DE102013200885A1

DE102013200885A1 - Heizungsanlage

Info

Publication number: DE102013200885A1
Application number: DE201310200885
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2014-07-24

Abstract

Es wird eine Heizungsanlage beschrieben, die sich vor allem dadurch auszeichnet, dass der Heizkessel als großvolumiger, insbesondere zylindrischer Behälter mit einem Verhältnis von Höhe zu Durchmesser größer Zwei ausgebildet und in seinem bodenseitigen Bereich von einem im Wesentlichen horizontal und vorzugsweise zur Abgasseite hin leicht geneigt verlaufenden Brennerrohr durchsetzt ist, das im Heizwasserbereich außenseitig mit einer Vielzahl von Wärmeübertragungsrippen versehen ist, dass zur Warmwassererzeugung entweder im oberen Bereich des Heizkessels ein Behälter oder zwischen Heizwasservorlauf und Heizwasserrücklauf ein Wärmetauscher vorgesehen ist, und dass alle Wasserkreisläufe über bedarfsabhängig gesteuerte Pumpen und ohne elektrisch angetriebene Mischventile betrieben sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizungsanlage mit einem mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen betreibbaren Heizkessel zur Erzeugung von Warmwasser und zur zumindest in Abhängigkeit von der Außentemperatur gesteuerten Speisung wenigstens einer Heizzone mit Heißwasser.
Es ist bekannt, dass bei bekannten Heizungsanlagen bei einer vorgegebenen Kesseltemperatur abhängig von der Außentemperatur die Absenktemperatur gesteuert wird. Die Wärmeleistungsaufnahme aus dem Heizkessel soll damit dem Heizenergiebedarf angepasst werden. Die Einführung der so genannten Niedertemperaturkessel-Technik wird demgemäß damit begründet, dass mit geringen Abstrahl- und Bereitschaftsverlusten gerechnet werden kann und damit erhebliche Einsparungen durch die Niedertemperatur-Heizkesseltechnik erreichbar wären. Neben einer Energie sparenden Betriebsart sind aber in der Praxis die hygienischen Gesichtspunkte bei der Warmwasser-Bereitung ausschlaggebend. Während der Aufheizzeit des jeweiligen Warmwasserspeichers gehen die Vorteile der Niedertemperatur-Technik verloren. Während der Heizperiode ist die erzeugte hohe Temperatur nicht brauchbar. Während der Nichtheizperiode gehen nicht nur die Abstrahlverluste des Warmwasser-Speichers sondern auch die erzeugte Wärme im Heizkessel verloren. Auch die aufgewandte Leistung für die Übertragung und die damit verbundenen Wärmeverluste sind erheblich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Heizungsanlage der eingangs angegebenen Art in der Weise zu gestalten, dass sich neben einer Wirkungsgradverbesserung im Brennerbetrieb auch eine merkbare Energieeinsparung im normalen Heizanlagenbetrieb erzielen lässt und die Nutzung von Sonnenenergie, von Festbrennstoffen sowie Fernheizwärme problemfrei möglich ist und steuerungstechnisch einfach in die Heizungsanlage integriert werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe zumindest im Wesentlichen dadurch, dass der Heizkessel als großvolumiger, insbesondere zylindrischer Behälter mit einem Verhältnis von Höhe zu Durchmesser größer Zwei ausgebildet und in seinem bodenseitigen Bereich von einem im Wesentlichen horizontal und vorzugsweise zur Abgasseite hin leicht geneigt verlaufenden Brennerrohr durchsetzt ist, das im Heizwasserbereich außenseitig mit einer Vielzahl von Wärmeübertragungsrippen versehen ist, dass zur Warmwassererzeugung entweder im oberen Bereich des Heizkessels ein Behälter oder zwischen Heizwasservorlauf und Heizwasserrücklauf ein Wärmetauscher vorgesehen ist, und dass alle Wasserkreisläufe über bedarfsabhängig gesteuerte Pumpen und ohne elektrisch angetriebene Mischventile betrieben sind.
Von wesentlicher Bedeutung ist im Rahmen der Erfindung, dass in der Gesamtanlage elektrische Energie eingespart werden kann, da elektrisch betriebene, ständig laufende Mischventile vermieden werden und lediglich die Heizkreispumpen bei Bedarf und in Abhängigkeit von der Außentemperatur betrieben werden müssen. Außerdem ist von wesentlicher Bedeutung, dass durch die spezielle Ausbildung von Brennkammer bzw. Brennerrohr in Verbindung mit einer speziellen Wirbelscheibenanordnung eine optimale Wärmeübertragung über das mit einer Vielzahl von Außenrippen versehene Brennerrohr an das Heizmedium erfolgen kann.
Der große Wasserinhalt des Heizkessels mit einer Hysterese von Anfangs- zur Endtemperatur durch die vorgesehene Steuerung sorgt für eine annähernd gleichbleibende Betriebstemperatur. Dieses Verhalten wird mit einem Gebläsebrenner als Grundlastversorgung oder aus der vorhandenen Wärme aus einem Energiespeicher erfüllt, der beispielsweise mit einer Solaranlage oder auch mit einem Fernwärmenetz zusammenarbeitet.
Besonders vorteilhaft ist es, dass im Heizkessel ein relativ großvolumiger Behälter zur Warmwassererzeugung vorgesehen werden kann, oder dass das Warmwasser über einen zwischen Vorlauf und Rücklauf des Heizkessels geschalteten Wärmetauscher erwärmt wird. Die vorhandene Hysterese bei der Steuerung der Wärmeerzeugung oder die Versorgung mit Wärme für den Wärmeträger aus dem dem Heizkessel zugeordneten Energiespeicher sichert stets das Vorhandensein von ausreichender Wärme für die Warmwassererzeugung über der für eine hygienische Warmwasser-Aufbereitung notwendigen Temperatur.
Die sich durch den unteren Bereich des Heizkessels erstreckende Brennerrohranordnung mit Brennkammer und Wirbelscheibensystem ermöglicht eine optimale Ausnutzung der jeweils eingebrachten Heizenergie, wobei die zum Abgasauslass hin leicht geneigte Anordnung des Brennerrohrs eine sichere und problemfreie Kondensatabführung gewährleistet. Die Wirbelscheiben bestehen aus gegenseitig beabstandeten, ebenen Metallscheiben, deren Durchmesser so gewählt ist, dass sich zwischen den Randbereichen der Wirbelscheiben und dem Brennerrohr ausgesprochen turbulente Heißgas-Strömungsverhältnisse auf dem Weg der Heißgase von der Brennerkammer zum Abgasrohr ergeben, welche zur Folge haben, dass ein Maximum an Energie auf das Brennerrohr bzw. die Vielzahl der Außenrippen übertragen wird, die auf das Brennerrohr geschweißt sind.
Die benötigte Temperatur für den Wärmeträger wird stets von einem Fühler gesteuert, der bevorzugt etwa in halber Höhe des Heizkessels angeordnet ist und im Falle der Verwendung eines Warmwasserbehälters im Heizkessel sich etwas unterhalb dieses Warmwasserbehälters befindet. Dieser Fühler zeigt in der Regelung die Referenztemperatur des Kessels an, die mit RTK bezeichnet wird. Die Referenztemperatur RTK kann verstellt werden, so dass sich beispielsweise die jeweilige Endtemperatur ergibt mit RTK 55 + 10°C = 65°C oder RTK 58 + 10°C = 68°C. Wesentlich ist stets, dass die Warmwassertemperatur mindestens 61°C beträgt.
Die jeweils erforderliche Heizleistung richtet sich nach der Anzahl der Heizzonen bzw. der Größe der Heizkörper und kann deshalb verstellt werden. Von wesentlicher Bedeutung ist dabei, dass durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Heizanlage keinerlei Mischventile erforderlich sind und demgemäß keine Pumpe dauernd laufen muss, was zu einer entsprechenden Einsparung von elektrischer Energie führt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizanlage, wobei der Heizkessel geschnitten dargestellt ist,
2 eine Teil-Schnittdarstellung des Aufbaus und der Funktionsweise der Brennerrohr/Brennerkammeranordnung, und
3 eine Schnittansicht durch den Wirbelscheibenbereich senkrecht zu dessen Achse.
In der Anlage nach 1 ist der Anschluss an die elektrische Energie über die Vorsicherung 1 mit 10 A, den Notschalter 2 außerhalb des Heizraums und die 230 V-Verbindungsleitung 3 zur Regelung-Steuerung 4 dargestellt. An die Steuerung 4 sind die jeweiligen Fühler direkt angeschlossen, und diese Fühler werden nachfolgend mit den Abkürzungen ihrer jeweiligen Funktion bezeichnet.
Die Verteilung 5 ist dem Heizkessel 31 zugeordnet. Der vom oberen Bereich des Heizkessels 31 abgeführte Heizungsvorlauf 6 ist mit den beispielsweise und schematisch dargestellten Heizzonen 28 und 29 verbunden. Die den Heizzonen zugeordneten Umwälzpumpen sind mit M1 und M2 bezeichnet.
Quer durch den unteren Bereich des Heizkessels 31 erstreckt sich ein Brennerrohr 23, dem ein Gebläsebrenner 8 zugeordnet ist. Dem Gebläsebrenner 8 gegenüberliegend ist der Brennkammerboden vorgesehen, wobei der diesen Brennkammerboden umgebende Rand mit 9 und die Isolierung des Bodens mit 30 bezeichnet ist.
An die Brennkammer bzw. den Brennkammerboden schließt sich ein aus einer Mehrzahl von Wirbelscheiben 10 bestehender Bereich an, wobei diese Wirbelscheiben 10 vorzugsweise mit gleichem gegenseitigem Abstand zentral gehaltert sind. Zum Zwecke einer Optimierung der Wärmeübertragung kann der gegenseitige Abstand der Wirbelscheiben auch variiert werden, und insbesondere können über den Außenumfang der Wirbelscheiben verteilt Einkerbungen, Ausnehmungen und dergleichen vorgesehen sein, um die Verwirbelungseffekte zu erzwingen.
Auf der Außenseite des Brennerrohrs 23 sind aufgeschweißte Rippen 11 zur Übertragung der vom Gebläsebrenner 8 erzeugten Wärme an den Wärmeträger 18 vorgesehen. Ein Sicherheits-Temperaturbegrenzer STB ist an dem Heizkessel angrenzend an das Brennerrohr vorgesehen.
An den Bereich der Wirbelscheiben 10 schließt sich die Abgaskammer 12 an, welche ein Abgasrohr 13 mit einem Fühleranschluss umfasst. Mit 14 ist ein Handloch bezeichnet, und die Kondensatableitung ist mit 15 dargestellt.
In diese Abgaskammer 12 ragt das Brennerrohr 23, und zwar mit einer Distanzhalterung 25 um das Brennerrohr zum Schutzrohr 26. Darauf folgt die Abgaskammer 12 mit ihrer Dichtung 27.
Von einem Energiespeicher 33 führt ein Vorlauf 16 mit dem Regelventil 34 und der Förderpumpe M3 zum Heizkessel 31. Der Energiespeicher-Rücklauf 17 ist bodenseitig mit dem Heizkessel verbunden, wo auch der Heizungs-Rücklauf 7 mündet. Solange der Thermostat Th im Energiespeicher 33 dies zulässt, wird das Heizwasser 18 und damit auch der Warmwasser-Behälter 19 im Heizkessel 31 durch die im Energiespeicher 33 gespeicherte Energie aufgeheizt.
Oben auf dem Warmwasser-Behälter 19 ist ein Kaltwasseranschluss 20, der Anschluss für die Zirkulation 21 und der Warmwasseranschluss 22 zu sehen.
Der Energiespeicher 33 mit dem Thermostat Th wird mit dem Sicherheits-Temperaturbegrenzer STBa 32 im Energiespeicherrücklauf vor einer Überhitzung geschützt.
Die 1 zeigt auch als Beispiel die Integration einer Anlage zur Nutzung von Solarenergie, die über einen Wärmetauscher und ein Regelventil 34 dem Heizkessel 31 über den Energiespeicher-Vorlauf 16 zugeführt werden kann.
2 zeigt in vergrößerter Darstellung das mit den Außenrippen versehene Brennerrohr 23, das sich leicht nach unten geneigt durch den unteren Bereich des durchgehend mit einer Isolierung 30 versehenen Heizkessels 31 erstreckt. Die Strömung des in der Brennkammer erzeugten Heißgases in Richtung des Abgasrohrs 13 ist durch Pfeile angedeutet, und insbesondere wird durch die zwischen den Wirbelscheiben 10 dargestellten Strömungskreise verdeutlicht, dass dieses Heißgas in dem Bereich zwischen den Außenrändern der Wirbelscheiben 10 und der Wandung des Brennerrohr 23 stark verwirbelt und dadurch die Wärmeübertragung auf das Brennerrohr bzw. dessen Rippen 11 und damit auf den Wärmeträger ganz wesentlich erhöht und verbessert wird.
Die 3 zeigt einen Querschnitt durch den Wirbelscheibenbereich im Brennerrohr, wobei die mit dem Brennerrohr 23 verschweißten Rippen 11 zu sehen sind und der definierte, geringe Abstand zwischen den Wirbelscheiben 10 und dem Brennerrohr zu erkennen ist. Dieser geringe Abstand kann so optimiert werden, dass sich bezogen auf die sonstigen Konstruktionsgegebenheiten eine bestmögliche Heißgasverwirbelung auf dem Weg des Heißgases von der Brennkammer zum Abgasrohr ergibt und damit der bestmögliche Wirkungsgrad erzielt wird.
Bezugszeichenliste

1: Sicherung 10 A
2: Notschalter
3: 230 V-Leitung
4: Regelung-Steuerung
5: Verteilung am Kessel
6: Heizung-Vorlauf
7: Heizung-Rücklauf
8: Gebläsebrenner
9: Brennkammer-Boden und Rand
10: Wirbelscheibe
11: Rippe
12: Abgaskammer
13: Abgasrohr mit Fühleranschluss
14: Handloch
15: Kondensat-Ableitung
16: Energiespeicher-Vorlauf
17: Energiespeicher-Rücklauf
18: Heizwasser
19: Warmwasser-Behälter
20: Kaltwasser-Anschluss
21: Zirkulation-Anschluss
22: Warmwasser-Anschluss
23: Brennerrohr
24: STB im Heizkessel
25: Distanzhalter-Ring
26: Schutzrohr
27: Dichtung der Abgaskammer
28: Heizzone 1
29: Heizzone 2
30: Isolierung
31: Heizkessel
32: STBa im Rücklauf des Energiespeichers
33: Energiespeicher
34: Regelventil
(TA): Temperatur außen
(TS): Temperatur Solaranlage
(TK + RTK): Temperatur Kessel und Referenztemperatur Kessel
(TB): Temperatur Betrieb
(TW): Temperatur Warmwasser
(TH): Temperatur Energiespeicher
(TG): Temperatur Abgas
(TR): Temperatur Raum

Claims

Heizungsanlage mit einem mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen betreibbaren Heizkessel zur Erzeugung von Warmwasser und zur zumindest in Abhängigkeit von der Außentemperatur gesteuerten Speisung wenigstens einer Heizzone mit Heißwasser, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkessel (31) als großvolumiger, insbesondere zylindrischer Behälter mit einem Verhältnis von Höhe zu Durchmesser größer Zwei ausgebildet und in seinem bodenseitigen Bereich von einem im Wesentlichen horizontal und vorzugsweise zur Abgasseite hin leicht geneigt verlaufenden Brennerrohr (23) durchsetzt ist, das im Heizwasserbereich außenseitig mit einer Vielzahl von Wärmeübertragungsrippen (11) versehen ist, dass zur Warmwassererzeugung entweder im oberen Bereich des Heizkessels (31) ein Behälter (19) oder zwischen Heizwasservorlauf (6) und Heizwasserrücklauf (7) ein Wärmetauscher vorgesehen ist, und dass alle Wasserkreisläufe über bedarfsabhängig gesteuerte Pumpen und ohne elektrisch angetriebene Mischventile betrieben sind.
Heizungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Brennerrohr (23) anschließend an die von einem kreisförmigen, einen geringeren Durchmesser als das Brennerrohr aufweisenden Boden (9) begrenzten Brennkammer eine Folge von gegenseitig beabstandeten, vorzugsweise mittig gehalterten Wirbelscheiben (10) vorgesehen ist, deren Durchmesser ebenfalls kleiner als der Durchmesser des Brennerrohrs (23) ist und vorzugsweise etwa dem Durchmesser des Brennkammerbodens (9) entspricht, wobei diese Wirbelscheiben (10) der Brennrohrwand benachbart eine ausgeprägte, die Wärmeübertragung auf die Außenrippen (11) am Brennerrohr (23) fördernde Heißgasverwirbelung bewirken.
Heizungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Heizkessel (31) ein insbesondere durch Solarenergie aufheizbarer Energiespeicher (33) zugeordnet ist, dessen Kaltwasseranschluss (17) mit dem Bodenbereich des Heizkessels und dessen Warmwasserausgang mit dem oberen Bereich des Heizkessels in Verbindung steht, wobei ein Thermostat (Th) im Energiespeicher (33) bestimmt, ob die für den Wärmeträger bzw. das Heizwasser (18) benötigte Wärme von dem Energiespeicher (33) oder von der Brennkammer geliefert wird.
Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebereitstellung im Heizkessel (31) mit einer Hysterese von der Anfangstemperatur zur Endtemperatur arbeitet.
Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Heizkessel nicht fest verbundenen Teile, bei Brennerstillstand, entsprechend der Brennerlaufzeit die dabei aufgenommene Wärme an den Wärmeträger abgeben.
Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur für den Wärmeträger im Heizkessel (31) über einen etwa in halber Höhe des Heizkessels angeordneten Fühler (TK) gesteuert wird, wobei die Trinkwassertemperatur im Behälter (19) mindestens 61°C erreichen soll und dabei unter Beachtung der Hysterese die Referenztemperatur (RTK) verstellbar ist.
Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des im oberen Bereich des Heizkessels angeordneten Warmwasserbehälters (19) etwa 30 bis 50 % des Volumens des Heizkessels (31) beträgt.