DE102019000775A1

DE102019000775A1 - System aus hintereinander geschalteten Heizkreisen mit unterschiedlichen Temperaturniveaus

Info

Publication number: DE102019000775A1
Application number: DE102019000775.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-03-18
Filing date: 2019-02-04
Publication date: 2019-09-19

Abstract

Viele Wärmeerzeuger oder Wärmequellen benötigen eine möglichst niedrige Rücklauftemperatur oder eine große Temperaturspreizung, um mit einem günstigen Wirkungsgrad zu arbeiten. Zur Erreichung einer möglichst großen Temperaturspreizung werden in diesem Verfahren Verbraucherheizkreise mit unterschiedlichen Temperaturniveaus hintereinander geschalten.Eine Wärmequelle (1) versorgt die Heizkreise mit unterschiedlichen Temperaturniveaus (2, 3) unter Einbindung einer hydraulischen Weiche (34). Die Heizkreise (2, 3) werden bedarfsgericht nach Wassermenge und Temperatur über die Pumpen (22, 23) weitgehend in Reihenschaltung versorgt.Das Verfahren eignet sich in allen Heizungsanlagen mit mehreren Heizkreisen unterschiedlichen Temperaturniveaus. Zur Hintereinanderschaltung eignen sich unter anderem indirekt beheizte Warmwasserspeicher, Radiatoren- und Fußbodenheizkreise. Bei Wärmequellen oder Wärmeerzeugern, die eine große Temperaturspreizung oder eine niedrige Rücklauftemperatur benötigen, kann eine Wirkungsgraderhöhung erzielt werden.

Description

Aus DE 10 2013 005 691.8 ist bekannt, dass zwei Heizkreise mit unterschiedlichen Temperaturniveaus durch einen Steller in Reihe hintereinander geschaltet werden, um eine möglichst niedrige Rücklauftemperatur zu erreichen. Die Wassermenge durch die beiden Heizkreise ist abhängig von der Pumpenleistung und der Ventilstellung des Heizkreises mit dem höheren Temperaturniveau. Dabei ergeben sich zwei Problembereiche. Die Versorgung des Heizkreises mit dem niedrigeren Temperaturniveau kann nur solange aufrecht erhalten werden, bis eine Mindestwassermenge unterschritten wird, erst danach schaltet sich eine zweite Pumpe ein. Im Ergebnis führt dieser Betriebsfall zu einer Parallelschaltung der beiden Heizkreise.
Der zweite Problembereich ergibt sich bei der Versorgung des Heizkreises mit dem höheren Temperaturniveau bei einer maximalen Wassermenge. Hierbei muss der Heizkreis mit dem niedrigeren Temperaturniveau für diese maximale Wassermenge ausgelegt werden.
Bei der üblichen Verwendung in Wohngebäuden ist der Heizkreis mit dem höheren Temperaturniveau ein Warmwasserbereiter und der Heizkreis mit dem niedrigeren Temperaturniveau ist eine Flächenheizung, als Radiatoren- oder als Fußbodenheizung.
Die am Markt verfügbaren Warmwasserbereiter weisen heizungsseitig einen zu hohen Fließwiderstand auf, um mit dieser maximalen Wassermenge betrieben zu werden.
Bei Ausführung nach 4 oder 5 von DE 10 2013 005 691.8 verstärkt sich das Problem dadurch, dass ein zweiter in Reihe geschalteter Warmwasserbereiter als Vorwärmstufe den Fließwiderstand weiter vergrößert. Bei Verwendung von Warmwasserspeichern, die heizungsseitig einen geringen Widerstand aufweisen, kommt als weiteres Problem, dass sich bei einer Vergrößerung des heizungsseitigen Durchflusswertes der Vorwärmstufe zwangsläufig auch das trinkwasserseitige Volumen vergrößert. Ein höheres trinkwasserseitiges Volumen führt zu einer höheren Gefahr einer Keimbildung, beispielsweise von Legionellen.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die gegebene hohe Wassermenge des Heizkreises mit dem niedrigeren Temperaturniveau (z.B. Fussbodenheizung) für den Heizkreis mit dem höheren Temperaturniveau (z.B. Warmwassernachwärmer) durch Hinzufügen einer hydraulischen Weiche zu vermindern, um verfügbare Warmwasserbereiter zu verwenden.
Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Anlagenteile für den Heizkreis mit dem höheren Temperaturniveau nicht für die hohen Wassermengen des Heizreises mit dem niedrigeren Temperaturniveau ausgelegt werden müssen. Dies führt zu Reduzierungen der Dimensionen bei allen heizungsseitigen Anlagenteilen des Heizreises mit dem niedrigeren Temperaturniveau. Es können geringere Rohrquerschnitte für das Heizbündel und auch für alle Zuleitungen verwendet werden. Dazu kommt in der Praxis, dass sich in der Folge auch die trinkwasserseitigen Dimensionierungen vermindern, was zu einer Verminderung der Keimbildung führt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben.
Die Weiterbildung nach Patentanspruch 2 ermöglicht es, über eine hydraulische Weiche drei Heizkreise mit drei unterschiedlichen Temperaturniveaus hintereinander zu schalten. Bei Bedarf können die Heizkreise jeweils auch einzeln oder wahlweise parallel betrieben werden. In der Praxis ergibt sich dieser Bedarf bei folgendem Beispiel: Der Heizkreis mit dem höchsten Temperaturniveau ist ein indirekter Warmwasserspeicher als Warmwassernachwärmer, der Heizkreis mit dem mittleren Temperaturniveau besteht aus einer thermostatgesteuerten Radiatoren- oder Fußbodenheizung, der Heizkreis mit dem niedrigsten Temperaturniveau ist ein indirekter Warmwasserspeicher als Warmwasservorwärmer.
Um die Keimbildung insbesondere beim Warmwasservorwärmer zu minimieren, kann auch eine Ausführung als Pufferspeicher mit einem innenliegenden oder mehreren innenliegenden parallel verlaufenden Wellrohren, in denen das Trinkwasser im Durchfuss erwärmt wird, gewählt werden. Oder man verwendet als Warmwasservorwärmer einen Plattenwärmetauscher ohne Wärmespeicherfunktion. Hier ist die Gefahr einer Keimbildung am geringsten, die heizungsseitige Rücklauftemperatur wird allerdings nur bei zeitgleicher Zapfung von Warmwasser vermindert.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 3 angegeben.
Nach Patentanspruch 3 wird die hydraulische Weiche als Pufferspeicher mit einem innenliegenden oder mehreren innenliegenden parallel verlaufenden Wellrohren, in denen das Trinkwasser im Durchfuss erwärmt wird, ausgeführt. Dadurch dient der Pufferspeicher gleichzeitig als ein weiterer Heizkreis zur Vorwärmung des Trinkwassers. Insgesamt wird damit die Warmwassererwärmung 3-stufig ausgeführt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen 1 ein Ausführungsbeispiel gemäß dem Gegenstand von Patentanspruch 1 Der Heizkreis (2) ist der Heizkreis mit dem höheren Temperaturniveau, im Beispiel ein indirekter Warmwasserspeicher.
Der Heizkreis (3) ist der Heizkreis mit dem niedrigeren Temperaturniveau, im Beispiel besteht dieser Heizkreis aus einer thermostatgesteuerten Fußbodenheizung.
Die hydraulische Weiche (34) wird bei eingeschalteter Pumpe (22) ständig an Eingang (1) und Ausgang (2) durchströmt. Das Heizwasser wird je nach Stellung des Mischers (11) ohne Abkühlung direkt von der Wärmequelle (1) zur hydraulische Weiche (34) und wieder zur Wärmequelle (1) zurück, oder von der Wärmequelle (1) zunächst zum Heizkreis mit dem höheren Temperaturniveau (2) und dann zur hydraulische Weiche (34) und wieder zur Wärmequelle (1) zurück, oder gleitend zwischen Ausgang (1) und Ausgang (3) zum Teil zum Heizkreis (2) und dann zur hydraulischen Weiche (34) und zum Teil zur hydraulischen Weiche (34) geführt.
Der Heizkreis (3) wird mit einer bekannten Mischerregelung betrieben, bestehend aus dem Mischer (13) und einem nicht dargestellten Temperaturfühler. Die Vorlauftemperatur wird gemäß einer Kennlinie geführt, z.B.: abhängig von der Außentemperatur und der Zeit.
Der Regelkreis der bekannten Mischerregelung stellt am Ausgang (1) des Mischers (13) die gewünschte Mischtemperatur zur Verfügung, die für den Vorlauf des Heizkreises (3) benötigt wird. Die Mischtemperatur am Ausgang (1) des Mischers (13) ist das Ergebnis, welches sich aus den Temperaturen und Wassermengen der beiden verstellbaren Eingänge (0) und (3) des Mischers (13) ergibt.
Je nach Bedarf verändert der Mischer (13) den Durchfluss der beiden Eingänge (0) und Eingang (3). Die Maximalstellungen sind dabei

- völliger Durchlass Eingang (0) und kein Durchlass Eingang (3) und
- kein Durchlass Eingang (0) und völliger Durchlass Eingang (3).

Die Pumpe (23), nach Stand der Technik konstant - oder proportionaldruckgeregelt ausgeführt, fördert die erforderliche Wassermenge vom Ausgang (3) der hydraulischen Weiche (34) über den Mischer (13) als Vorlauf durch den Heizkreis (3). Dabei wird ein Teil des Rücklaufs des Heizkreises (3) über den Eingang (3) des Mischers (13) dem Vorlauf wieder beigemischt. Der andere Teil des Rücklaufs des Heizkreises (3) fließt zur hydraulischen Weiche (34) am Eingang (4) zurück.
Die hydraulische Weiche (34) hat 4 Anschlüsse. Der Eingang (1) und Ausgang (2) bilden den Versorgerkreis. Der Ausgang (3) und Eingang (4) bilden den Verbraucherkreis. In der hydraulischen Weiche (34) stellen sich dabei folgende drei mögliche Betriebszustände ein:

1. Der Volumenstrom des Versorgerkreises ist gleich dem Volumenstrom des Verbraucherkreises. In diesem Fall durchströmt der Vorlauf ohne jegliche Beimischung die hydraulische Weiche (34) von Eingang (1) nach Ausgang (3), der Rücklauf durchströmt die hydraulische Weiche (34) von Eingang (4) nach Ausgang (2) ebenfalls ohne jegliche Beimischung.
2. Der Volumenstrom des Versorgerkreises ist kleiner als der Volumenstrom des Verbraucherkreises. In diesem Fall durchströmt der Vorlauf die hydraulische Weiche (34) von Eingang (1) unter Beimischung aus dem Verbraucherkreis Eingang (4) nach Ausgang (3), der Rücklauf durchströmt hydraulische Weiche (34) ohne Beimischung von Eingang (4) nach Ausgang (2).
3. Der Volumenstrom des Versorgerkreises ist größer als der Volumenstrom des Verbraucherkreises. In diesem Fall durchströmt der Vorlauf die hydraulische Weiche (34) von Eingang (1) ohne Beimischung nach Ausgang (3), der Rücklauf durchströmt die hydraulische Weiche (34) von Eingang (4) unter Beimischung aus dem Versorgerkreis Eingang (1) nach Ausgang (2).

Damit ergeben sich folgende Extremwerte:

Bei maximalen Heizbetrieb im Winter benötigt der Heizkreis mit dem niedrigeren Temperaturniveau (z.B. Fussbodenheizung) eine sehr hohe Wassermenge. Der Volumenstrom im Verbrauchserkeis ist sehr hoch.

2

3

34

4

2

34

3

Bei minimalen Heizbetrieb oder ausgeschalteten Heizbetrieb des Heizkreises mit dem niedrigeren Temperaturniveau (z.B. Fussbodenheizung) durchströmt nur noch wenig oder kein Heizwasser den Verbraucherkreis.
Bei diesem Extremwert stellt sich der oben unter Punkt 3 genannte Betriebszustand ein. Die hydraulische Weiche wird von Eingang (1) nach Ausgang (2) durchströmt unter geringer, bzw. ohne Beimischung aus Eingang (4).
Die hydraulische Weiche (34) wirkt außerhalb der Heizperiode wie eine Kurzschlussstrecke, sie verursacht keine weiteren Auswirkungen.
Um eine Fehlströmung der ausgeschalteten Pumpe (22) gegen die Fließrichtung auszuschließen, wird der Pumpe (22) eine bekannte Schwerkraftbremse (32) nachgeschaltet.
Um eine Fehlströmung der ausgeschalteten Pumpe (23) gegen die Fließrichtung auszuschließen, wird der Pumpe (23) eine bekannte Schwerkraftbremse (33) nachgeschaltet.
Die Funktionsweise des Verfahrens ist dabei wie folgt:

a) Wärmebedarf an Heizkreis (2) und Wärmebedarf an Heizkreis (3), Reihenschaltung Die Pumpe (22) und die Pumpe (23) sind eingeschaltet. In der hydraulische Weiche (34) treffen sich zwei Kreisläufe. Die Pumpe (22) fördert im ersten Kreislauf das Heizwasser in einem Teilstrom vom Vorlauf der Wärmequelle (1) über den Eingang (0) und den Ausgang (1) des Mischers (11) und in einem Teilstrom über den Eingang (0) und den Ausgang (1) des Mischers (11) über den Heizkreis mit dem höheren Temperaturniveau (2) in den Eingang (1) der hydraulischen Weiche (34) und zurück über den Ausgang (2) zur Wärmequelle (1). Die Pumpe (23) fördert im zweiten Kreislauf einen Teilstrom vom Ausgang (3) der hydraulischen Weiche (34) zum Eingang (0) des Mischers (13) und einen Teilstrom vom Eingang (3) des Mischers (13) über den Ausgang (1) des Mischers (13) zum Heizkreis (3) und zum Eingang (4) der hydraulischen Weiche (34) wieder zurück.
b) Wärmebedarf an Heizkreis (3) und kein Wärmebedarf an Heizkreis (2) Die Pumpe (22) und die Pumpe (23) sind eingeschaltet. Die automatische Regelung von Temperatur und Wassermenge von Wärmequelle (1) und Drehzahl der Pumpe (22) und Pumpe (23) wird daraufhin abgestimmt, dass in der hydraulischen Weiche (34) der Volumenstrom des Versorgerkreises gleich dem Volumenstrom des Verbraucherkreises ist. Damit strömt das Heizwasser von der Wärmequelle (1) über den Eingang (0) und Ausgang (3) des Mischers (11) über Eingang (1) und Ausgang (3) der hydraulischen Weiche (34) und über den Eingang (0) und Ausgang (1) des Mischers (13) zum Heizkreis (3) und über den Eingang (4) und Ausgang (2) der hydraulischen Weiche (34) wieder zur Wärmequelle (1) zurück.
c) Wärmebedarf an Heizkreis (2) und kein Wärmebedarf an Heizkreis (3) Die Pumpe (22) ist eingeschaltet, die Pumpe (23) ist aus geschaltet. In der hydraulische Weiche (34) ist nur noch ein Kreislauf vorhanden. Die Pumpe (22) fördert das Heizwasser vom Vorlauf der Wärmequelle (1) über den Eingang (0) und den Ausgang (1) des Mischers (11) zum Heizkreis mit dem höheren Temperaturniveau (2) in den Eingang (1) der hydraulischen Weiche (34) und zurück über den Ausgang (2) zur Wärmequelle (19).

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß dem Gegenstand von Patentanspruch 2
In Patentanspruch 2 wird über einen Steller (16) ein weiterer Heizkreis mit einem sehr niedrigen Temperaturniveau (6) in den Hauptrücklauf vor der Wärmequelle (1) eingebunden. Der Heizkreis (6) ist im Beispiel ein Brauchwasservorwärmer. Das Heizwasser des Hauptrücklaufs im Versorgerkreis fliest bei Anforderung durch diesen Heizkreis. Immer wenn der Heizkreis (6) Energie aufnehmen kann, schaltet der Steller (16) die Fließrichtung von Eingang (1) nach Ausgang (1) frei, damit fließt das Heizwasser ausgehend vom Ausgang (2) der hydraulischen Weiche (34) über den Heizkreis (6) zur Wärmequelle (1) zurück. Wenn keine Wärmeanforderung des Heizkrieses (6) vorliegt, dann fließt das Heizwasser vom Eingang (0) zum Ausgang (3) des Stellers (16) direkt und ohne Abkühlung zur Wärmequelle (1) zurück.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß dem Gegenstand von Patentanspruch 3
Im Patentanspruch 3 wird die hydraulischen Weiche (34) ersetzt gegen einen großen Pufferspeicher mit einem oder mehreren innenliegenden Wellrohren (7). In den innenliegenden Wellrohren wird Trinkwasser zum Zwecke der Erwärmung geführt.
Die heizungsseitige hydraulische Wirkungsweise des Pufferspeichers (7) ist mit der Wirkungsweise der hydraulischen Weiche (34) identisch.
Bei Verwendung des Pufferspeichers mit einem oder mehreren innenliegenden Wellrohren (7) wirkt dieser Pufferspeicher wie ein weiterer Heizkreis für die Warmwasserbereitung. Das Temperaturniveau des Pufferspeichers (7) liegt zwischen dem Temperaturniveau des Heizkreises (2) und dem Temperaturniveau des Heizkreises (6).
In 3 ist die Fließrichtung des zu erwärmenden Wassers eingezeichnet. Das kalte Wasser fließt in der ersten Stufe vom Eingang (40) zum Ausgang (41) des Heizkreises mit dem niedrigsten Temperaturniveau (6), dann über die innenliegenden Wellrohre am Eingang (42) und Ausgang (43) des Pufferspeichers (7) zum Eingang (45) des Heizkreises mit dem höchsten Temperaturniveau (2), An dieser Stelle wird auch der bekannte Zirkulationsrücklauf (44) eingebunden. Am Ausgang (46) verlässt das Warmwasser dann den Heizkreis mit dem höchsten Temperaturniveau (2), um in das Warmwassernetz und in die Zirkulationsringleitung eingespeist zu werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013005691 [0001]

Claims

System aus hintereinander geschalteten Heizkreisen mit unterschiedlichen Temperaturniveaus, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptvorlauf einer Wärmequelle (1) über eine Pumpe (22) und über einen Mischer (11) mit wahlweise der Schaltstellung, Durchlass zwischen Eingang (0) und Ausgang (3), zu einer hydraulischen Weiche (34) mit dem Eingang (1) und dem Ausgang (2) und dann als Hauptrücklauf zum Wärmeerzeuger geführt wird, oder mit der Schaltstellung, Durchlass von Eingang (0) und regelbar zwischen den Ausgängen (1) und (3), ein Teil des Hauptvorlaufes zum Heizkreis mit dem höherem Temperaturniveau (2), dann unter Beimischung vom Hauptvorlauf zur hydraulischen Weiche (34) mit dem Eingang (1) und dem Ausgang (2) und dann als Hauptrücklauf zum Wärmeerzeuger (1) geführt wird, oder mit der Schaltstellung, Durchlass zwischen Eingang (0) und Ausgang (3), nur zu einer hydraulischen Weiche (34) mit dem Eingang (1) und dem Ausgang (2) geführt wird, wobei das Heizwasser mit einer Pumpe (23) vom Ausgang (3) einer hydraulischen Weiche (34) zu einem mit einem Mischer (13) geregelten Heizkreis mit einem niedrigeren Temperaturniveau (3) zum Eingang (4) dieser hydraulischen Weiche (34) geführt wird, und wobei zur Vermeidung von Fehlströmungen bei abgeschalteter Pumpe (22) oder Pumpe (23) der Pumpe (22) eine Schwerkraftbremse (32) und der Pumpe (23) eine Schwerkraftbremse (33) nachgeschaltet wird.
System nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptrücklauf einer Wärmequelle (1) über ein Dreiwegeventil (16) wahlweise mit der Schaltstellung, Durchlass zwischen Eingang (0) und Ausgang (1) zu einem ungeregelten Heizkreis (6) und dann zurück zur Wärmequelle (1) oder mit der Schaltstellung, Durchlass zwischen Eingang (0) und Ausgang (3) direkt zur Wärmequelle (1) geführt ist.
System nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Weiche (34) ersetzt wird gegen einen Pufferspeicher mit einem oder mehreren innen liegenden Wellrohren (7), wodurch das zu erwärmende Trinkwasser ausgehend vom Eingang (40) zum Ausgang (41) eines Heizkreises (6) und dann über die innenliegenden Wellrohre am Eingang (42) und Ausgang (43) eines Pufferspeichers (7) und dann vom Eingang (45) unter Beimischung des Zirkulationsrücklaus (44) zum Ausgang (46) eines Heizkreises (2) geführt ist.