderung angepasst hat. Durch schlecht an die thermische Trägheit des Wärmeübertragungssystems angepasste Parameter eines der Temperaturregelung zugrundeliegenden Regelungsalgorithmus' kann es auch zu mehreren Über- und Unterschwingern der Auslauftemperatur gegenüber der Solltemperatur kommen.
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Eine mögliche Lösung zur Gewährleistung eines hohen Trinkwarmwasserkomforts, einer Schonung der Komponenten und einer Effizienzsteigerung ist die Ausweitung des Leistungsmodulationsbereiches des Wärmeerzeugers. Heute weit verbreitete Wärmeerzeuger sind beispielsweise Ölbrenner und Gasbrenner. Sie decken oft einen Leistungsmodulationsbereich von etwa 1:4 ab, das bedeutet, dass sie zwischen 25% und 100% ihrer Nennwärmeleistung modulieren können. Bei Wärmeanforderungen unterhalb von 25% gehen sie in den taktenden Betrieb über. Bei einer Ausweitung des Leistungsmodulationsbereiches auf zum Beispiel 1:10 können noch deutlich kleinere Wärmeanforderungen ohne Taktbetrieb erfüllt werden. Diese Erweiterung des Modulationsbereiches erfordert jedoch oft den Einsatz teurer Komponenten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erwärmung von Wasser nach dem Durchlaufprinzip und ein Wassererwärmungssystem zu schaffen, die unter weitgehender Beibehaltung herkömmlicher Komponenten die genannten Nachteile bei geringen und bei wechselnden Wärmeanforderungen überwinden sowie einen hohen Warmwasserkomfort und eine verbesserte Betriebsweise hinsichtlich der Komponentenlebensdauer bieten.
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Erfindungsgemäß wird dies durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 3 und 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erwärmung von Wasser variablen Volumenstroms nach dem Durchlaufprinzip, bei dem ein Wärmeerzeuger ein von einer Pumpe in einem Kreislauf umgewälztes Heizfluid erwärmt, das Heizfluid ein im Durchlauf geführtes Wasser erwärmt, und mindestens ein in einem Wasserweg angeordneter Messfühler eine Auslauftemperatur TW, und/oder einen Volumenstrom VW des Wassers misst, basiert darauf, dass die Auslauftemperatur TW des Wassers anhand einer modulierbaren und/oder schaltbaren Wärmeleistung Q des Wärmeerzeugers sowie eines modulierbaren und/oder schaltbaren Volumenstroms VH des Heizfluides auf eine vorgebbare Solltemperatur TW0 geregelt wird.
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Dabei kann zur Regelung der Auslauftemperatur TW und bei vorhandener Temperaturabweichung ΔT der Auslauftemperatur TW, von der Solltemperatur TW0, wobei ΔT = TW – TW0, entweder nur die Wärmeerzeugerwärmeleistung Q, oder nur der Heizfluidvolumenstrom VH, oder sowohl die Wärmeerzeugerwärmeleistung Q als auch der Heizfluidvolumenstrom VH moduliert und/oder geschaltet werden.
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Damit umfasst dieses Verfahren mit dem Heizfluidvolumenstrom VH neben dem herkömmlichen variablen Parameter der Wärmeleistung Q noch einen zweiten variablen Parameter, mit dem die Auslauftemperatur TW beeinflusst und geregelt werden kann. Die Wärmeleistung Q und der Volumenstrom VH weisen unterschiedliche Trägheiten beziehungsweise Reaktionszeiten beziehungsweise Änderungsraten auf und können damit auf jeweils unterschiedliche Weise das Wärmeübertragungssystem an eine gestellte Wärmeanforderung anpassen. Damit kann mit diesem Verfahren schneller und einer jeweiligen Situation angemessener auf Über- und Unterschwinger der Auslauftemperatur TW gegenüber der Solltemperatur TW0 reagiert werden.
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Erfindungsgemäß wird bei einem taktendem Wärmeerzeugerbetrieb mit abwechselnden Ein- und Aus-Schaltungen des Wärmeerzeugers, wobei eine Wärmeanforderung zur Erwärmung des Wassers kleiner als eine minimale, von Null verschiedene Wärmeerzeugerwärmeleistung QMIN ist, die Auslauftemperatur TW in einem zulässigen Solltemperaturintervall geregelt.
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So schaltet ungefähr zum Zeitpunkt des Erreichens einer minimal zulässigen Auslauftemperatur TW0,MIN der Wärmeerzeuger bei einer von Null verschiedenen Wärmeleistung (beispielsweise QMIN) ein, während die Pumpe auf einen niedrigen, von Null verschiedenen Heizfluidvolumenstrom (beispielsweise VH,MIN) umschaltet. Wegen des niedrigen Heizfluidvolumenstroms und der damit verbundenen niedrigen Strömungsgeschwindigkeit ist die Wärmeübertragung vom Wärmeerzeuger über das Heizfluid auf das Wasser nicht optimal, der Temperaturanstieg im Wasser wird dadurch gegenüber den Verfahren nach dem Stand der Technik verlangsamt. Die im Wärmeübertragungssystem, umfassend Wärmeerzeuger, primärer Wärmetauscher, Heizfluid und sekundärer Wärmetauscher, gespeicherte Wärme nimmt zu.
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Ungefähr zum Zeitpunkt des Erreichens einer maximal zulässigen Auslauftemperatur TW0,MAX schaltet der Wärmeerzeuger aus, während die Pumpe auf einen hohen Heizfluidvolumenstrom (beispielsweise VH,MAX) umschaltet. Wegen des hohen Heizfluidvolumenstroms und der damit verbundenen hohen Strömungsgeschwindigkeit ist die Wärmeübertragung vom Wärmeerzeuger über das Heizfluid auf das Wasser gegenüber dem vorstehend geschilderten Fall nun deutlich verbessert, der Temperaturabfall im Wasser wird dadurch gegenüber den Verfahren nach dem Stand der Technik verlangsamt. Die im Wärmeübertragungssystem gespeicherte Wärme nimmt ab. Der langsamere Temperaturanstieg und Temperaturabfall wird durch eine effektivere Ausnutzung des Wärmespeichervermögens im Wärmeübertragungssystem ermöglicht. Damit verlängern sich die Taktfrequenzen des Wärmeerzeugers, wodurch die beteiligten Komponenten weniger beansprucht, also geschont werden.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Einschalten oder Ausschalten des Wärmeerzeugers jeweils kurz vor oder gleichzeitig mit dem Erreichen der minimal oder der maximal zulässigen Auslauftemperatur, während das Umschalten der Pumpe auf einen niedrigen oder hohen Heizfluidvolumenstrom jeweils gleichzeitig mit oder kurz nach dem Erreichen der minimal oder der maximal zulässigen Auslauftemperatur erfolgt. Die Größe der zeitlichen Abstände „kurz vor” oder „kurz nach” ergeben sich in Abhängigkeit der gegebenen (thermischen oder strömungsmechanischen) Trägheiten beziehungsweise Reaktionszeiten beziehungsweise Änderungsraten der Wärmeerzeugerwärmeleistung und der Pumpenförderleistung, wobei diese Trägheiten, Reaktionszeiten beziehungsweise Änderungsraten im wechselwirkenden Zusammenhang mit den jeweils angeschlossenen Systemen (Übertragung vom Wärmeerzeuger über den Primärwärmetauscher auf den Heizfluidkreislauf (thermisch) beziehungsweise von der Pumpe auf den Heizfluidkreislauf (mechanisch)) gesehen werden müssen.
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Bei einem Wärmeerzeugerdauerbetrieb, wobei eine Wärmeanforderung zur Erwärmung des Wassers größer oder gleich einer minimalen Wärmeerzeugerwärmeleistung QMIN ist, wird die Auslauftemperatur TW in einem zulässigen Solltemperaturintervall geregelt. Das zulässige Solltemperaturintervall im Wärmeerzeugerdauerbetrieb kann identisch sein mit dem zulässigen Solltemperaturintervall im taktenden Wärmeerzeugerbetrieb oder hiervon abweichen.
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So heizt bei einer beliebigen ersten Wärmeanforderung der Wärmeerzeuger mit einer der Wärmeanforderung entsprechenden Wärmeleistung, während die Pumpe einen Nenn-Heizfluidvolumenstrom VH,NOM fördert.
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Erfindungsgemäß heizt der Wärmeerzeuger bei einer gegenüber der ersten Wärmeanforderung erhöhten Wärmeanforderung (beispielsweise erhöhter Wasservolumenstrom) mit einer der erhöhten Wärmeanforderung entsprechenden erhöhten Wärmeleistung, während die Pumpe zunächst auf einen erhöhten Heizfluidvolumenstrom umschaltet und anschließend wieder auf den Nenn-Heizfluidvolumenstrom VH,NOM zurückstellt. Die Erhöhung der Wärmeerzeugerwärmeleistung erfolgt allmählich mit einer vorgegebenen, endlichen (nicht sprunghaften) Änderungsrate. Bis sich diese erhöhte Wärmeleistung über die träge Kette des Wärmeübertragungssystems im Wasservolumenstrom bemerkbar macht, wäre nach den Verfahren nach dem Stand der Technik die Auslauftemperatur TW, bereits abgefallen (Unterschwinger), um sich erst allmählich wieder der Solltemperatur anzunähern. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sorgt der schnell erhöhte Heizfluidvolumenstrom für eine schnell erhöhte Wärmeübertragung auf das Wasser, wodurch ein Abfallen der Auslauftemperatur TW verhindert wird. Mit zunehmender Wärmeerzeugerwärmeleistung und Erwärmung auch des Wärmeübertragungssystems wird die Heizfluidförderleistung allmählich wieder auf den Nenn-Heizfluidvolumenstrom VH,NOM zurückgefahren. Die angenommene höchstmögliche Änderungsrate des Heizfluidvolumenstroms (entspricht in etwa der Drehzahländerungsrate der Pumpe) liegt deutlich höher als die angenommene höchstmögliche Änderungsrate der Wärmeerzeugerwärmeleistung. Auch ist die Beeinflussung der Auslauftemperatur TW, durch den vergleichsweise massearmen Sekundärwärmetauscher viel direkter und daher schneller als durch das komplette, vergleichsweise träge Wärmeübertragungssystem. Deshalb lässt sich die Auslauftemperatur TW mittels des Heizfluidvolumenstroms viel schneller korrigieren als mittels der Wärmeleistung.
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Bei einer gegenüber der ersten und/oder der erhöhten Wärmeanforderung verringerten Wärmeanforderung (beispielsweise verringerter Wasservolumenstrom) heizt der Wärmeerzeuger mit einer der verringerten Wärmeanforderung entsprechenden verringerten Wärmeleistung, während die Pumpe zunächst auf einen erniedrigten Heizfluidvolumenstrom umschaltet und anschließend wieder auf den Nenn-Heizfluidvolumenstrom VH,NOM zurückstellt. Hier sind die Verhältnisse gegenüber dem vorstehend Geschilderten genau vertauscht: Die Verringerung der Wärmeerzeugerwärmeleistung erfolgt allmählich mit einer vorgegebenen, endlichen (nicht sprunghaften) Änderungsrate. Bis sich diese verringerte Wärmeleistung über die träge Kette des Wärmeübertragungssystems im Wasservolumenstrom bemerkbar macht, wäre nach den Verfahren nach dem Stand der Technik die Auslauftemperatur TW bereits angestiegen (Überschwinger), um sich erst allmählich wieder der Solltemperatur anzunähern. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sorgt der schnell verringerte Heizfluidvolumenstrom für eine schnell verringerte Wärmeübertragung auf das Wasser, wodurch ein Ansteigen der Auslauftemperatur TW verhindert wird. Mit abnehmender Wärmeerzeugerwärmeleistung und Abkühlung auch des Wärmeübertragungssystems wird die Heizfluidförderleistung allmählich wieder auf den Nenn-Heizfluidvolumenstrom VH,NOM zurückgefahren.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass sich eine erste Zeitspanne vorgebbarer Dauer zur Beobachtung eines zeitlichen Verlaufs einer aktuellen Temperaturabweichung ΔT der Auslauftemperatur TW von der Solltemperatur TW0 und eine zweite Zeitspanne vorgebbarer Dauer zur Regelung der Auslauftemperatur TW auf Solltemperatur TW0 abwechselnd wiederholen. Die Dauer der ersten und zweiten Zeitspanne kann als Festwert vorgegeben sein oder sich in Abhängigkeit der Temperaturabweichung, des Betriebszustandes oder anderer Situationen ändern.
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In einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens wird, wenn eine durchschnittliche Temperaturabweichung ΔTD über der Zeit den Wert Null annimmt, zur Regelung der Auslauftemperatur TW nur der Heizfluidvolumenstrom moduliert. Die Dauer einer betrachteten Zeitspanne darf dabei nicht zu groß sein. Dieser Fall tritt beispielsweise dann ein, wenn der Wasservolumenstrom leicht um einen Mittelwert schwankt. Die Auslauftemperatur TW würde bei konstanter Wärmeleistung und konstantem Heizfluidvolumenstrom proportional zur Wasserdurchflussänderung schwanken. Der Wärmeerzeuger stellt dann die im Mittel erforderliche Energie zur Erwärmung des Wassers auf Solltemperatur bereit. Mittels einer angepassten Modulation des Heizfluidvolumenstroms wird erfindungsgemäß immer die dem momentanen Wasserdurchsatz zugeordnete Wärmemenge im Sekundärwärmetauscher zur Verfügung gestellt und so die Auslauftemperatur konstant auf Solltemperatur gehalten.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird, wenn eine durchschnittliche Temperaturabweichung ΔTD über der Zeit einen Wert verschieden von Null annimmt, zur Regelung der Auslauftemperatur TW mindestens die Wärmeerzeugerwärmeleistung moduliert. Dies entspricht im Wesentlichen der herkömmlichen Leistungsmodulation des Wärmeerzeugers, wenn zusätzlich der zeitliche Verlauf der momentanen Temperaturabweichung ΔT konstant ist. Ist der zeitliche Verlauf jedoch nicht konstant, so kommt zu der Modulation der Wärmeerzeugerwärmeleistung auch noch eine Modulation des Heizfluidvolumenstroms hinzu.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird, wenn eine aktuelle Temperaturabweichung ΔT innerhalb einer Zeitspanne vorgebbarer Dauer mindestens zwei Nulldurchgänge aufweist, zur Regelung der Auslauftemperatur TW mindestens der Heizfluidvolumenstrom moduliert. Die Auslauftemperatur ist hierbei mal größer, mal kleiner als die Solltemperatur, was als Indiz dafür gelten kann, dass sie im Durchschnitt etwa gleich der Solltemperatur ist. Die Regelung der Auslauftemperatur entspricht ungefähr dem vorstehend geschilderten Fall, bei dem eine durchschnittliche Temperaturabweichung ΔTD über der Zeit den Wert Null annimmt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird zur Regelung der Auslauftemperatur TW eine Frequenz F einer Auslauftemperaturschwankung erfasst und mit einer vorgebbaren Grenzfrequenz FG verglichen. Bei einer Frequenz F größer als die Grenzfrequenz FG wird mindestens der Heizfluidvolumenstrom moduliert. Dieser Fall entspricht beispielsweise kürzerfristigen Schwankungen der Auslauftemperatur um die Solltemperatur. Zur Ausregelung der Auslauftemperatur muss mindestens der Heizfluidvolumenstrom moduliert werden, da das komplette träge Wärmeübertragungssystem diesen Änderungen gar nicht „hinterher” käme. Bei einer Frequenz F kleiner als die Grenzfrequenz FG wird mindestens die Wärmeerzeugerwärmeleistung moduliert. Dieser Fall entspricht beispielsweise längerfristigen Schwankungen der Auslauftemperatur um die Solltemperatur. Zur Ausregelung der Auslauftemperatur reicht dann oft eine Modulation der Wärmeerzeugerwärmeleistung, da das Wärmeübertragungssystem trotz seiner Trägheit schnell genug ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Wertepaar W aus Betrag und Gradient der Temperaturabweichung ΔT erfasst und mit einem vorgebbaren Grenzwertepaar WG aus Betrag und Gradient verglichen wird. Liegt ein Wertepaar W mit relativ kleinem Betrag und relativ großem Gradienten vor, so wird mindestens der Heizfluidvolumenstrom moduliert wird. In diesem Fall muss die Wärmeerzeugerwärmeleistung wegen des kleinen Betrages der Abweichung gar nicht groß korrigiert werden, andererseits erfolgt die Abweichung so schnell (großer Gradient), dass eine Modulation der Wärmeleistung gar nicht angemessen schnell reagieren könnte, hier kann also (zunächst) nur mittels einer Modulation des Heizfluidvolumenstromes angemessen reagiert werden. Liegt dagegen ein Wertepaar W mit relativ großem Betrag und relativ kleinem Gradienten vor, so wird mindestens die Wärmeerzeugerwärmeleistung moduliert, die bei derart langsamen Änderungen ausreichend schnell reagieren kann.
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Das erfindungsgemäße Wassererwärmungssystem nach dem Durchlaufprinzip mit einem Wärmeerzeuger, einem vom Wärmeerzeuger beheizten Heizfluidkreislauf, der von einer Pumpe umgewälzt wird, einem vom Heizfluidkreislauf beheizten Wasserdurchlauf und mindestens einem in einem Wasserweg angeordneten Messfühler zum Erfassen einer Auslauftemperatur TW und/oder eines Volumenstroms VW des Wassers, ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Auslauftemperatur TW auf eine vorgebbare Solltemperatur TW0 die Wärmeleistung des Wärmeerzeugers und der Volumenstrom des Heizfluidkreislaufs modulierbar und/oder schaltbar sind.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Wassererwärmungssystems ist gekennzeichnet durch eine mit dem Wärmeerzeuger, der Pumpe und dem mindestens einen Messfühler verbundene Reglereinheit, die eine Eingabevorrichtung zur Einstellung von Sollwerten und/oder Konstanten und/oder Grenzwerten umfasst, die den Betrieb der verbundenen Komponenten beeinflusst und somit die Auslauftemperatur TW regelt.
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Mit dieser Erfindung ist ein Verfahren zur Erwärmung von Wasser nach dem Durchlaufprinzip und ein Wassererwärmungssystem geschaffen, die auch bei geringen und bei wechselnden Wärmeanforderungen einen hohen Warmwasserkomfort mit geringen Abweichungen der Auslauftemperatur von der Solltemperatur sowie mit den verlängerten Taktzeiten eine verbesserte Betriebsweise hinsichtlich der Komponentenlebensdauer bieten.
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Die Zeichnungen stellen verschiedene Aspekte von Ausführungsbeispielen der Erfindung dar und zeigen in den Figuren:
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1 ein der Erfindung zugrundeliegendes Wassererwärmungssystem,
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2 einen Signalflussplan eines Regelkreises zur Trinkwarmwasserbereitung nach dem Stand der Technik,
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3 einen Signalflussplan eines Regelkreises zur Trinkwarmwasserbereitung nach der vorliegenden Erfindung,
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4 beispielhafte Verläufe von typischen Betriebsdaten bei einer unter der minimalen Wärmeerzeugerwärmeleistung liegenden Wärmeanforderung,
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5 beispielhafte Verläufe von typischen Betriebsdaten bei einer über der minimalen Wärmeerzeugerwärmeleistung liegenden Wärmeanforderung.
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1 zeigt schematisch ein Kombinationsheizgerät für die Raumheizung und Trinkwarmwasserbereitung. Das Heizgerät umfasst einen Wärmeerzeuger 1 (Wärmequelle), einen vom Wärmeerzeuger 1 über einen Primärwärmetauscher 2 beheizten Heizfluidkreislauf 3, der von einer Pumpe 4 gefördert (umgewälzt) wird, sowie einen an das Heizgerät angeschlossenen Wärmeverbraucher 5, beispielsweise ein Raumheizkörper 5. Das zirkulierende Heizfluid (Wärmeträgermedium) transportiert die Wärme von der Wärmequelle 1 zum Wärmeverbraucher 5. Für die Trinkwarmwasserbereitung umfasst das Heizgerät ein nach dem Durchlaufprinzip arbeitendes Wassererwärmungssystem mit einem vom Heizfluidkreislauf 3 über einen Sekundärwärmetauscher 6 beheizten Wasserdurchlauf 7, mindestens einem in einem Wasserweg 7 angeordneten Messfühler 8, 9, 10 zum Erfassen einer Auslauftemperatur TW und/oder einer Einlauftemperatur TK und/oder eines Volumenstroms VW des Wassers sowie mindestens einem in einem Heizfluidweg 3 angeordneten Messfühler 11, 12 zum Erfassen einer Vorlauftemperatur THV und/oder einer Rücklauftemperatur THR des Heizfluides. Zur Regelung der Auslauftemperatur TW auf eine vorgebbare Solltemperatur TWA sind die Wärmeleistung Q des Wärmeerzeugers 1 und der Volumenstrom VH des Heizfluidkreislaufs 3 modulierbar und/oder schaltbar. Die beiden Heizaufgaben Raumheizung und Trinkwarmwasserbereitung werden in der Regel nicht gleichzeitig, sondern jeweils einzeln erfüllt. Dazu wird der Heizfluidkreislauf 3 zwischen den beiden Wärmeverbrauchern Raumheizkörper 5 und Sekundärwärmetauscher 6 mittels eines Umschaltventils 13 umgeschaltet.
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2 zeigt den schematischen Signalflussplan eines Regelkreises zur Trinkwarmwasserbereitung nach dem Stand der Technik mit der Eingangsgröße (Sollwert) TW0, der Ausgangsgröße (Auslauftemperatur) TW, dem Regler R, dem Stellglied (Wärmeerzeuger 1) und der Stellgröße Q. Mit dem Wärmeerzeuger 1 wird die Auslauftemperatur TW beeinflusst.
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3 zeigt den schematischen Signalflussplan eines Regelkreises zur Trinkwarmwasserbereitung nach der vorliegenden Erfindung mit der Eingangsgröße (Sollwert) TW0, der Ausgangsgröße (Auslauftemperatur) TW, dem Regler R, den Stellgliedern (Wärmeerzeuger 1 und Pumpe 4) sowie den Stellgrößen Q und VH. Mit dem Wärmeerzeuger 1 und der Pumpe 4 wird die Auslauftemperatur TW beeinflusst.
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4 zeigt beispielhafte Verläufe von typischen Betriebsdaten bei einer unter der minimalen Wärmeerzeugerwärmeleistung liegenden Wärmeanforderung. Der Wasservolumenstrom VW und/oder die erforderliche Temperaturerhöhung von der Einlauftemperatur TK (Kaltwasser) auf die Solltemperatur TW0 liegen so niedrig, dass der Wärmeerzeuger takten (ein- und ausschalten) muss. Bei Erreichen oder kurz vor Erreichen der minimal zulässigen Auslauftemperatur TW0,MIN wird der Wärmeerzeuger (Q) bei kleiner Wärmeleistung QMIN eingeschaltet. Bei Erreichen oder kurz nach Erreichen der minimal zulässigen Auslauftemperatur TW0,MIN wird die Förderleistung der Pumpe auf einen kleinen Heizfluidvolumenstrom VH,MIN heruntergefahren. Bei Erreichen oder kurz vor Erreichen der maximal zulässigen Auslauftemperatur TW0,MAX wird der Wärmeerzeuger ausgeschaltet (Q off). Bei Erreichen oder kurz nach Erreichen der maximal zulässigen Auslauftemperatur TW0,MAX wird die Förderleistung der Pumpe auf einen hohen Heizfluidvolumenstrom VH,MAX heraufgefahren.
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5 zeigt beispielhafte Verläufe von typischen Betriebsdaten bei einer über der minimalen Wärmeerzeugerwärmeleistung liegenden Wärmeanforderung. Der Wasservolumenstrom VW und/oder die erforderliche Temperaturerhöhung von der Einlauftemperatur TK (Kaltwasser) auf die Solltemperatur TW0 liegen so hoch, dass die Auslauftemperatur im Wärmeerzeugerdauerbetrieb die Solltemperatur erreicht. Bei einer plötzlichen Erhöhung der Wärmeanforderung durch eine plötzliche Erhöhung des Wasservolumenstroms VW erhöht der Wärmeerzeuger seine Wärmeleistung Q. Jedoch ist die Erhöhung der Wärmeleistung Q relativ langsam. Bei einem Verfahren nach dem Stand der Technik ohne Pumpenmodulation (VH = konstant) würde die Auslauftemperatur TW stark abfallen (gestrichelte Linie), bis der Wärmeerzeuger und das komplette, träge Wärmeübertragungssystem (...) eine dem neuen Wasservolumenstrom VW und der Solltemperatur TW0 entsprechende Wärmeleistung Q bereitstellt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erhöht die Pumpe kurzfristig ihre Förderleistung (VH ≠ konstant) und damit den geförderten Heizfluidvolumenstrom VH von einem Nenn-Volumenstrom VH,NOM auf einen erhöhten Wert. Bald darauf und bei inzwischen gestiegener Wärmeleistung beginnt die Pumpe den Heizfluidvolumenstrom VH langsam wieder auf den Nenn-Volumenstrom VH,NOM zu senken. Durch dieses Verfahren ist die auf das Wasser übertragene Wärmeleistung immer dem sich erhöhenden Wasservolumenstrom VW und der Solltemperatur TW0 angepasst, wodurch die Auslauftemperatur TW bei geringsten Temperaturschwankungen beinah konstant auf der Solltemperatur TW0 liegt. Bei einer plötzlichen Verringerung der Wärmeanforderung, beispielsweise durch eine plötzliche Verringerung des Wasservolumenstroms VW, moduliert die Pumpe ihre Förderleistung kurzfristig auf einen niedrigen Volumenstrom herunter, um einen ansonsten starken Temperaturanstieg (gestrichelte Linie) zu vermeiden. Gleichzeitig beginnt auch der Wärmeerzeuger seine Wärmeleistung Q zu verringern. Bald darauf und bei inzwischen gefallener Wärmeleistung beginnt die Pumpe den Heizfluidvolumenstrom VH langsam wieder auf den Nenn-Volumenstrom VH,NOM anzuheben.
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Die Stellsignale für den Wärmeerzeuger 1 und die Pumpe 4 hinsichtlich der Modulation der Wärmeleistung Q und des Heizfluidvolumenstrom VH werden von einem Regelgerät R gegeben, dessen Regelalgorithmus auf Messwerte der Auslauftemperatur TW und/oder des Wasservolumenstroms VW zurückgreift.
