DE102021108035A1

DE102021108035A1 - Warmwassergerät und Verfahren zum Steuern des Warmwassergerätes

Info

Publication number: DE102021108035A1
Application number: DE102021108035.5A
Authority: DE
Inventors: Martin Herrs; Hubert Nolte
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2022-10-06
Also published as: US20220316760A1; US12044439B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Warmwassergerät (1), insbesondere elektronischer Durchlauferhitzer, und zugehöriges Verfahren. Das Warmwassergerät (1) weist auf: einen Kaltwasserzulauf (2), einen Warmwasserablauf (4), einen Fluidpfad (3), ein Heizelement (20), das dazu ausgebildet ist, in dem Fluidpfad (3) befindliches Wasser zu erwärmen, eine Leistungselektronikeinheit (30), die mit dem Heizelement (20) gekoppelt ist, eine Steuerung (40), die dazu ausgebildet ist, eine Temperatur des Wassers in dem Fluidpfad durch Ansteuerung der Leistungselektronikeinheit (30) auf eine insbesondere einstellbare Warmwassertemperatur, genannt Temperatursollwert, zu regeln, ein Zapferkennungsmittel (42), das dazu ausgebildet ist, ein Zapfereignis zu detektieren, einen Wassersensor (46) und ein Einstellmittel (50), insbesondere einen Jumper-Schalter, der eine Einstellung des Betriebs des Warmwassergerätes (1) zwischen einem durchflussaktivierten Betriebsmodus und einem Bereitschaftsbetriebsmodus, in dem das Wasser auf einer Bereitschaftstemperatur gehalten wird, ermöglicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Warmwassergerät, insbesondere einen Durchlauferhitzer.
Elektrische bzw. elektronische Warmwassergeräte, insbesondere Durchlauferhitzer, sind grundsätzlich bekannt. Je nach Einsatzbereich sind zwei grundlegend verschiedene Ausgestaltungen bekannt.
Einerseits werden Warmwassergeräte eingesetzt, die permanent Wasser bereithalten, das bereits auf die gewünschte Bereitstellungstemperatur erwärmt ist. Damit wird unmittelbar nach Beginn eines Zapfvorgangs Warmwasser in der gewünschten Temperatur bereitgestellt. Derartige Warmwassergeräte werden beispielsweise in Kantinen oder anderen Großküchen zum Spülen von Geschirr und ähnlichem eingesetzt, bei denen eine Aufwärmzeit unerwünscht ist.
Andererseits werden Warmwassergeräte eingesetzt, die das Wasser erst mit Beginn des Zapfvorgangs erwärmen, beispielsweise haushaltsübliche Durchlauferhitzer im Sanitärbereich. In der Warmwasserleitung und dem Durchlauferhitzer befindet sich zunächst nicht vorerwärmtes Wasser, es dauert also einige Zeit, bis das Wasser mit der gewünschten Temperatur an der Zapfstelle eintrifft. Gegenüber der dauerhaften Erwärmung hat dieser Betrieb einen energetischen Vorteil, da keine permanenten Wärmeverluste auftreten.
Aus dem Stand der Technik sind jedoch aufgrund der grundlegend unterschiedlichen Steuer- und Regelkonzepte keine Warmwassergeräte bekannt, die sowohl einen Betrieb mit permanenter Bereithaltung von Warmwasser als auch einen Betrieb, der eine bezugsabhängige Bereitstellung von Warmwasser, ermöglichen.
Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vielseitig einsetzbares Warmwassergerät bereitzustellen.
In einem Aspekt wird ein Warmwassergerät, insbesondere elektronischer Durchlauferhitzer, vorgeschlagen, das aufweist:

- einen Kaltwasserzulauf,
- einen Warmwasserablauf,
- einen Fluidpfad, der zwischen dem Kaltwasserzulauf und dem Warmwasserablauf angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, durch den Kaltwasserzulauf einströmendes Wasser zu dem Warmwasserablauf zu fördern,
- ein Heizelement, das dazu ausgebildet ist, in dem Fluidpfad befindliches Wasser zu erwärmen,
- eine Leistungselektronikeinheit, die mit dem Heizelement gekoppelt ist,
- eine Steuerung, die dazu ausgebildet ist, eine Temperatur des Wassers in dem Fluidpfad durch Ansteuerung der Leistungselektronikeinheit auf eine insbesondere einstellbare Warmwassertemperatur, genannt Temperatursollwert, zu regeln,
- ein Zapferkennungsmittel, das dazu ausgebildet ist, ein Zapfereignis zu detektieren,
- einen Wassersensor, der dazu ausgebildet ist, eine der Wassertemperatur entsprechende Bezugsgröße zu bestimmen.

Das Warmwassergerät weist ferner ein Einstellmittel auf, insbesondere einen Jumper-Schalter, der eine Einstellung des Betriebs des Warmwassergerätes zwischen einem durchflussaktivierten Betriebsmodus und einem Bereitschaftsbetriebsmodus, in dem das Wasser auf einer Bereitschaftstemperatur gehalten wird, ermöglicht.
Das bereitgestellte Warmwassergerät ermöglicht somit, dass durch einfache Einstellung mittels des Einstellmittels ermöglicht ist, zwischen dem energiesparenden, durchflussaktivierten Betriebsmodus und dem Bereitschaftsbetriebsmodus, bei dem das warme Wasser unmittelbar bereitgestellt wird, gewechselt werden kann. In einer Ausführung kann die Umstellung durch Umlegen des Jumper-Schalters vorgenommen werden. In anderen Ausführungen ist ein Umstellen lediglich während des Fertigungsprozesses beispielsweise durch eine Softwareimplementierung mittels Parametereingabe möglich. Dadurch sind Zertifizierungsauflagen vereinfacht und gleichzeitig können mehrere unterschiedliche Produkte angeboten werden, die sich technisch in der Hardware der Elektronik nicht unterscheiden, was den Herstellaufwand verringert.
Vorzugsweise umfasst das Zapferkennungsmittel einen Durchflusssensor, einen Wippschalter und/oder einen Geräuschsensor. Auch andere geeignete Mittel zur Zapferkennung sind vorstellbar.
Vorzugsweise ist der Wassersensor als Temperatursensor ausgebildet. Auch andere Sensoren sind als Wassersensor vorstellbar, die eine Bezugsgröße messen, die der Wassertemperatur entspricht. Bevorzugt wird die Wassertemperatur in Umgebung des Warmwasserablaufs bestimmt, wobei auch andere Orte der Temperaturmessung vorstellbar sind.
Vorzugsweise ist der Wassersensor als Warmwassersensor ausgeführt, der dazu ausgebildet ist, eine der Wassertemperatur entsprechenden Bezugsgröße in Umgebung des Warmwasserablaufs zu bestimmen.
Vorzugsweise umfasst das Warmwassergerät ferner einen Kaltwassersensor, der dazu ausgebildet ist, eine Wassertemperatur in Umgebung des Kaltwasserzulaufs zu bestimmen.
Der Kaltwassersensor bzw. der Warmwassersensor bestimmen die Wassertemperatur beim Einlauf, bzw. beim Ablauf in bzw. aus dem Warmwassergerät. In Umgebung des Kaltwasserzulaufs, bzw. in Umgebung des Warmwasserablaufs, ist demnach funktional dahingehend zu verstehen, dass der Kaltwassersensor bzw. der Warmwassersensor derart angeordnet ist, dass die Wassertemperatur bestimmbar ist, die in das Warmwassergerät eintritt bzw. aus diesem abläuft. Der Kaltwassersensor ermöglicht demnach, die Temperatur des einströmenden Kaltwassers zu bestimmen. Der Warmwassersensor bestimmt die Bezugstemperatur, die im Betrieb des Warmwassergerätes, wenn ein Wasserstrom durch den Fluidpfad strömt, das Warmwassergerät verlässt. Die Wassertemperatur, vorzugsweise die Temperatur des aus dem Warmwassergerät ausströmenden Wassers, wird durch die Steuerung auf den Temperatursollwert geregelt. Nach Abschalten des Warmwassergerätes nähert sich die Temperatur des Warmwassersensors der Temperatur des Kaltwassersensors aufgrund von Wärmeverlusten an.
Vorzugsweise entspricht die Bereitschaftstemperatur in etwa dem Temperatursollwert, vorzugsweise liegt sie höchstens 10 K oberhalb oder unterhalb des Temperatursollwertes.
In einer vorteilhaften Ausführung liegt die Bereitschaftstemperatur in etwa auf dem Wert des Temperatursollwerts für den durchflussaktivierten Betriebsmodus. Somit wird aus dem Warmwassergerät ausfließendes Wasser beim Wechsel vom Bereitschaftsbetriebsmodus in den durchflussaktivierten Betriebsmodus vorteilhaft gleich oder sofort mit dem gewünschten Temperatursollwert geliefert, oder mit einer Temperatur die nahe beim Temperatursollwert des durchflussaktivierten Betriebsmodus liegt, oder auch knapp darunter oder darüber.
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist eine gewisse gewünschte Temperaturdifferenz für die Bereitschaftstemperatur vorgesehen, die definiert über oder unter dem für den durchflussaktivierten Betrieb vorgesehenen Temperatursollwert liegt, insbesondere eine Temperaturdifferenz von ca. 10 K oder weniger, besonders vorteilhaft eine Temperaturdifferenz von etwa 5 K, 4 K, 3 K, 2 K oder 1 K zum im durchflussaktivierten Betrieb vorgesehenen Temperatursollwert aufweist. Bei Beginn einer Zapfung wird vorzugsweise Wasser für einen ersten Moment mit einer entsprechend etwas höheren oder niedrigeren Temperatur geliefert, als mit einem für den im durchflussaktivierten Betrieb vorgesehenen Temperatursollwert, etwa solange wie im durchflussaktivierten Betrieb für einen Wasseraustausch, entsprechend ungefähr dem Volumen des sich im Bereitschaftsmodus im Fluidpfad befindlichen Wassers, benötigt wird, was in der Praxis wenige Sekunden oder Sekundenbruchteile dauert.
Vorzugsweise steht die Leistungselektronikeinheit zur Kühlung in thermischer Kopplung mit einem Bereich des Fluidpfades, der stromaufwärts, das heißt in Strömungsrichtung vorgelegt, vor dem Heizelement angeordnet ist.
Es ist bekannt, dass Leistungselektronikeinheiten im Betrieb zu kühlen sind. Dies wird in dieser Ausführung dadurch erreicht, dass das in dem Warmwassergerät befindliche Wasser zur Kühlung verwendet wird.
Vorzugsweise umfasst die Leistungselektronikeinheit:

- einen Leistungstriac,
- einen Steuertriac, insbesondere einen Opto-Triac, der mit einer Gateelektrode bzw. Steuerelektrode des Leistungstriac zum Zünden des Leistungstriac verbunden ist, und
- einen spannungsabhängiger Widerstand, der parallel zu dem Steuertriac geschaltet ist.

Durch den Steuertriac ist es möglich, den Leistungstriac mit einem geringen Strom zu schalten, bzw. zu zünden. Für die Kühlung ist es wichtig, dass insbesondere der Leistungstriac der Leistungselektronikeinheit gekühlt wird. Der spannungsabhängige Widerstand, der auch als Varistor bezeichnet wird, schützt die Leistungselektronikeinheit gegen plötzlich auftretende Überspannung aus dem Netz, die beispielsweise durch Blitzschlag oder anlaufende bzw. abfahrende induktive Lasten hervorgerufen wird.
Vorzugsweise schließt ein dem Steuertriac und dem spannungsabhängigen Widerstand nachgeschaltener Widerstand den Leistungstriac kurz, um einen Strom durch die Gateelektrode des Leistungstriac zu begrenzen.
Der spannungsabhängige Widerstand bzw. der Varistor hat üblicherweise den Nachteil, dass bei steigender Umgebungstemperatur ab etwa 50 °C im Inneren des Gehäuses des Warmwassergerätes ein Leckstrom das Gate des Leistungstriacs so ansteuert, dass dieser ungewollt zündet und das bzw. die Heizelemente aktiviert, wodurch eine noch höhere Temperatur des Schaltraumes im Inneren des Warmwassergerätes resultiert. Das ungewollte Zünden des Leistungstriacs durch den auftretenden Leckstrom des Varistors wird demnach verhindert. Eine hohe Umgebungstemperatur des Leistungstriac im Betrieb mit oder ohne Heizen können ebenfalls ein ungewolltes Zünden des Leistungstriac bewirken.
Vorzugsweise ist der nachgeschaltete Widerstand in Abhängigkeit einer einzuhaltenden, maximalen Temperatur im Inneren des Warmwassergeräts gewählt.
Je höher der Widerstandswert des nachgeschalteten Widerstandes, desto niedriger ist die maximale zulässige Temperatur. Beispielsweise kann für einen Widerstand im Bereich von 500 Ω die Temperatur auf 83 °C begrenzt sein, während bei einem Widerstand von 300 Ω die Temperatur auf einen höheren Wert von 90 °C begrenzt ist. Dies sind natürlich nur beispielhafte Werte, die in anderen Fällen je nach Spezifikation der Bauteile auch anders sein können. Alternativ oder zusätzlich kann der nachgeschaltete Widerstand als NTC mit einer entsprechenden Kennlinie gewählt sein.
Vorzugsweise ist wenigstens ein Widerstand in Reihe mit dem Steuertriac angeordnet. Der Widerstand, beispielsweise im Bereich von wenigen kΩ, schützen den Steuertriac.
Vorzugsweise enthält das Warmwassergerät mehrere modular aufgebaute Heizzellen, wobei jede Heizzelle einen Kaltwasserzulauf, einen Warmwasserablauf, einen Fluidpfad, zwischen Kaltwasserzulauf Warmwasserablauf, ein Heizelement und eine Leistungselektronikeinheit enthält, wobei die Steuerung dazu ausgebildet ist, eine Temperatur des Wassers in dem Fluidpfad durch sämtliche Heizzellen durch Ansteuerung der Leistungselektronikeinheiten sämtlicher der Heizzellen auf eine insbesondere einstellbare Warmwassertemperatur zu regeln.
Vorzugsweise die Steuerung ausgebildet ist zum:

- Bestimmen einer Vorsteuerungs-Heizleistung basierend auf einem Signal des Zapferkennungsmittels und einer Temperaturdifferenz zwischen dem Temperatursollwert und der Wassertemperatur in Umgebung des Kaltwasserzulaufs,
- Bestimmen einer Temperaturabweichung durch Vergleich der Temperatur in Umgebung des Warmwasserablaufs mit dem Temperatursollwert,
- Regeln der Heizleistung zur Verringerung der Temperaturabweichung als Regelabweichung, sobald die Temperaturabweichung höchstens einen Temperaturschwellwert, insbesondere höchstens 10 K, beträgt.

Die Vorsteuerungsheizleistung ist demnach die Heizleistung, die auf das bzw. die Heizelemente angewandt wird, um das Wasser auf den Temperatursollwert zu erwärmen. In dieser Ausführung wird erst dann, wenn die Abweichung von dem Temperatursollwert höchstens einen Temperaturschwellwert beträgt, die Heizleistung nachgeregelt. Dadurch wird verhindert, dass unmittelbar nach dem Beginnen des Heizbetriebes nachgeregelt wird und daher eine zu hohe Heizleistung mit in der Folge zu warmem bereitgestelltem Wasser eingestellt wird. Die Anpassung der Heizleistung kann beispielsweise aufhören, wenn die Temperaturabweichung weniger als einen zweiten Temperaturschwellwert von dem Temperatursollwert entfernt ist, der beispielsweise ein Kelvin betragen kann. Diese Steuerung ist insbesondere in dem durchflussaktivierten Betriebsmodus vorhanden, wird gleichsam aber auch in dem Bereitschaftsbetriebsmodus eingesetzt, immer dann, wenn die Detektion eines Zapfereignisses durch das Zapferkennungsmittel erfolgt.
Vorzugsweise ist die Steuerung ausgebildet zum:

- Erkennen eines Endes eines Zapfvorgangs, insbesondere durch einen Abfall eines Signals des Zapferkennungsmittels,
- Blockieren eines Wiedereinschaltens des Heizelementes für einen bestimmten Zeitraum, wobei der bestimmte Zeitraum insbesondere in Abhängigkeit der Bezugsgröße, die der Wassertemperatur entspricht, bestimmt ist und besonders bevorzugt in Abhängigkeit von der Höhe einer gemessenen Übertemperatur ist.

Nach dem Zapfende steigt die Temperatur aufgrund von Massenträgheit zunächst an. Um ein Überschwingen zu verhindern, wird das Wiedereinschalten des bzw. der Heizelemente in dieser Ausführung blockiert, insbesondere temporär blockiert. Die Temperaturinformation, die dann durch den Wassersensor bereitgestellt wird, kann als Übertemperatur bezeichnet werden und bestimmt die Dauer der Zeitverzögerung. Damit kann insbesondere ein Aufschaukeln der Auslauftemperatur bei kurz aufeinander folgenden Zapfungen verhindert werden. Der Betrieb gemäß dieser Ausführung eignet sich sowohl für den Bereitschaftsbetriebsmodus als auch für den durchflussaktivierten Betriebsmodus.
Vorzugsweise die Steuerung in dem Bereitschaftsbetriebsmodus ferner ausgebildet ist zum:

- Aktivieren einer Wiedereinschaltverzögerung zum Verzögern des Wiedereinschaltens des Heizelementes nach jedem Heizvorgang,
- Deaktivieren der Wiedereinschaltverzögerung sobald die Bezugsgröße, die der Wassertemperatur entspricht, um einen vorbestimmten Schwellwert, insbesondere 10K, niedriger ist als der Temperatursollwert.
- Aktivieren des Heizelementes für eine vorbestimmte Zeitdauer, insbesondere zwischen 5 und 20 Sekunden, bei deaktivierter Wiedereinschaltverzögerung.

Insbesondere in dem Bereitschaftsbetriebsmodus ist wichtig zu entscheiden, wann die Heizelemente bzw. das Heizelement betrieben wird, um das in dem Fluidpfad enthaltende Wasser im Bereich des Temperatursollwertes zu halten. Hierfür wird in diesem Aspekt eine Hysterese vorgeschlagen, die eine Wiedereinschaltung der Heizelemente erst dann ermöglicht, wenn die Wassertemperatur bereits deutlich unterhalb des Temperatursollwertes liegt.
In einem weiteren Aspekt wird ein Warmwassergerät mit einer Leistungselektronikeinheit bereitgestellt, wobei die Leistungselektronikeinheit umfasst: einen Leistungstriac, einen Steuertriac, insbesondere einen Opto-Triac, der mit einer Gateelektrode des Leistungstriac zum Zünden des Leistungstriac verbunden ist, einen spannungsabhängiger Widerstand, der parallel zu dem Steuertriac geschalten ist, und ein dem Steuertriac und dem spannungsabhängigen Widerstand nachgeschaltener Widerstand, der den Leistungstriac kurzschließt, um einen Strom durch die Gateelektrode des Leistungstriac zu begrenzen.
In einem weiteren Aspekt wird eine derartige Leistungselektronikeinheit für ein Warmwassergerät selbst vorgeschlagen.
In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Steuern eines Warmwassergerätes gemäß der Offenbarung vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

- Bestimmen einer Vorsteuerungs-Heizleistung basierend auf einem Signal des Zapferkennungsmittels und einer Temperaturdifferenz zwischen dem Temperatursollwert und einer Wassertemperatur in Umgebung des Kaltwasserzulaufs,
- Bestimmen einer Temperaturabweichung durch Vergleich einer Temperatur in Umgebung des Warmwasserablaufs mit dem Temperatursollwert,
- Regeln der Heizleistung zur Verringerung der Temperaturabweichung als Regelabweichung, sobald die Temperaturabweichung höchstens einen Temperaturschwellwert, insbesondere höchstens 10 K, beträgt.

Alternativ oder zusätzlich umfasst das Verfahren weiter die folgenden Schritte:

- Erkennen eines Endes eines Zapfvorgangs, insbesondere durch einen Abfall eines Signals des Durchflusssensors,
- Blockieren eines Wiedereinschaltens des Heizelementes für einen bestimmten Zeitraum, wobei der bestimmte Zeitraum insbesondere in Abhängigkeit der Bezugsgröße, die der Wassertemperatur entspricht, bestimmt ist und besonders bevorzugt in Abhängigkeit von der Höhe einer gemessenen Übertemperatur ist. Die Übertemperatur wird insbesondere durch die positive Temperaturdifferenz zwischen Wasserauslauftemperatur und eingestellter Wasserauslauftemperatur-Sollwert gebildet.

Der Betrieb des Warmwassergerätes ist zwischen einem durchflussaktivierten Betriebsmodus und einem Bereitschaftsbetriebsmodus, in dem das Wasser auf einer Bereitschaftstemperatur gehalten wird, einstellbar, wobei das Verfahren in dem Bereitschaftsbetriebsmodus vorzugsweise ferner die folgenden Schritte umfasst:

Das Verfahren gemäß diesem Aspekt erreicht die gleichen Vorteile wie das zuvor beschriebene Warmwassergerät und ist unter Erreichung der dabei beschriebenen Vorteile mit jeder der als bevorzugt beschriebenen Ausführungen des Warmwassergerätes kombinierbar.
Weitere Vorteile und besondere Ausgestaltungen werden nachfolgend mit Verweis auf die beigefügten Figuren beschrieben. Hierbei zeigen:

1 schematisch und exemplarisch ein Warmwassergerät.
2 schematisch und exemplarisch eine Stapelung mehrerer Heizelemente.
3 schematisch und exemplarisch einen Schaltplan einer Leistungselektronikeinheit mit Heizelement.
4 schematisch und exemplarisch ein Flussdiagramm eines durchflussaktivierten Betriebsmodus des Warmwassergeräts.
5 schematisch und exemplarisch ein Flussdiagramm eines Bereitschaftsbetriebsmodus des Warmwassergeräts.

1 zeigt schematisch und exemplarisch ein Warmwassergerät 1, beispielsweise einen elektronischen Durchlauferhitzer. Das Warmwassergerät 1 enthält einen Kaltwasserzulauf 2 und einen Warmwasserablauf 4 zum Anschluss an eine Zapfstelle. Das Warmwassergerät 1 kann druckbehaftet oder drucklos angeschlossen werden. In den Kaltwasserzulauf 2 einströmendes Wasser wird über einen Fluidpfad 3 durch das Warmwassergerät 1 geleitet, darin erwärmt und dann über den Warmwasserablauf 4, beispielsweise an eine Zapfstelle, abgegeben. Während dem Durchströmen des Warmwassergerätes 1 heizt ein Heizelement 20 das in dem Fluidpfad 3 befindliche Wasser auf.
Obwohl ein einziges Heizelement 20 gezeigt ist, so ist fachmännisch bekannt, Warmwassergeräte 1 durch Hintereinanderreihung mehrerer Heizelemente 20 leistungsstärker auszugestalten. Die Heizelemente 20 können dann in einzelnen, modular anordnungsbaren Heizzellen angeordnet sein. Beispielsweise kann jedes der Heizelemente 20 eine Leistung zwischen 6 und 12 kW ermöglichen.
In der beispielhaften Darstellung räumlich getrennt dargestellt, ist eine Leistungselektronikeinheit 30, die mit dem Heizelement 20 gekoppelt ist. In anderen Ausgestaltungen kann die Leistungselektronikeinheit 30 auch mit dem Heizelement 20 integriert ausgebildet sein, vgl. beispielsweise 2. Die Leistungselektronikeinheit 30 ist in thermischem Kontakt mit einem Bereich des Fluidpfades 3, sodass dissipative Wärme der Leistungselektronikeinheit 30 an das Wasser in dem Fluidpfad 3 abgegeben wird, bevor dieses durch das Heizelement 20 erwärmt wird.
Obwohl der Verlauf des Fluidpfades 3 in dieser Darstellung linear gezeigt ist, so ist bekannt, den Fluidpfad 3 meanderförmig durch das Warmwassergerät 1 zu führen. Dies hat eine Platzeinsparung zur Folge.
Eine Steuerung 40 des Warmwassergerätes 1 steht in Signalverbindung mit einem Kaltwassersensor 44 zur Detektion der Temperatur des einströmenden Kaltwassers, einem Zapferkennungsmittel 42, das dazu ausgebildet ist, einen Durchfluss durch den Fluidpfad 3 zu detektieren, und einem Warmwassersensor 46, der dazu ausgebildet ist, die Wassertemperatur in dem Fluidpfad in der Umgebung des Warmwasserablaufs 4, also nach Austritt aus dem Heizelement 20, zu bestimmen. Das Zapferkennungsmittel 42 umfasst beispielsweise einen Durchflusssensor, einen Wippschalter und/oder einen Geräuschsensor.
Die Steuerung 40 ist dazu ausgebildet, das Warmwassergerät 1 in einem Betriebsmodus zu steuern, und insbesondere die Temperatur des Wassers in dem Fluidpfad durch Ansteuerung der Leistungselektronikeinheit 30 auf einen Temperatursollwert zu regeln. Der Temperatursollwert ist vorzugsweise einstellbar.
Der Betriebsmodus des Warmwassergerätes 1, den die Steuerung 40 ermöglicht, ist mit einem Einstellmittel 50 veränderbar. Insbesondere kann das Einstellmittel 50 einen Betrieb als durchflussaktivierter Betriebsmodus und einem Bereitschaftsbetriebsmodus unterscheiden. Das Einstellmittel 50 kann als Jumper-Schalter, das heißt als mechanisches Einstellmittel, vorgesehen sein. Alternativ kann über einen Software-Schalter, beispielsweise ein Software-Flag, die Einstellung vorgenommen werden. In dem durchflussaktivierten Betriebsmodus wird mittels des Durchflusssensors 42 ein Zapfereignis, das heißt das Vorliegen eines Durchflusses durch den Fluidpfad 3, detektiert und ein Erwärmen des Wassers in dem Fluidpfad 3 nur dann ausgelöst, wenn tatsächlich ein Zapfereignis vorliegt. Dadurch entfällt ein Wärmeverlust durch das dauerhafte Bereitstellen von erwärmtem Wasser.
Anders in dem Bereitschaftsbetriebsmodus. Hier wird vorzugsweise während der gesamten Betriebsdauer die Temperatur des Wassers in dem Fluidpfad 3 auf dem Temperatursollwert gehalten. Damit wird sichergestellt, dass auch bei einem Zapfbeginn unmittelbar warmes Wasser aus dem Warmwasserablauf 4 austritt. Der Bereitschaftsbetriebsmodus eignet sich besonders bei häufig nachgefragten Einsatzbereichen, wie beispielsweise in Kantinen. Die dann auftretenden Wärmeverluste sind durch den häufigen Einsatz vernachlässigbar. Vorzugsweise ist es möglich, den Bereitschaftsbetriebsmodus während bestimmter Zeiten, beispielsweise während Betriebszeiten einer Kantine, zu aktivieren. Dann kann in einem Nachtbetrieb auf den durchflussaktivierten Betriebsmodus gewechselt werden, alternativ kann das Warmwassergerät bei Nichtgebrauch auch vollständig ausgeschaltet werden. In diesem Sinne ist der Begriff des dauerhaften Bereithaltens des erwärmten Wassers zu verstehen.
Schließlich ist das Warmwassergerät 1 von einem Gehäuse 10 umgeben, das in anderen Ausführungen auch weggelassen werden kann. Das Warmwassergerät 1 ist insbesondere für dreiphasige Netze in Stern- und Dreieckverdrahtungen vorgesehen und eignet sich vorzugsweise für einen Leistungsbereich zwischen 12 und 144 kW.
2 zeigt schematisch und exemplarisch das Warmwassergerät 1 in Auszügen. Hierbei ist insbesondere die meanderförmige Aneinanderreihung mehrerer Heizelemente 20 gezeigt. Durch die Anordnung und Anzahl der mehreren Heizelemente 20 ist die Leistung bedarfsabhängig anpassbar. Vorzugsweise ist jedes Heizelement 20 über einen manuellen Schutzschalter 100 abgesichert.
3 zeigt schematisch und exemplarisch einen Schaltkreis einer Leistungselektronikeinheit 30. Die Leistungselektronikeinheit 30 ist zwischen einem ersten Leiter L1 und einem zweiten Leiter L2 angeordnet und schaltet mittels eines Leistungstriacs 32 ein Heizelement 20. Der Leistungstriac 32 wird über einen Steuertriac 36, der insbesondere als Opto-Triac ausgebildet ist, und mit der Gateelektrode des Leistungstriac 32 verbunden ist, gezündet. Über den dann anliegenden Steuerstrom an der Gatelelektrode G wird der Leistungstriac 32 zwischen den zwei Hauptelektroden A1 und A2 leitend. Zum Schutz des Steuertriacs 36 sind in Serie mit dem Steuertriac 36 ein erster Widerstand R1 und optionaler zweiter Widerstand R2 angeordnet. In diesem Beispiel können die Widerstände jeweils 2,7 kΩ betragen, wobei auch andere Werte vorstellbar sind. Parallel zu dem Steuertriac 36 ist ein auch als Varistor bezeichneter, spannungsabhängiger Widerstand 34 geschaltet, der die Leistungselektronikeinheit 30 gegen plötzlich auftretende Überspannung aus dem Netz schützt, die beispielsweise durch Blitzschlag oder durch anlaufende oder abfahrende induktive Lasten hervorgerufen wird.
Die Anordnung des spannungsabhängigen Widerstandes 34 hat jedoch den Nachteil, dass bei steigender Umgebungstemperatur in dem Warmwassergerät 1 ein Leckstrom durch den spannungsabhängigen Widerstand 34 das Gate G des Leistungstriac 32 so ansteuert, dass dieser ungewollt zündet und das Heizelement 20 aktiviert. In der Folge wird eine noch höhere Schaltraumtemperatur in dem Warmwassergerät 1 erhalten. Zur Lösung wird ein nachgeschalteter Widerstand R3 angeordnet, der dem Steuertriac und dem spannungsabhängigen Widerstand 34 nachgeschaltet ist und den Steuertriac 36 derart kurzschließt, dass ein Strom durch die Gateelektrode G des Leistungstriac 32 begrenzt ist.
Die Anordnung des Widerstandes R3 verhindert demnach die ungewollte Zündung des Leistungstriac 32 dadurch, dass der auftretende Leckstrom begrenzt wird. Durch die Wahl des Widerstandwertes des Widerstands R3 ist eine Einstellung des Temperaturgrenzwertes im Inneren des Warmwassergerätes 1 möglich. Grundsätzlich wird ein höherer Widerstandswert eine Begrenzung auf eine niedrigere Umgebungstemperatur innerhalb des Gehäuses bewirken.
Nachfolgend wird der durchflussaktivierte Betriebsmodus als „CE“-Modus bezeichnet, der Bereitschaftsbetriebsmodus wird als „CF“-Modus bezeichnet.
4 zeigt schematisch und exemplarisch ein Flussdiagramm des Betriebs des Warmwassergerätes 1, der beispielsweise durch die Steuerung 40 ermöglicht wird, wenn das Einstellmittel 50 eine Einstellung auf den durchflussaktivierten Betriebsmodus, also den CE-Modus, eingestellt hat.
In einer ersten Abfrage 410 wird geprüft, ob ein Zapfereignis vorliegt oder nicht. Beispielsweise wird hierfür das Signal des Durchflusssensors 42 herangezogen und mit einem vorbestimmten Schwellwert verglichen. Der Durchflusssensor 42 kann entweder ein binäres Signal, das heißt „An“ oder „Aus“ ausgeben oder ein Signal, dass proportional zum Durchfluss ist. Auch andere Arten der Signalübertragung des Durchflusssensors 42 sind möglich. Falls kein Zapfereignis detektiert wird, beginnt das Verfahren erneut mit dem Schritt 410.
In dem Fall, dass der detektierte Durchfluss den Schwellwert in Schritt 410 überschreitet, wird in einem Schritt 420 geprüft, ob die Wassertemperatur, die von dem Warmwassersensor 46 bestimmt wird, anzeigt, dass das Warmwasser warm ist oder nicht. Hierbei wird darunter verstanden, dass das Warmwasser warm ist, dass ein Betrieb des Warmwassergerätes erst vor Kurzem stattgefunden hat. Beispielsweise kann als Bewertung herangezogen werden, dass der Unterschied zwischen Warmwassertemperatur und Kaltwassertemperatur, die von dem Kaltwassersensor 44 bestimmt wird, einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Alternativ kann die Warmwassertemperatur im Vergleich zu dem eingestellten Temperatursollwert betrachtet werden.
Wird festgestellt, dass in Schritt 420 die Warmwassertemperatur „warm“ ist, wird in einem Schritt 430 eine Verzögerungszeit aktiviert. Durch die Verzögerungszeit wird ein erneutes Aktivieren des Heizelementes 20 verzögert, um ein Aufschaukeln der Warmwasserauslauftemperatur bei kurz aufeinanderfolgenden Zapfungen zu verhindern.
Die Zeitverzögerung in Schritt 430 wiederholt sich solange, wie die Prüfung in Schritt 420 ein negatives Ergebnis liefert.
Ist die Prüfung in Schritt 420 erfolgreich, so wird in einem Schritt 440 in den Heizbetrieb geschaltet. Das heißt, das Heizelement 20 wird unter Regelung der Steuerung 40 derart betrieben, dass die Warmwassertemperatur möglichst dem Temperatursollwert entspricht.
Vorzugsweise wird die Steuerung derart implementiert, dass aus dem Durchflusssignal und der Temperaturdifferenz zwischen Kaltwassereinlauf und dem Temperatursollwert eine Vorsteuerungsheizleistung berechnet wird. Diese Vorsteuerungsheizleistung wird über die Leistungselektronikeinheit 30 an das Heizelement 20 angelegt, bis die an dem Warmwassersensor 46 gemessene Temperatur von dem Temperatursollwert um einen Höchstwert abweicht, der beispielsweise 10 K beträgt. Erst dann, wenn diese Temperaturdifferenz kleiner als der Schwellwert ist, wird die Heizleistung angepasst und geregelt, bis die Regelabweichung zwischen Warmwassertemperatur und Temperatursollwert das Regelziel erfüllt, das beispielsweise eine Abweichung von höchstens 1 K entspricht. Das Heizen wird in einem Schritt 450 solange fortgeführt, bis der vom Durchflußsensor gemessene Zapfvolumenstrom kleiner ist als der eingestellte Mindest-Zapfvolumenstrom, was beispielsweise in dem Fall eines Beendens des Zapfereignisses der Fall ist.
5 zeigt schematisch und exemplarisch ein Flussdiagramm, bei dem das Einstellmittel 50 die Einstellung des Betriebs in dem „CF“-Betriebsmodus, das heißt dem Bereitschaftsbetriebsmodus, einstellt. Zusätzlich zu dem Ablauf in 4 ist demnach die Steuerung des Bereitschaftsbetriebes enthaltend die Schritte 460 bis 480 gezeigt.
Die Wiedereinschaltverzögerung entsprechend Schritt 430 wir auch in dem Bereitschaftsbetriebsmodus nach jedem Heizen aktiv. Dies entspricht dem zusätzlichen Schritt 460.
Sobald die am Warmwassersensor 46 gemessene Temperatur des Warmwassers mehr als ein vorbestimmter Schwellwert, beispielsweise 10 K, kleiner ist als der eingestellte Temperatursollwert, wird in einem Schritt 470 die Prüfung mit Ja beantwortet. Erst dann wird in einem Schritt 480 der Bereitschaftserwärmungsbetrieb, das heißt die Aktivierung sämtlicher Heizelemente 20 ausgeführt. Die Heizelemente 20 werden vorzugsweise für eine fest eingestellte Dauer aktiviert, die beispielsweise 10 Sekunden beträgt.
Es wiederholen sich die Wiedereinschaltverzögerung gemäß Schritt 460 und die Hysterese-Prüfung gemäß Schritt 470.

Claims

Warmwassergerät (1), insbesondere elektronischer Durchlauferhitzer, das aufweist: - einen Kaltwasserzulauf (2), - einen Warmwasserablauf (4), - einen Fluidpfad (3), der zwischen dem Kaltwasserzulauf (2) und dem Warmwasserablauf (4) angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, durch den Kaltwasserzulauf (2) einströmendes Wasser zu dem Warmwasserablauf (4) zu fördern, - ein Heizelement (20), das dazu ausgebildet ist, in dem Fluidpfad (3) befindliches Wasser zu erwärmen, - eine Leistungselektronikeinheit (30), die mit dem Heizelement (20) gekoppelt ist, - eine Steuerung (40), die dazu ausgebildet ist, eine Temperatur des Wassers in dem Fluidpfad durch Ansteuerung der Leistungselektronikeinheit (30) auf eine insbesondere einstellbare Warmwassertemperatur, genannt Temperatursollwert, zu regeln, - ein Zapferkennungsmittel (42), das dazu ausgebildet ist, ein Zapfereignis zu detektieren, - einen Wassersensor (46), der dazu ausgebildet ist, eine der Wassertemperatur entsprechende Bezugsgröße zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmwassergerät (1) ferner aufweist: - ein Einstellmittel (50), insbesondere einen Jumper-Schalter, der eine Einstellung des Betriebs des Warmwassergerätes (1) zwischen einem durchflussaktivierten Betriebsmodus und einem Bereitschaftsbetriebsmodus, in dem das Wasser auf einer Bereitschaftstemperatur gehalten wird, ermöglicht.
Warmwassergerät (1) nach Anspruch 1, wobei das Zapferkennungsmittel (42) einen Durchflusssensor, einen Wippschalter und/oder einen Geräuschsensor umfasst.
Warmwassergerät (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wassersensor (46) als Temperatursensor ausgebildet ist.
Warmwassergerät (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wassersensor (46) als Warmwassersensor (46) ausgeführt ist, der dazu ausgebildet ist, eine der Wassertemperatur entsprechenden Bezugsgröße in Umgebung des Warmwasserablaufs (4) zu bestimmen.
Warmwassergerät (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend: - einen Kaltwassersensor (44), der dazu ausgebildet ist, eine Wassertemperatur in Umgebung des Kaltwasserzulaufs (2) zu bestimmen.
Warmwassergerät (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Bereitschaftstemperatur in etwa dem Temperatursollwert entspricht, vorzugsweise höchstens 10 K oberhalb oder unterhalb des Temperatursollwertes liegt.
Warmwassergerät (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Leistungselektronikeinheit zur Kühlung in thermischer Kopplung mit einem Bereich des Fluidpfades (3) steht, der vor dem Heizelement (20) angeordnet ist.
Warmwassergerät (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Leistungselektronikeinheit umfasst: - einen Leistungstriac (32), - einen Steuertriac (36), insbesondere einen Opto-Triac, der mit einer Gateelektrode (G) des Leistungstriac (32) zum Zünden des Leistungstriac (32) verbunden ist, und - einen spannungsabhängiger Widerstand (34), der parallel zu dem Steuertriac geschalten ist.
Warmwassergerät (1) nach Anspruch 8, wobei ein dem Steuertriac und dem spannungsabhängigen Widerstand nachgeschaltener Widerstand (R3) den Leistungstriac (32) kurzschließt, um einen Strom durch die Gateelektrode (G) des Leistungstriac (32) zu begrenzen.
Warmwassergerät (1) nach Anspruch 9, wobei der nachgeschaltete Widerstand in Abhängigkeit einer einzuhaltenden, maximalen Temperatur im Inneren des Warmwassergeräts gewählt ist.
Warmwassergerät (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei wenigstens ein Widerstand in Reihe mit dem Steuertriac angeordnet ist.
Warmwassergerät (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Warmwassergerät (1) mehrere modular aufgebaute Heizzellen enthält, wobei jede Heizzelle einen Kaltwasserzulauf, einen Warmwasserablauf, einen Fluidpfad, zwischen Kaltwasserzulauf Warmwasserablauf, ein Heizelement (20) und eine Leistungselektronikeinheit (30) enthält, wobei die Steuerung (40) dazu ausgebildet ist, eine Temperatur des Wassers in dem Fluidpfad (3) durch sämtliche Heizzellen durch Ansteuerung der Leistungselektronikeinheiten (30) sämtlicher der Heizzellen auf eine insbesondere einstellbare Warmwassertemperatur zu regeln.
Warmwassergerät (1) nach einer Kombination der Ansprüche 4 und 5, wobei die Steuerung (40) ausgebildet ist zum: - Bestimmen einer Vorsteuerungs-Heizleistung basierend auf einem Signal des Zapferkennungsmittels (42) und einer Temperaturdifferenz zwischen dem Temperatursollwert und der Wassertemperatur in Umgebung des Kaltwasserzulaufs (2), - Bestimmen einer Temperaturabweichung durch Vergleich der Temperatur in Umgebung des Warmwasserablaufs (4) mit dem Temperatursollwert, - Regeln der Heizleistung zur Verringerung der Temperaturabweichung als Regelabweichung, sobald die Temperaturabweichung höchstens einen Temperaturschwellwert, insbesondere höchstens 10 K, beträgt.
Warmwassergerät (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuerung ausgebildet ist zum: - Erkennen eines Endes eines Zapfvorgangs, insbesondere durch einen Abfall eines Signals des Zapferkennungsmittels (42), - Blockieren eines Wiedereinschaltens des Heizelementes (20) für einen bestimmten Zeitraum, wobei der bestimmte Zeitraum insbesondere in Abhängigkeit der Bezugsgröße, die der Wassertemperatur entspricht,) bestimmt ist und besonders bevorzugt in Abhängigkeit von der Höhe einer gemessenen Übertemperatur ist.
Warmwassergerät (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuerung in dem Bereitschaftsbetriebsmodus ferner ausgebildet ist zum: - Aktivieren einer Wiedereinschaltverzögerung zum Verzögern des Wiedereinschaltens des Heizelementes (20) nach jedem Heizvorgang, - Deaktivieren der Wiedereinschaltverzögerung sobald die Bezugsgröße, die der Wassertemperatur entspricht, um einen vorbestimmten Schwellwert, insbesondere 10K, niedriger ist als der Temperatursollwert, - Aktivieren des Heizelementes (20) für eine vorbestimmte Zeitdauer, insbesondere zwischen 5 und 20 Sekunden, bei deaktivierter Wiedereinschaltverzögerung.
Warmwassergerät (1) mit einer Leistungselektronikeinheit (30), wobei die Leistungselektronikeinheit (30) umfasst: - einen Leistungstriac (32), - einen Steuertriac (36), insbesondere einen Opto-Triac, der mit einer Gateelektrode (G) des Leistungstriac (32) zum Zünden des Leistungstriac (32) verbunden ist, - einen spannungsabhängiger Widerstand (34), der parallel zu dem Steuertriac (36) geschalten ist, und - ein dem Steuertriac (36) und dem spannungsabhängigen Widerstand (34) nachgeschaltener Widerstand (R3), der den Leistungstriac (32) kurzschließt, um einen Strom durch die Gateelektrode (G) des Leistungstriac (32) zu begrenzen.
Verfahren zum Steuern eines Warmwassergerätes (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das Verfahren umfassend: - Bestimmen einer Vorsteuerungs-Heizleistung basierend auf einem Signal des Zapferkennungsmittels (42) und einer Temperaturdifferenz zwischen dem Temperatursollwert und einer Wassertemperatur in Umgebung des Kaltwasserzulaufs (2), - Bestimmen einer Temperaturabweichung durch Vergleich einer Temperatur in Umgebung des Warmwasserablaufs (4) mit dem Temperatursollwert, - Regeln der Heizleistung zur Verringerung der Temperaturabweichung als Regelabweichung, sobald die Temperaturabweichung höchstens einen Temperaturschwellwert, insbesondere höchstens 10 K, beträgt, das Verfahren weiter umfassend: - Erkennen eines Endes eines Zapfvorgangs, insbesondere durch einen Abfall eines Signals des Durchflusssensors (42), - Blockieren eines Wiedereinschaltens des Heizelementes (20) für einen bestimmten Zeitraum, wobei der bestimmte Zeitraum insbesondere in Abhängigkeit der Bezugsgröße, die der Wassertemperatur entspricht, bestimmt ist und besonders bevorzugt in Abhängigkeit von der Höhe einer gemessenen Übertemperatur ist, wobei der Betrieb des Warmwassergerätes (1) zwischen einem durchflussaktivierten Betriebsmodus und einem Bereitschaftsbetriebsmodus, in dem das Wasser auf einer Bereitschaftstemperatur gehalten wird, einstellbar ist, das Verfahren in dem Bereitschaftsbetriebsmodus ferner umfassend: - Aktivieren einer Wiedereinschaltverzögerung zum Verzögern des Wiedereinschaltens des Heizelementes (20) nach jedem Heizvorgang, - Deaktivieren der Wiedereinschaltverzögerung sobald die Bezugsgröße, die der Wassertemperatur entspricht, um einen vorbestimmten Schwellwert, insbesondere 10K, niedriger ist als der Temperatursollwert, - Aktivieren des Heizelementes (20) für eine vorbestimmte Zeitdauer, insbesondere zwischen 5 und 20 Sekunden, bei deaktivierter Wiedereinschaltverzögerung.