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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Heizung und Warmwasserbereitung, insbesondere in Einfamilienhäusern, bei dem von einer – insbesondere als Blockheizkraftwerk ausgebildeten – Wärmequelle erwärmtes Heizungswasser in einem Schichtenpufferspeicher gespeichert und als Wärmeträger für die Heizung und Warmwasserbereitung verwendet wird.
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Zur Heizung und Warmwasserbereitung sind verschiedene Lösungsvorschläge (z.B.
WO 2011/116736 A1 ;
DE 103 36 624 A1 ) mit einem extern angeordneten Wärmeübertrager zur Warmwasserbereitung bekannt, mit dem die bei intern angeordneten, das heißt im Schichtenpufferspeicher untergebrachten Wärmeübertragern auftretende Gefahr der Legionellenbildung im Wasser und der Verkalkung des Wärmeübertragers relativ gut beherrscht wird. Die bekannten Heizungsanlagen mit einem extern angeordnetem Wärmeübertrager zur Warmwasserbereitung sind jedoch aufgrund der der Anordnung eines Vierwegemischers und der erforderlichen mess- und steuerungstechnischen Maßnahmen bzw. der Anordnung von zwei Wärmeübertragen mit dazugehörigen Pumpen apparativ aufwendig und relativ teuer.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vorzugsweise für Einfamilienhäuser vorgesehenes Verfahren und eine entsprechende Anlage zur Heizung und Warmwasserbereitung mit einem an eine Wärmequelle angeschlossenen Schichtenpufferspeichers für das Heizmedium so auszubilden, dass bei optimalem Energieeinsatz der apparative Aufwand und die Kosten minimiert werden können.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einen Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einer Anlage gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen.
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Der Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass das Heizungswasser mit einer bestimmten Temperatur aus dem obersten, wärmsten Bereich des Schichtenpufferspeichers entnommen und unter Verwendung eines Heizungs-Dreiwegemischers und einer Heizungsumwälzpumpe sowie einer mit Außen- und Vorlauftemperatursensoren zusammenwirkenden Steuerung mit einer geregelten Vorlauftemperatur zum Zwecke der Heizung in bekannter Weise in den Heizkreis gefördert wird und die Warmwasserbereitung bei kurzgeschlossenem Heizkreis unter Nutzung der bereits für die Heizungsregelung eingesetzten Mittel in einem zur Schwerkraftnutzung in einer bestimmten geodätischen Höhe zum Schichtenpufferspeicher angeordneten, vom Heizungswasser durchströmten Wärmeübertrager erfolgt. Aufgrund der gemeinsamen Nutzung der für die Heizung erforderlichen technischen Mittel wie Mischer und Umwälzpumpen sowie Steuerungs- und Messgeräte auch für die Warmwasserbereitung in einem Wärmeübertrager können der apparative Aufwand und damit der Kostenaufwand gering gehalten werden.
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Gemäß einem weiteren Verfahrensmerkmal wird die Temperatur des zur Warmwasserbereitung vorgesehenen Wärmeträgers auf eine Kalkabscheidungen des zu erwärmenden Wassers minimierende Größe geregelt.
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In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das für die Warmwasserbereitung genutzte abgekühlte Heizungswasser ohne die Heizkörper des Heizkreislaufs zu durchströmen direkt in den unteren Bereich des Schichtenpufferspeichers gefördert.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Schichtenpufferspeicher mit einer Schichtung zwischen 75°C im oberen Bereich und ca. 30 bis 45°C im unteren Bereich bei einer Heizungsrücklauftemperatur von ca. 30 bis 45°C betrieben, wobei die Warmwasseraustrittstemperatur am Wärmeübertrager ca. 55°C und an der Zapfstelle ca. 50°C beträgt.
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Die erfindungsgemäße Anlage zur Durchführung des Verfahrens umfasst einen an eine Wärmequelle angeschlossenen Schichtenpufferspeicher für das erwärmte Heizungswasser und einen zur Warmwasserbereitung vorgesehenen Wärmeübertrager sowie Mittel zur Regelung der Temperatur des Heizungswasser für die Heizung und Warmwasserbereitung, und ist durch einen zur Heizungsregelung vorgesehenen Heizungs-Dreiwegemischer und eine Heizungs-Umwälzpumpe, die in Verbindung mit Außen- und Vorlauftemperatursensoren an eine Steuereinheit gekoppelt sind, und einen diesen in der Heizungsvorlaufleitung in einer bestimmten geodätischen Höhe nachgeschalteten, zur Warmwasserbereitung vorgesehenen und mit den Heizungsregelungsmitteln betriebenen Wärmeübertrager gekennzeichnet, wobei die Heizungsvorlauf- und -rücklaufleitung während der Warmwasserbereitung durch ein an die Steuereinheit angeschlossenes Magnetventil kurzgeschlossen sind.
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In Ausgestaltung der Erfindung sind an den Wärmeübertrager eine Kaltwasserleitung und eine Warmwasserleitung angeschlossen und ein in die Warmwasserleitung eingebundener thermostatischer Dreiwegemischer ist an die Kaltwasserleitung angeschlossen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in die mit dem Wärmeübertrager verbundene Kaltwasserleitung ein an die Steuereinheit gekoppelter Durchflussschalter zum Öffnen oder Schließen des Magnetventils über die Steuereinheit am Anfang oder Ende der Warmwasserabnahme eingebunden.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist die Warmwasserleitung über eine Zirkulationsleitung, in die eine Rückflusssperre und eine Zirkulationspumpe eingebunden sind, mit der Kaltwasserleitung verbunden.
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Der Heizungs-Dreiwegemischer ist von einem schnellen Servomotor angetrieben.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmeübertrager als Plattenwärmeübertrager ausgebildet und die Wärmequelle ist eine Anlage zur Kraft-Wärme-Kopplung oder ein Brennwertgerät oder eine Wärmepumpe oder eine Solaranlage oder eine Brennstoffzelle.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung, deren einzige Figur ein Blockschaltbild einer Anlage zur Wärmeversorgung und Warmwasserbereitung für ein Einfamilienhaus auf der Basis eines an eine Wärmequelle angeschlossenen Schichtenpufferspeichers zeigt, näher erläutert.
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Als Wärmequelle 1 dient in der vorliegenden Ausführungsform ein Blockheizkraftwerk (BHKW), hier speziell ein einem Einfamilienhaus zugeordnetes Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsgerät. Es sind jedoch auch andere Wärmequellen wie beispielsweise ein Brennwertgerät, eine Wärmepumpe, eine Solaranlage oder eine Brennstoffzelle einsetzbar. Die von der Wärmequelle – hier mit einer Temperatur von 75°C – bereitgestellte thermische Energie wird in den obersten Bereich eines Schichtenpufferspeichers 2 (Heizungspufferspeicher) eingespeist. In seinem untersten Bereich wird der Schichtenpufferspeicher 2 über die Heizungsrücklaufleitung 3 versorgt. Die Rücklauftemperatur beträgt ca. 30 bis 45°C, so dass die Temperatur im untersten Speicherhorizont des Schichtenpufferspeichers 2, aus dem die Wärmequelle 1 versorgt wird, ca. 30 bis 45°C beträgt. In dem Schichtenpufferspeicher 2 bildet sich die in der Zeichnung beschriebene thermische Schichtung der Temperatur des Heizungswassers zwischen 75°C im oberen Bereich und etwa 40°C im unteren Bereich aus. Die Speisung der Wärmequelle 1 erfolgt aus dem untersten, infolge der Rücklaufeinkopplung kühlsten Speicherbereich. Damit werden die Abführung der thermischen Energie, die Laufzeitoptimierung und die Brennwertnutzung der Kraft-Wärme-Kopplungeinheit sichergestellt.
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An den obersten, wärmsten Teil des Schichtenpufferspeichers 2 ist die Heizungsvorlaufleitung 4 angeschlossen, die zur Erzielung einer Schwerkraftwirkung bis auf eine bestimmte geodätische Höhe abgesenkt ist. In den in der vorgegebenen geodätischen Höhe verlaufenden Teil der Heizungsvorlaufleitung 4 sind zunächst der von einem schnellen Servomotor 11 angetriebene Heizungs-Dreiwegemischer 5 und die Heizungsumwälzpumpe 6 zur Durchführung des Heizbetriebs in der kalten Jahreszeit und zur Rückführung des abgekühlten Heizungswassers über die Heizungsrücklaufleitung 3 und die unterste Ebene des Schichtenpufferspeichers 2 zur Wärmequelle 1 eingebunden. Eine von der Heizungsrücklaufleitung 3 ausgehende Zweigleitung 7 ist an den Heizungs-Dreiwegemischer 5 angeschlossen. Ausgehend von einem Außentemperatursensor 8 wird über eine Steuereinheit 9 und einen Vorlauftemperatursensor 10 der Servomotor 11 und damit der Heizungs-Dreiwegemischer 5 gesteuert und die Vorlauftemperatur für das Heizsystem in bekannter Art außentemperaturgeführt ausgeregelt. Eine dem Heizungs-Dreiwegemischer 5 nachgeschaltete, an die Steuereinheit 9 gekoppelte Heizungsumwälzpumpe 6 sorgt für den Transport des Heizmediums über die Heizkörper (nicht dargestellt) und dann abgekühlt zurück zum Schichtenpufferspeicher 2.
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Stromab der Heizungsumwälzpumpe 6 ist in die Heizungsvorlaufleitung 4 ein externer Wärmeübertrager 13 zur Warmwasserbereitung – hier ein Plattenwärmeübertrager – eingebunden, durch den mithilfe der auch als Ladepumpe für den Wärmeübertrager fungierenden Heizungsumwälzpumpe 6 das über den Heizungs-Dreiwegemischer 5 mit einer bestimmten Vorlauftemperatur zugeführte Heizmedium geleitet wird. Zur Warmwasserbereitung strömt über einen in eine Kaltwasserleitung 15 eingebundenen, an die Steuereinheit 9 gekoppelten Durchflussschalter 14 mit einer Temperatur von ca. 10°C zugeführtes Kaltwasser im Gegenstrom zum Heizungswasser durch den Wärmeübertrager 13. Der Durchflussschalter 14 fungiert als Signalgeber für die Steuereinheit zur Umschaltung auf die Betriebsart Warmwasserbereitung. Ein mit der Steuereinheit 9 verbundenes Magnetventil 19 ist zwischen die Heizungsvorlaufleitung 4 und die Heizungsrücklaufleitung 3 geschaltet, um den Heizkreis für die Dauer der Warmwasserentnahme kurzschließen zu können. Das Kaltwasser wird im Wärmeübertrager 13 aufgrund der hinsichtlich Temperatur und Menge geregelten Zufuhr des Heizungswassers durch den an die Steuereinheit 9 gekoppelten Heizungs-Dreiwegemischer 5 und die – jetzt als Ladepumpe dienende – Heizungsumwälzpumpe 12 auf eine vorgegebene, zur Vermeidung von Verkalkungen 55°C nicht wesentlich überschreitende Temperatur erwärmt. Die am Vorlauftemperatursensor 10 erfasste Vorlauftemperatur dient dabei als Führungsgröße für die Regelung der Eingangstemperatur in den Wärmeübertrager 13. Ein in die Warmwasserleitung 16 eingebundener und an die Kaltwasserleitung 15 angeschlossener, thermostatisch arbeitender Dreiwegemischer 17 sorgt für die Feineinstellung der gewünschten Wassertemperatur von – im vorliegenden Ausführungsbeispiel – 50°C und dient außerdem zum Schutz vor Verbrühungen bei der Warmwasserentnahme an der – hier entfernt vom Wärmeübertrager 13 angeordneten – Zapfstelle 18. Ein Warmwasserzirkulationssystem, bestehend aus einer Zirkulationsleitung 20, einer Zirkulationspumpe 21 und einer Rückflusssperre 12 sorgt für eine effektive Bereitstellung von Warmwasser auch an einer entfernt angeordneten Zapfstelle 18.
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In der kalten Jahreszeit wird der Heizbetrieb ohne Warmwasseranforderung durch den Heizungs-Dreiwegemischer 5 in Verbindung mit der Heizungsumwälzpumpe 6 und der außentemperaturgeführten Vorlaufregelung über die Außentemperatur- und Vorlauftemperatursensoren 8, 10 realisiert. Der Wärmeübertrager 13 wird vom Heizungswasser durchströmt, wodurch vorgewärmtes Trinkwasser quasi im Stand-by-Betrieb ansteht. Das Magnetventil 19 ist geschlossen, so dass das Heizungswasser über die Heizkörper in die Heizungsrücklaufleitung gelangt und mit ca. 30 bis 45°C in den unteren Bereich des Schichtenpufferspeichers 2 und von dort zur Wärmequelle 1 strömt. Eine Warmwasserentnahme wird der Steuereinheit 9 vom Durchflussschalter 14 signalisiert. Die Steuereinheit 9 schaltet in die Betriebsart Warmwasserbereitung um. Die jetzt als Ladepumpe dienende Heizungsumwälzpumpe 6 wird eingeschaltet und das Magnetventil 19 wird geöffnet, so dass warmes Heizungswasser zur Erwärmung des im Gegenstrom geführten Kaltwassers nur durch den Wärmeübertrager 13 und in einem auf deutlich kleiner 40°C abgekühlten Zustand über das Magnetventil 19 – d. h. bei kurzgeschlossenem Heizkreis – direkt in die Heizungsrücklaufleitung 3 gelangt. Die Beendigung der Warmwasserentnahme wird vom Durchflussschalter 14 an die Steuereinheit 9 gemeldet. Die Heizwassertemperatur wird entsprechend der Außentemperatur geregelt und das Heizungswasser wird bei geschlossenem Magnetventil 19 wieder über die Heizkörper gefördert.
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Im Sommerbetrieb, wenn keine Heizenergie abgenommen wird, ist die Heizungsumwälzpumpe 6 ausgeschaltet und der Heizungs-Dreiwegemischer 5 ist durchgeschaltet. Am Wärmeübertrager 13 stellt sich aufgrund der Schichtung im Schichtenpufferspeicher 2 und der Schwerkraftwirkung je nach geodätischer Höhe des Wärmeübertragers 13 eine entsprechende Temperatur analog der Höhe im Schichtenpufferspeicher ein, so dass eine bestimmte Höhe des Wärmeübertragers 13 relativ zum Schichtenpufferspeicher und eine bestimmte Rohrleitungsführung realisiert werden muss.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmequelle (z.B. Blockheizkraftwerk)
- 2
- Schichtenpufferspeicher
- 3
- Heizungsrücklaufleitung
- 4
- Heizungsvorlaufleitung
- 5
- Heizungs-Dreiwegemischer
- 6
- Heizungsumwälzpumpe
- 7
- Zweigleitung
- 8
- Außentemperatursensor
- 9
- Steuereinheit
- 10
- Vorlauftemperatursensor
- 11
- Schneller Servomotor v. 5
- 12
- Rückflusssperre
- 13
- Wärmeübertrager
- 14
- Durchflussschalter
- 15
- Kaltwasserleitung
- 16
- Warmwasserleitung
- 17
- Thermostatischer Dreiwegemischer
- 18
- Zapfstelle
- 19
- Magnetventil
- 20
- Zirkulationsleitung
- 21
- Zirkulationspumpe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011/116736 A1 [0002]
- DE 10336624 A1 [0002]
