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Die Erfindung betrifft einen Hybridofen zum Heizen eines Gebäudes oder eines Raumes mit einem ersten Heizsystem und einem zweiten Heizsystem, wobei das zweite Heizsystem als Elektroheizsystem ausgestaltet ist.
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Zum Heizen von Räumen sind Heizkörper bekannt, welche ein Heizsystem zum Verbrennen von Holz, Pellet oder Kohle besitzen. Der Vorteil solcher Öfen, insbesondere von Kaminöfen, besteht darin, dass sie in ihrer Anschaffung vergleichsweise günstig sind und mit Scheitholz, Holzpellets und Kohle preiswert betrieben werden können.
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Bei diesen Heizkörpern hat sich als nachteilig erwiesen, dass eine lediglich schlechte Konstanthaltung der Raumtemperatur gegeben ist. Zudem ist die Temperaturführung im Allgemeinen unzureichend, da die Notwendigkeit einer Nachbeschickung und einer Entsorgung der Verbrennungsrückstände besteht.
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Weiterhin werden zum Heizen von Räumen Verbrennungsheizsysteme eingesetzt, welche Heizöl oder Gas zum Heizen verwenden. Diese Heizsysteme sind teurer als zuvor erwähnte konventionelle Verbrennungsöfen. Auf die Energieträger Öl und Gas kann nicht allerorten zugegriffen werden. Zudem werden an die Bevorratung von Öl und Gas hohe Sicherheitsanforderungen gestellt.
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Neuerdings kommen auch alternative Heizsysteme beim Heizen eines Gebäudes oder eines Raumes zum Einsatz. Dabei wird zum einen die Solarenergie oder zum anderen die Erdwärme genutzt. Das Installieren und Aufbauen dieser Heizanlagen erfordert hohe Investitionen.
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Weiterhin sind Heizkörper bekannt, deren Heizsysteme mit Elektroenergie betrieben werden. Diese zeichnen sich unter anderem dadurch aus, dass sie keinen zusätzlichen Aufwand für die Energiebeschaffung, keinerlei Aufwand für die Energievorhaltung und keinerlei Entsorgungsprobleme aufweisen. Diese elektrischen Heizkörper zeichnen sich allesamt dadurch aus, dass sie besonders gut elektrisch steuer- und regelbar sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
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Gelöst wird die Aufgabe durch einen Hybridofen zum Heizen eines Gebäudes oder eines Raumes mit einem ersten Heizsystem und einem zweiten Heizsystem, wobei das zweite Heizsystem als Elektroheizsystem ausgestaltet ist und das zweite Heizsystem ein Speichermedium mit einer elektrischen Heizspirale aufweist. Dabei ist insbesondere die elektrische Heizspirale im Speichermedium integriert.
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Somit können die Vorteile einer preiswerten Heizung mit denen einer gut steuerbaren Heizung verbunden werden und somit unterschiedliche und über die Zeit wechselnde Nutzerwünsche bedient werden.
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Zudem ist es möglich, die unterschiedlichen Heizsysteme jeweils unabhängig voneinander, zusammen miteinander oder alternierend zu betreiben. Die Auswahl der Kombination kann dabei abhängig von einer Umgebungstemperatur erfolgen. Somit können bestimmte Nutzerwünsche hinsichtlich Anheizgeschwindigkeit, Temperaturverlauf bei gewünschter temporärer Temperaturabsenkung oder -erhöhung, Bedienkomfort und Heizungsaufwand erfüllt werden.
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Ganz besonders vorteilhaft stellt sich dabei heraus, dass das Speichermedium zusätzlich als Speichermedium des ersten Heizsystems dient, sodass beispielsweise ein konventionell betriebener Kaminofen über das beigefügte Speichermedium zeitverzögert die Wärme abgibt und somit eine gewisse Konstantwärme bereitstellen kann.
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Weiterhin bietet ein solcher Hybridofen eine Redundanz unterschiedlicher Heizsysteme und somit eine hohe Havariesicherheit.
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Folgendes Begriffliche sei erläutert:
Das „erste Heizsystem“ umfasst sowohl Heizkörper zum Verbrennen von Kohle, Holzpellets, Holzscheits, Öl und/oder Gas als auch Heizsysteme, welche Solarenergie und Erdwärme bereitstellen. Beispiele für das erste Heizsystem sind Holz-, Kamin- oder Kachelöfen.
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Ein „Elektroheizsystem“ ist eine elektrische Wärmequelle, welche elektrische Energie in Wärme umsetzt.
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Insbesondere weisen derartige Elektroheizsysteme „Heizspiralen“ auf, welche zum Erzeugen von Wärme mit Strom beaufschlagt werden. Allgemein ausgedrückt ist eine „Heizspirale“ ein Heizwiderstand, welcher elektrische Energie in thermische Energie umwandelt. Dabei ist der Heizwiderstand als Bauteil einer Widerstandsheizung in seiner einfachsten Ausführung ein hochohmiger Draht oder ein Heizleiter. Dabei umfasst der Begriff „Heizspirale“ sowohl eine Heizpatrone (eine zylindrische Metallpatrone als Gehäuse mit einer gewendelten Heizwicklung innen), eine Heizwendel, einen Heizleiter, ein Heizband, eine Heizmanschette (meist als flexible Manschette, beispielsweise zum Wärmen von Maschinen und Geräten in kalten Arbeitsumgebungen), einen Heizmantel oder ein Heizregister, bei dem der erhitzte Draht seine Wärme direkt an einem vorbeiziehenden Luftstrom abgibt. Statt „Heizspirale“ kann synonym von einem elektrischen Heizkörper gesprochen werden. Sämtliche zuvor beschriebene Beispiele werden im Rahmen der Erfindung als Heizspirale verstanden.
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Ein „Speichermedium“ ist ein Speicher für thermische Energie. Das Speichermedium umfasst dabei sowohl sensible Wärmespeicher, welche beim Lade- oder Entladevorgang ihre „fühlbare“ Temperatur verändern. Ein Beispiel für so ein Speichermedium ist ein Wärmepuffer. Ebenfalls umfasst sind Latentwärmespeicher, welche beim Lade- oder Entladevorgang nicht ihre „fühlbare“ Temperatur, sondern das Wärme-Speichermedium ändern, insbesondere durch Ändern des Aggregatzustandes. Meistens ist dies der Übergang von fest zu flüssig oder umgekehrt. Im Fall, dass das Speichermedium über seine Latent-Wärmekapazität hinaus be- oder entladen wird, führt dies zu einer Temperaturerhöhung oder -erniedrigung. Zudem sind thermochemische Wärmespeicher oder Sorptionsspeicher auf Basis von Silicagel oder Zeolithe umfasst. Diese speichern die Wärme mit Hilfe von endo- oder exothermen Reaktionen.
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Um einen möglichst einfachen Umbau eines gegebenen ersten Heizsystems zu einem Hybridofen zu gewährleisten, kann das Speichermedium eine, zwei, drei, vier oder mehr Wärmespeicherplatten aufweisen, welche dann durch Montage an das erste Heizsystem anbringbar sind. Insbesondere sind diese Wärmespeicherplatten an die Geometrie des ersten Heizsystems angepasst. Zudem können diese Speicherplatten an wärmeübertragenden Elemente des ersten Heizsystems angeordnet werden.
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Dabei können die Wärmespeicherplatten und somit das Speichermedium feuerfeste Baustoffe wie Schamotte aufweisen. Häufig weisen diese Schamotte 10%–45% Aluminiumoxidanteil auf. Weitere Beispiele sind Speckstein oder auch gebrannte Tone mit Hohlraum, wobei der Hohlraum mit einem Füllmaterial wie beispielsweise Quarzsand oder eine PCM verfüllt wird. Diese gebrannten Tone werden auch MOELDING-Platten genannt. Insbesondere kann in diese gebrannten Tonplatten das elektrische Heizsystem und insbesondere die Heizspirale eingebracht werden und anschließend mit dem Füllmaterial aufgefüllt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform sind eine oder mehrere Wärmespeicherplatten beabstandbar ausgestaltet. Dabei erfolgt die Beabstandung in Bezug auf das erste Heizsystem. Somit kann der Übergang/Abstand vom ersten Heizsystem zu den Wärmespeicherplatten eingestellt werden.
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Insbesondere kann dieser Abstand steuer- oder regelbar in Abhängigkeit von Sensorendaten wie einer Temperatur an einem Ort im Raum oder Gebäude gesteuert oder geregelt werden. Dabei ist der Abstand insbesondere zwischen 0 und 300 mm und bevorzugt zwischen 0 und 150 mm.
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In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch einen Hybridofen zum Heizen eines Gebäudes oder eines Raumes mit einem ersten Heizsystem und einem zweiten Heizsystem, wobei das zweite Heizsystem als Elektroheizsystem ausgestaltet ist und der Hybridofen ein Steuergerät mit einem Sensor und einem Aktuator aufweist und das Steuergerät steuernd oder regelnd mit dem zweiten Heizsystem verbunden ist.
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Somit können die Vorteile einer preiswerten Heizung mit denen einer gut steuer- und regelbaren Heizung verbunden werden und somit unterschiedliche und über die Zeit wechselnde Nutzerwünsche bedient werden.
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Zudem ist es möglich, die unterschiedlichen Heizsysteme jeweils unabhängig voneinander, zusammen miteinander oder alternierend zu betreiben. Die Auswahl der Kombination kann dabei abhängig von einer Umgebungstemperatur erfolgen. Somit können bestimmte Nutzerwünsche hinsichtlich Anheizgeschwindigkeit, Temperaturverlauf bei gewünschter temporärer Temperaturabsenkung oder -erhöhung, Bedienkomfort und Heizungsaufwand erfüllt werden, insbesondere kann dies durch das Verwenden des Steuergerätes optimiert werden.
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Ganz besonders vorteilhaft stellt sich dabei heraus, dass das Speichermedium zusätzlich als Speichermedium des ersten Heizsystems dient, sodass beispielsweise ein konventionell betriebener Kaminofen über das beigefügte Speichermedium zeitverzögert die Wärme abgibt und somit eine gewisse Konstantwärme bereitstellen kann.
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Weiterhin bietet ein solcher Hybridofen eine Redundanz unterschiedlicher Heizsysteme und somit eine hohe Havariesicherheit.
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Ein „Steuergerät“ ist ein elektrisches Modul, welches überwiegend an Orten eingebaut werden kann, an denen etwas gesteuert oder geregelt werden muss. Beispielsweise werden diese Steuergeräte im KFZ-Bereich oder sonstigen elektronischen Bereichen eingesetzt. Weiterhin können mit Steuergeräten Maschinen, Anlagen und technische Prozesse gesteuert und geregelt werden. In diesem Zusammenhang spricht man bei Steuergeräten auch von eingebetteten Systemen.
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Vorliegend kann die Steuerung und Regelung sowohl des Elektroofens als auch des Abstandes zwischen dem ersten Heizsystem und den Wärmespeicherplatten geregelt oder gesteuert werden.
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Ein „Sensor“ ist ein elektronisches Bauteil, mit welchem physikalische Größen, insbesondere Temperatur, bestimmt werden können.
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Ein „Aktuator“, auch Aktor genannt, umfasst im Allgemeinen Elemente, welche eine Eingangsgröße in eine andere Ausgangsgröße umwandeln, um eine gewünschte Aktion oder einen Effekt hervorzurufen. In der hier vorliegenden Steuerungs- und Regelungstechnik bezeichnen Aktuatoren das wandlerbezogene Gegenstück zu Sensoren und bilden die Stellglieder in einem Regelkreis. Sie setzen Signale einer Regelung in mechanische Arbeit um. Beispielsweise kann ein Öffnen und/oder ein Schließen eines Ventils zum Beabstanden der Speicherplatten erfolgen. Zudem kann vorliegend der Aktuator das zweite Heizelement sein, welches aufgrund eines berechneten Stellsignals des Steuergerätes eine Wärme erzeugt.
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Um die Vorteile und Merkmale der hier beschriebenen Hybridöfen zu kombinieren, kann der zuvor beschriebene Hybridofen sämtliche Merkmale zusätzlich oder alternativ des davor beschriebenen Hybridofens aufweisen. Somit können hochregelbare und auf besondere Anwendungsprofile abgestimmte Heizungssysteme bereitgestellt werden.
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Um möglichst viele Alternativen zum Betreiben des ersten Heizsystems bereitzustellen, können die Hybridöfen derart ausgestaltet sein, dass das erste Heizsystem ein Verbrennungsheizsystem ist, welches insbesondere zum Verbrennung von Holz, Pellets, Kohle, Gas und/oder Öl eingerichtet ist, oder ein Alternativheizsystem ist, insbesondere ein Heizsystem auf Basis von Solarwärme oder Erdwärme. Somit können unterschiedlichste Heizsysteme mit einem gut regelbaren oder steuerbaren Elektroofen kombiniert werden.
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Insbesondere bei Verbrennungsheizsystemen, welche auf Holz, Pellets und/oder Kohle basieren, kann ein Steuern des ersten Heizsystems manuell durch Nachlegen des Brennstoffs gesteuert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist einer der Hybridöfen eine Kommunikationseinrichtung auf, welche insbesondere in dem Steuergerät angeordnet ist. Dadurch kann über eine Funk-, Telefon- oder Internetverbindung auf das Heizverhalten, insbesondere des zweiten Heizsystems, eingewirkt werden. Durch die Anordnung im Steuergerät kann zudem der Regel- oder Steuermechanismus entsprechende Signale verarbeiten.
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Um ein möglichst kompaktes System bereitzustellen, kann das erste Heizsystem und das zweite Heizsystem einen Heizkörper bilden und/oder in einem Gehäuse angeordnet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform entspricht eine Heizleistung des zweiten Heizsystems zwischen 60 % und 140 %, insbesondere zwischen 70 % und 90 %, einer Heizleistung des ersten Heizsystems. Dadurch kann ein Hybridofen bereitgestellt werden, welcher optimal zum Auf- und Beheizen eines Raumes oder Gebäudes geeignet ist.
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Um von außen auf den Hybridofen einzuwirken oder dem Hybridofen ein bestimmtes Verhalten aufzuprägen, kann das Steuergerät einen Fernschalter, insbesondere einen Funkfernschalter, eine Schaltuhr und/oder einen Leistungsschalter aufweisen.
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In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch einen Nachrüstsatz zum Nachrüsten eines ersten Heizsystems, sodass ein Hybridofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche erhaltbar ist, wobei der Nachrüstsatz ein Speichermedium mit integrierten Heizspiralen aufweist.
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Somit können bestehende erste Heizsysteme zu einem Hybridofen nachgerüstet werden. Insbesondere kann der Nachrüstsatz sämtliche Merkmale der zuvor beschriebenen Hybridöfen zusätzlich oder ergänzend aufweisen.
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Insbesondere kann der Nachrüstsatz das Steuergerät und/oder etwaige Beabstandungsmittel aufweisen. Zudem sei angemerkt, dass vorliegende Begriffe analog wie zuvor beschrieben definiert sind.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Heizen eines Raumes oder eines Gebäudes, wobei das Verfahren mittels eines zuvor beschriebenen Hybridofens durchgeführt wird und das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- – Heizen mit dem zweiten Heizsystem
- – Heizen mit dem ersten Heizsystem
- – Bei einem Überschreiten eines Schwellenwertes erfolgt ein Abschalten oder ein Reduzieren des Heizens des zweiten Heizsystems.
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Somit können die Vorteile des schnellen Regelns des zweiten Heizsystems mit den günstigen Eigenschaften des ersten Heizsystems kombiniert genutzt werden.
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In einem diesbezüglichen Aspekt des Verfahrens kann beim Unterschreiten des Schwellenwertes ein Anschalten oder ein Erhöhen des Heizens des zweiten Heizsystems erfolgen.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt
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1 eine schematische Ansicht eines Hybridofens.
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Der Heizkörper 1 besteht aus einem Kaminofen 2 der konventionell mit Scheitholz befeuert wird. Alternativ wird dieser Kaminofen 2 mit Kohle oder Holzpellets befeuert. An den wärmeabstrahlenden Seiten des Kaminofens 2 sind linkerseits und rechterseits Wärmespeicherplatten 12, 13 mit integrierten Heizspiralen 3, 4 angeordnet. Die Wärmespeicherplatten 12, 13 bestehen aus einem hohlen und gebrannten Ton, wobei in dem Hohlraum die Heizspiralen 3, 4 eingebracht sind und der restliche Hohlraum mit Quarzsand verfüllt ist. Statt Ton ist in einer Alternativen die Wärmespeicherplatte aus Speckstein, Marmor, PCM (Phase Change Material, zu Deutsch: Phasenübergangsmaterial) oder Keramik.
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Die Wärmespeicherplatten 12, 13 weisen einen einstellbaren Abstand von 100mm zu den metallenen Außenflächen des Kaminofens 2 auf.
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Der Kaminofen 2 ist in vorgeschriebener Weise an einen Schornstein (nicht dargestellt) angeschlossen.
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Die Heizleistung des Kaminofens 2 entspricht etwa der Summe der Heizleistung der beiden Heizspiralen 3, 4. Die Heizspiralen 3, 4 werden mittels einer Anschlussleitung 5 mit der häuslichen Stromversorgung verbunden.
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In der Anschlussleitung 5 zwischen den Heizspiralen 3, 4 und der häuslichen Stromversorgung befindet sich ein Steuergerät 6, welches über mindestens einen Temperatursensor 7, einen Funkfernschalter 8, eine Schaltuhr 9 und einen Leistungsschalter 10 verfügt.
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Diese Bauteile 6, 7, 8, 9, 10 sind derart miteinander vernetzt, dass ein Betrieb der Heizspiralen 3, 4 dann erfolgt, wenn der Leistungsschalter 10 geschlossen ist. Das Schließen erfolgt entweder von Hand oder über die Schaltuhr 9 oder mittels Mobiltelefon des Nutzers über den Funkfernschalter 8. Der Betrieb der Heizspiralen 3, 4 wird aufgrund eines Wertes des Temperatursensors 7 geregelt, wobei der Temperatursensor im Raum entfernt vom Hybridofen angeordnet ist.
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Vorliegend ist eine Zweipunkt-Regelung realisiert. Alternativ kann stattdessen eine PID-Regelung oder eine Fuzzy-Regelung erfolgen.
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Mit der Schaltuhr 9 werden für bestimmte Intervalle unterschiedliche Zieltemperaturen festgelegt, sodass eine zeitweise Temperaturabsenkung oder Temperaturerhöhung realisiert wird. Dabei erfolgt die Temperaturabsenkung während der Nacht, während hingegen zu den Morgenstunden die Temperaturerhöhung erfolgt. Um kostengünstigen Strom einzusetzen, werden die Wärmespeicherplatten morgens derart mittels dem Steuergerät verfahren, dass einen Abstand von 0mm zum Kaminofen 2 ausgebildet ist, sodass zuerst eine Erwärmung der Speicherplatten erfolgt bevor das eigentliche Erwärmen der Raumes erfolgt.
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Folgende Betriebsarten sind realisierbar:
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Betriebsart Verbrennungsofen (allein):
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Hierbei wird der Kaminofen entsprechend seiner eigentlichen Bestimmung mit Festbrennstoffen, vorzugsweise Holzscheide, beheizt. Hierbei wird so viel Brennstoff nachgelegt, bis der gewünschte Wert oder die Wohlfühltemperatur erreicht ist. Von Zeit zu Zeit wird Brennstoff nachgelegt, sodass das Feuer nicht ausgeht. Somit erfolgt die Steuerung der Heizung manuell.
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Betriebsart Elektroofen (allein):
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Ein Raumthermostat, an dem die gewünschte Raumtemperatur mittels Stellrad eingestellt ist, wirkt per Funksignal auf die Steuerung des Steuergeräts 6 und ist an einer beliebigen Stelle des Raumes platziert. Die elektrisch betriebenen Heizspiralen 3, 4 in den Wärmespeicherplatten 12, 13 und das Steuergerät 6 sind an die Stromversorgung des Hauses angeschlossen. Dabei weist die Verbindung einen Steckdosenadapter auf, über den die Netzspannung dem Elektroofen schaltend zuführbar ist. Alternativ erfolgt das Schalten über Funk oder Telefon.
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Nach einem Einschalten wird die Ofentemperatur an einem Raumthermostat, welcher mit dem Kaminofen verbunden ist, mit einem von dem Raumthermostat eingestellten Soll-Wert und der dort gemessenen Raumtemperatur verglichen. Da der Kaminofen ungeheizt ist und das Rauchgasthermostat somit Werte unterhalb des Soll-Werts liefert, wird über die Steuerung der elektrische Heizkreis aktiviert. Die Heizspiralen 3, 4 werden dabei aufgeheizt und geben die Wärme über die Wärmeplatten 12, 13 an die Umgebung ab. Die Raumtemperatur erhöht sich. Überschreitet die Raumtemperatur den Soll-Wert, wird die Heizung ausgeschaltet. Im Gegenzug wird bei Unterschreitung die (Elektro-)Heizung wieder zugeschaltet. Die Steuerung erfolgt somit über ein Raumthermostat.
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Betriebsart Hybridofen (Kombination Verbrennungsofen/Elektroofen):
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Ausgangspunkt für die folgende Betrachtung ist der Fall, dass der Hybridofen 1 bereits im Elektrobetrieb betrieben wird. Des Weiteren wird nun der Kaminofen 2 mit Festbrennstoff beheizt. Dadurch wird der Kaminofen erwärmt. Als Folge steigt die Temperatur im Hohlraum neben dem Rauchabzug. Dies hat zur Folge, dass das Rauchgasthermostat sich erwärmt, wobei dessen Schaltschwelle auf 90°C eingestellt ist. Beim Überschreiten dieses Wertes wird ein Signal an das Steuergerät 6 übermittelt, welches daraufhin die Elektroheizung ausschaltet. Von nun an wird der Kaminofen weiterhin durch Hand betrieben, beispielsweise durch Zuführen von weiterem Scheitholz. Sollte die Temperatur des Rauchgasthermostates unterhalb der vorgegebenen Temperatur von 90°C fallen, werden durch das Steuergerät 6 die Elektroheizung und somit die Heizspiralen 3, 4 wieder aufgewärmt.
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Betriebsführung
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Für den Fall, dass die Raumtemperatur stark unterhalb einer Wohlfühltemperatur liegt und ein schnelles Aufheizen gewünscht ist, bietet sich zum Aufwärmen des Raumes an, sowohl den Kaminofen 2 als auch den Elektroofen parallel zu benutzen. Durch die erhöhte Heizleistung erreicht dabei der Raum wesentlich schneller die Zieltemperatur. Nach dem Erreichen der Zieltemperatur werden durch das Steuergerät 6 der Elektroofen und somit die Heizspiralen 3, 4 wiederum abgeschaltet. Dabei hat es sich als für übliche Räume optimal erwiesen, dass bei einer 8 kW-Verbrennungsheizleistung 3 kW Elektroheizungswärmeleistung bereitgestellt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hybridofen
- 2
- Kaminofen
- 3
- Heizspirale
- 4
- Heizspirale
- 5
- Anschlussleitung
- 6
- Steuergerät
- 7
- Temperatursensor
- 8
- Funkempfänger
- 9
- Schaltuhr
- 10
- Leistungsschalter
- 11
- Abstandselement
- 12
- linke Wärmespeicherplatte
- 13
- rechte Wärmespeicherplatte
