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Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Wärmetechnik, insbesondere der Gasheiztechnik, bei der Strom aus einer Photovoltaikanlage für die Wärmeerzeugung effektiv nutzbar gemacht wird.
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Die effektive Nutzung von Energiequellen für die Wärmeversorgung spielt eine bedeutende Rolle im Umwelt- und Klimaschutz. In privaten Haushalten entfällt ein hoher Anteil des Energieverbrauchs auf die Wärmeversorgung. Dabei werden immer noch vornehmlich fossile Energieträger verwendet, die unter hohen CO2-Emissionen chemisch umgesetzt werden. Es besteht der Wunsch, für die Wärmeversorgung weitestgehend auf regenerative Energiequellen zurückzugreifen.
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In nördlichen Breiten stehen Wind und Sonne jedoch nicht konstant über das Jahr verteilt zur Verfügung. Insbesondere im Winter, wo eine hohe Temperaturdifferenz zwischen Innenräumen und Außenbereichen aufrecht erhalten werden muss, reichen regenerative Energiequellen nicht aus, die Wärmeversorgung sicherzustellen.
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Um bei Tiefsttemperaturen im Winter die Wärmeversorgung von Wohn- und Geschäftshäusern sicherzustellen und gleichzeitig eine kostenschonende Versorgung zu gewährleisten, gehören Hybridlösungen zum Stand der Technik. Oft werden Wärmepumpen mit anderen Heizsystem kombiniert. Dabei werden Wärmepumpen zu Jahreszeiten eingesetzt, in denen die zu überwindende Temperaturdifferenz zwischen Innen und Außen nicht zu groß ist.
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Hybridlösungen haben jedoch den entscheidenden Nachteil, apparativ aufwändig zu sein. Es bedarf immer der Bereitstellung mehrerer Geräte, die nebeneinander vorhanden sind. Hybridlösungen unter Verwendung von Wärmepumpen haben den weiteren Nachteil, bei älteren oder wenig gedämmten Gebäuden unwirtschaftlich und wenig ressourcenschonend zu arbeiten, da die Wärmeversorgung in diesen Gebäuden eine höhere Vorlauftemperatur voraussetzt, was stark zu Lasten des Wirkungsgrades von Wärmepumpen geht. Aus diesem Grund ist die Wärmeversorgung für ältere oder wenig wärmegedämmte Gebäude unter Verwendung von Wärmepumpen wirtschaftlich problematisch und die Umwelt betreffend wenig nachhaltig.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe lag in der Überwindung der obigen Nachteile. Insbesondere lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neue Vorrichtung zu finden, die eine Wärmeversorgung ganzjährig, also auch bei tiefsten Außentemperaturen, sicherstellt. Die neue Vorrichtung soll dabei umwelt- und ressourcenschonend sein und einen geringen apparativen Aufwand mit sich bringen.
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Gelöst wird die Aufgabe durch den Gegenstand von Anspruch 1. Ein erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Wärmetauscher, umfassend einen Brenner, mindestens einen elektrischen Heizwiderstand und ein primäres Fluidreservoir, wobei der Brenner und der mindestens eine elektrische Heizwiderstand zur Erwärmung des primären Fluidreservoirs angeordnet sind.
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Ein Wärmetauscher im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung, die Wärme von einer oder mehreren Wärmeeinheiten auf eine andere Wärmeeinheit übertragen kann. Im vorliegenden Fall können der Brenner oder der mindestens eine elektrische Heizwiderstand oder der Brenner und zusätzlich der mindestens eine elektrische Heizwiderstand Wärme auf das primäre Fluidreservoir übertragen. In der Praxis kann der Wärmetauscher so gefahren werden, dass im Betrieb entweder eine oder zwei Wärmeeinheiten Wärme erzeugen, die auf das primäre Fluidreservoir übertragen wird, wobei es vorteilhaft ist, den in einer Photovoltaikanlage erzeugten Strom, wenn möglich und wenn in einer Mindestmenge vorhanden, weitestgehend für die Wärmeerzeugung zu verwenden, ohne den Brenner für die Wärmeerzeugung zu verwenden. Der Wärmetauscher stellt einen Teil eines Wärmeerzeugers dar. Ein Wärmeerzeuger ist beispielsweise ein Heizkessel, bevorzugt ein Brennwertheizkessel, insbesondere ein Gasbrennwertheizkessel.
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Der erfindungsgemäße Wärmetauscher bietet den Vorteil, die Wärmeversorgung von Wohn- und Geschäftshäusern auch bei Tiefsttemperaturen im Winter sicherzustellen. Er bietet den weiteren Vorteil, effektiv und umweltfreundlich zu sein, da durch den elektrischen Heizwiderstand ein weiterer Wärmeerzeuger zugeschaltet werden kann, der seine Energie aus erneuerbaren Energien, nämlich der PV-Solarenergie, beziehen kann. Denkbar ist in diesem Zusammenhang jedoch auch eine Stromversorgung aus dem kommerziellen Stromnetz, um bei einem Gaslieferengpass eine minimale Wärmeversorgung zu gewährleisten.
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Der erfindungsgemäße Wärmetauscher nutzt den Vorteil von sich ergänzenden Systemen. Im Winter kann bei geringer Sonneneinstrahlung aber hohem Wärmebedarf eine ausreichende Wärmezufuhr sichergestellt werden. Die Spitzenlast trägt dann der Brenner, also die Wärmeerzeugung durch Gas. Bei hoher Sonneneinstrahlung kann der in einer eigenen Photovoltaikanlage produzierte Strom für die Wärmeversorgung genutzt werden. Der in einer eigenen Photovoltaikanlage produzierte Strom lässt sich auf diese Weise trotz sinkenden Einspeisevergütungen immer noch wirtschaftlich vorteilhaft nutzen. Berechnungen zufolge können bei einem durchschnittlichen Wärmebedarf in einem Neubau von 12.000 kWh/a Einsparungen im Gasverbrauch von bis zu 20 % erreichbar. Das entspricht einer Einsparung an emittiertem CO2 von 400 bis 600 kg.
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Ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung betrifft apparative Aspekte. Der Wärmetauscher stellt einen Teil eines Wärmeerzeugers dar, insbesondere eines Heizkessels. Es besteht die Möglichkeit, bei Erneuerungen im Bestand, den dort eingebauten Wärmetauscher gegen den erfindungsgemäßen Wärmetauscher einzutauschen. Der Aufwand der Installation und die Kosten für den erfindungsgemäßen Wärmetauscher sind verhältnismäßig gering. Im Vergleich zu Hybridlösungen unter Verwendung einer Wärmepumpe ist die erfindungsgemäße Lösung sehr preiswert und einen entsprechende Umrüstung unter einem geringen technischen Aufwand möglich. Insbesondere bei Vorgängermodellen des Anmelders können erfindungsgemäße Lösungen leicht ausgetauscht werden.
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Im Stand der Technik sind Vorrichtungen bekannt, die Nachrüstungen von bestehenden Wärmeerzeugern darstellen. Beispielsweise sind Unterbaugeräte auf dem Markt, die Strom aus Photovoltaikvorrichtungen nutzen, um ein Fluidreservoir zu erwärmen. Bei diesen Unterbaugeräten ist das Fluidreservoir jedoch ein anderes, weiteres Fluidreservoir als das, welches der Brenner des Heizkessels erwärmt. Unterbaugeräte dieser Art bedürfen daher meist einer aufwändigeren Steuerung, die die Wärmeströme aus dem durch den Brenner erzeugten Fluidreservoir und dem durch den elektrischen Heizwiderstand im Unterbaugerät regelt. Bei den Unterbaugeräten ist gegebenenfalls auch eine Pumpe erforderlich, die das warme Wasser aus dem Unterbaugerät mit dem warmen Wasser aus dem Heizkessel zusammenführt. Ferner ist zu berücksichtigen, dass Heizkessel und Unterbaugerät in Summe eine größere Geräteoberfläche aufweisen als ein Heizkessel, in dem der erfindungsgemäße Wärmetauscher eingebaut ist. Dadurch sind die Wärmeverluste bei Lösungen aus dem Stand der Technik größer. Die Erfindung ist daher bevorzugt so zu verstehen, dass der Brenner und der mindestens eine elektrische Heizwiderstand unmittelbar zur Erwärmung des einen primären Fluidreservoirs angeordnet sind.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Brenner angeordnet, das primäre Fluidreservoir direkt zu erwärmen, und der mindestens eine elektrische Heizwiderstand ist ausgestaltet, das primäre Fluidreservoir indirekt zu erwärmen.
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Die indirekte Erwärmung bedeutet, dass der mindestens eine elektrische Heizwiderstand eine Hülse aufweist. Die Erwärmung erfolgt damit über einen weiteren Gegenstand, über den der Wärmetransport stattfindet. Diese weitere bevorzugte Ausführungsform ist unter anderem mit dem Vorteil verbunden, dass der Heizkessel mit dem mindestens einen elektrischen Heizwiderstand nachgerüstet werden kann. Ferner können die Heizwiderstände leichter ausgetauscht werden. Beispielsweise können elektrische Heizwiderstände in der Leistung variiert werden. Wird beispielsweise eine PV-Anlage mit einer größeren Fläche und damit mit einer größeren Leistung installiert, können auch ein oder mehrere elektrische Heizwiderstände nachträglich ausgetauscht werden und die Leistung der Heizwiderstände angepasst werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das primäre Fluidreservoir des erfindungsgemäßen Wärmereservoirs eine Kammer für das Fluid, das bevorzugt auf Wasser basiert, und eine Wandung auf, wobei mindestens ein Teil der Wandung den Wärmeüberträger der vom Brenner und/oder von dem mindestens einen elektrischen Heizwiderstand erzeugten Wärme darstellt.
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Erfindungsgemäß ist der Wärmetauscher in der Weise konzipiert, dass das primäre Fluidreservoir sowohl von dem Brenner als auch von dem mindestens einen elektrischen Heizwiderstand erwärmt wird, wenn beide, also der Brenner und der mindestens eine elektrische Heizwiderstand in Betrieb sind. Die Wandung, die das Fluid, das bevorzugt auf Wasser basiert, begrenzt, stellt die Wärmebrücke dar, über die der Wärmefluss vom Brenner und/oder von dem mindestens einen elektrischen Heizwiderstand stattfindet.
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Der Brenner, der mindestens eine elektrische Heizwiderstand und das primäre Fluidreservoir sind dabei bevorzugt in der Weise angeordnet, dass eine Wärmeübertragung in möglichst effektiver Weise stattfinden kann. Beispielsweise kann der Wärmetauscher einen Metall- oder Aluminiumblock umfassen, der eine Kammer für das Fluid aufweist, wobei der Metall- oder Aluminiumblock einen inneren Raum begrenzt, in dem der Brenner angeordnet ist, wobei an äußeren Flächen des Metall- oder Aluminiumblocks der mindestens eine elektrische Heizwiderstand angeordnet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Wandung materiell eine Einheit dar. Erfindungswesentlich ist, dass das primäre Fluidreservoir eine Einheit darstellt. Das Einheit bildende primäre Fluidreservoir kann sowohl von dem Brenner als auch von dem mindestens einen elektrischen Heizwiderstand im Betrieb erwärmt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stellt der Brenner einen Allgasbrenner oder Gasbrenner dar, der ausgelegt ist, mit Wasserstoff, einem Wasserstoff enthaltenden Gas oder Flüssiggas, bevorzugt NLG, LPG oder flüssigem Biomethan, betrieben zu werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat der Brenner eine maximale Leistung von 100 W bis 100 kW, bevorzugter von 1 kW bis 40 kW, noch bevorzugter von 2 kW bis 30 kW, am meisten bevorzugt von 3 kW bis 20 kW und insbesondere von 4 bis 10 kW. Diese Angaben stellen die maximalen Leistungen dar. Innerhalb dieser bevorzugten Bereiche ist die Nutzung von elektrischer Energie und Energie aus chemischer Verbrennung in einer Hybridlösung am effektivsten.
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Vorteilhafterweise sollte die Wärmeübertragung von dem mindestens einen elektrischen Heizwiderstand auf das primäre Fluidreservoir in möglichst kurzer Zeit stattfinden können, um den elektrischen Heizwiderstand in kurzen Zeitintervallen zu- und abschalten zu können. Dieser Vorteil wird erreicht durch die bevorzugte Ausführungsform, bei der die Wandung im Wesentlichen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der mindestens eine elektrische Heizwiderstand eine Hülse, bevorzugt aus Messing, und einen ohmschen Widerstand umfasst.
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Der Begriff „Hülse“ wird gemäß der vorliegenden Erfindung als ein Behältnis verstanden werden. Diese Hülse kann vorgefertigt werden und an das primäre Fluidreservoir angeordnet werden. Die Hülse kann aus Messing gefertigt sein. Messing hat den Vorteil, wie Aluminium, ein guter Wärmeleiter zu sein. Die Hülse kann räumlich in das primäre Fluidreservoir hineinragen. Dies dient der Vergrößerung der Oberfläche in dem Bereich, in dem die Wärmeübertragung von dem mindestens einen elektrischen Heizwiderstand auf das Fluid stattfindet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Hülse einen Hohlzylinder dar. Dieser Hohlzylinder kann innen mit dem ohmschen Widerstand versehen werden. Dieser Aufbau aus einem Hohlzylinder ist mit dem Vorteil verbunden, dass der Wärmetauscher mit dem ohmschen Widerstand zu einem späteren Zeitpunkt ohne großen Aufwand versehen werden kann. Der ohmsche Widerstand kann in dem Fall auf einfache Weise in den Hohlzylinder eingeführt, insbesondere hereingeschraubt werden. Die Hülse kann beispielsweise eine Ummantelung sein, die in einem thermischen Kontakt mit der Wandung steht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat der mindestens eine elektrische Heizwiderstand eine maximale Leistung von 50 W bis 2 kW, bevorzugter 150 W bis 1 kW, am meisten bevorzugt 200 W bis 500 W, insbesondere von etwa 350 W. Die Leistungsbereiche sind an den Leistungsbereich des Brenners angepasst. Die Kombination aus der maximalen Leistung des Brenners und dem Leistungsreich des mindestens einen elektrischen Heizwiderstands ist verbunden mit einem vorteilhaften Wirkungsgrad. Die Leistungsbereiche eignen sich für die Anordnung mehrerer elektrischer Heizwiderstände.
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Beim Einsatz von mehr als einem elektrischen Heizwiderstand wird ein sequenzielles Zuschalten der elektrischen Heizwiderstände möglich. Wenn die Photovoltaikvorrichtung elektrischen Strom produziert und ein Schwellenwert der elektrischen Leistung erreicht wird, kann ein erster elektrischer Heizwiderstand eingeschaltet werden und das primäre Fluidreservoir erwärmen. Bei weiter steigender Leistung der Photovoltaikanlage wird ein zweiter Schwellenwert erreicht und ein zweiter elektrischer Heizwiderstand kann eingeschaltet werden und das primäre Fluidreservoir erwärmen. Durch diese sequenzielle Zuschaltung wird ein hoher Wirkungsgrad erreicht, da der Temperaturunterschied zwischen elektrischem Heizwiderstand und dem Fluid im primären Fluidreservoir groß ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst, der Wärmetauscher mehr als einen elektrischen Heizwiderstand, bevorzugter zwischen 2 und 12, noch bevorzugter 4 bis 10, am meisten bevorzugt 5 bis 8, insbesondere 7 elektrische Heizwiderstände.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Summe der maximalen Leistung aller elektrischen Heizwiderstände 500 W bis 3,5 kW, bevorzugter 1 kW bis 3 kW, noch bevorzugter 2 kW bis 2,9 kW.
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Der Wärmetauscher umfasst ferner eine Steuerung. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Wärmetauscher eine Steuerung, die vorsieht, den ersten von dem mindestens einen elektrischen Heizwiderstand zur Erwärmung des primären Fluidreservoirs einzuschalten, sobald die maximale Leistung des ersten elektrischen Heizwiderstands zur Erwärmung des primären Fluidreservoirs abgerufen werden kann, wobei bevorzugter die Steuerung vorsieht, jeden weiteren elektrischen Heizwiderstand zur Erwärmung des primären Fluidreservoirs einzuschalten, sobald die maximale Leistung des jeweiligen weiteren elektrischen Heizwiderstands zur Erwärmung des primären Fluidreservoirs abgerufen werden kann. Die Steuerung regelt den sequenziellen Betrieb des Wärmetauschers.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch den Gegenstand von Anspruch 6. Ein zweiter Gegenstand betrifft daher einen Wärmetauscher, umfassend einen Brenner und ein primäres Fluidreservoir, an das mindestens eine Hülse angeordnet ist, die vorgesehen ist, mit einem ohmschen Widerstand versehen zu werden, so dass die mindestens eine Hülse mit einem ohmschen Widerstand mindestens einen elektrischen Heizwiderstand zur Erwärmung des primären Fluidreservoirs ergibt, wobei der Brenner zur Erwärmung des primären Fluidreservoirs angeordnet ist.
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Der Wärmetauscher gemäß dem zweiten Gegenstand der Erfindung ist vorgesehen als eine Komponente eines Heizsystems. Gebäudeeigentümer, die eine energetische Sanierung im Bestand planen, oder Bauherren, die ihr Heizung neu planen, können den Einbau eines Wärmeerzeugers umfassend den Wärmetauscher gemäß dem zweiten Gegenstand der Erfindung vorsehen, auch wenn sie noch nicht über eine Photovoltaikanlage zur Stromerzeugung für elektrische Heizwiderstände verfügen. Die Errichtung einer Photovoltaikanlage mit dem Einbau von ohmschen Widerständen in die dafür vorgesehenen Hülsen kann damit in der Planungsphase und für eine längere Zeit nach der Inbetriebnahme der Heizung eine Option bleiben. Für diesen Zweck sind die Hülsen vorbereitet, mit dem ohmschen Widerstand versehen zu werden. Bezüglich der Begriffsdefinition für „Hülse“ wird auf die obigen Ausführungen verwiesen. Die Hülse stellt eine technische Maßnahme dar, die das Nachrüsten eines Wärmeerzeugers mit einem ohmschen Widerstand zur Nutzung von Solarstrom ermöglicht.
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Der Wärmetauscher gemäß dem zweiten Gegenstand der Erfindung stellt eine kostengünstige Vorrichtung dar, die gegebenenfalls zu einem Heizsystem umfassend eine Photovoltaikanlage erweitert werden kann. Dieser Gestaltungsspielraum für eine Nachrüstung einer Photovoltaikanlage mit Stromversorgung zum Wärmeerzeuger wird ohne einen hohen apparativen Aufwand geschaffen.
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Bevorzugte Ausführungsformen des zweiten Gegenstands der Erfindung entsprechen denen des ersten Gegenstands der Erfindung, soweit anwendbar.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des zweiten Gegenstands der Erfindung stellt der Brenner einen Allgasbrenner oder Gasbrenner dar, der ausgelegt ist, mit Wasserstoff, einem Wasserstoff enthaltenden Gas oder Flüssiggas, bevorzugt NLG, LPG oder flüssigem Biomethan, betrieben zu werden.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des zweiten Gegenstands der vorliegenden Erfindung hat der Brenner eine maximale Leistung von 100 W bis 100 kW, bevorzugter von 1 kW bis 40 kW, noch bevorzugter von 2 kW bis 30 kW, am meisten bevorzugt von 3 kW bis 20 kW und insbesondere von 4 bis 10 kW hat.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des zweiten Gegenstands der vorliegenden Erfindung umfasst der Wärmetauscher mehr als eine Hülse, bevorzugter zwischen 2 und 12, noch bevorzugter 4 bis 10, am meisten bevorzugt 5 bis 8, insbesondere 7 Hülsen.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des zweiten Gegenstands der Erfindung weist das primäre Fluidreservoir eine Kammer für das Fluid, das bevorzugt auf Wasser basiert, und eine Wandung auf, wobei mindestens ein Teil der Wandung den Wärmeüberträger der vom Brenner erzeugten Wärme darstellt, wobei die Hülsen an dem primären Fluidreservoir angeordnet sind. Die Anordnung der Hülsen an dem primären Fluidreservoir soll so verstanden werden, dass von den mit einem ohmschen Widerstand versehene Hülsen ausgehend eine i Wärmeübertragung zum primären Fluidreservoir gewährleistet werden kann. Dies kann mittelbar und unmittelbar stattfinden.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch den Gegenstand von Anspruch 7. Ein dritter Gegenstand betrifft daher einen Wärmeerzeuger umfassend einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher entspricht dem ersten Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Gelöst wird die Aufgabe somit durch einen Wärmeerzeuger, umfassend den erfindungsgemäßen Wärmetauscher, der einen Brenner, mindestens einen elektrischen Heizwiderstand und ein primäres Fluidreservoir umfasst, wobei der Brenner und der mindestens eine elektrische Heizwiderstand zur Erwärmung des primären Fluidreservoirs angeordnet sind.
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Der Wärmeerzeuger ist bevorzugt ein Brennwertheizkessel, insbesondere ein Gasbrennwertheizkessel.
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Der erfindungsgemäße Wärmeerzeuger verwendet mindestens einen elektrischen Heizwiderstand zur Erwärmung des Fluid, bevorzugt Wasser. Im Stand der Technik sind Lösungen beschrieben, die Solarenergie mit einem Gasbrennwertgerät unter Einsatz eines Unterbaugeräts verwenden, wobei in dem Unterbaugerät Wasser durch Solarenergie erhitzt wird. Diese Lösungen bedürfen eines Wärmemanagementsystems, um die in dem Unterbaugerät erzeugte Wärme und in dem Brennwertheizkessel erzeugte Wärme zu steuern. Ferner bedürfen diese Lösungen einer zusätzlichen Pumpe, um das Wasser in dem Unterbaugerät zu zirkulieren. Der erfindungsgemäße Wärmeerzeuger hat den Vorteil, dass diese zusätzlichen Maßnahmen entfallen. Der Brenner und der mindestens eine elektrische Heizwiderstand erwärmen ein und dasselbe primäre Fluidreservoir.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen des dritten Gegenstands der Erfindung entsprechen denen des ersten Gegenstands der Erfindung.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch den Gegenstand von Anspruch 8. Ein vierter Gegenstand betrifft daher ein Heizsystem, das eine Photovoltaikvorrichtung und einen erfindungsgemäßen Wärmeerzeuger umfasst, wobei die Photovoltaikvorrichtung vorgesehen ist, Energie, insbesondere elektrischen Strom, für den mindestens einen elektrischen Heizwiderstand bereitzustellen. Das Heizsystem umfasst den Wärmeerzeuger gemäß dem dritten Gegenstand der Erfindung. Gelöst wird die Aufgabe somit durch ein Heizsystem, das eine Photovoltaikvorrichtung und einen Wärmeerzeuger umfasst, wobei die Photovoltaikvorrichtung vorgesehen ist, Energie, insbesondere elektrischen Strom, für den mindestens einen elektrischen Heizwiderstand bereitzustellen, wobei der Wärmeerzeuger, einen Wärmetauscher umfasst, der einen Brenner, mindestens einen elektrischen Heizwiderstand und ein primäres Fluidreservoir umfasst, wobei der Brenner und der mindestens eine elektrische Heizwiderstand zur Erwärmung des primären Fluidreservoirs angeordnet sind.
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Das Merkmal demgemäß die Photovoltaikvorrichtung vorgesehen ist, Energie für den mindestens einen elektrischen Heizwiderstand bereitzustellen, soll bevorzugt so verstanden werden, dass der von der Photovoltaikvorrichtung erzeugte Strom die ohmschen Widerstände der elektrischen Heizwiderstände betreiben kann. Dies kann unmittelbar oder mittelbar, z.B. über einen Batteriespeicher, stattfinden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Heizsystem ferner einen Trinkwasserspeicher oder ein sekundäres Wärmereservoir. Der Trinkwasserspeicher stellt üblicherweise z.B. einen Warmwasserboiler dar, der für die Versorgung von Duschen u. ä. mit Warmwasser bereitgehalten wird. Bei dem sekundären Wärmereservoir soll es sich um einen Pufferspeicher handeln. Darin kann thermische Energie gespeichert werden. Zu diesem Zweck hat das sekundäre Wärmereservoir bevorzugt ein Volumen von 1 I bis 10.000 I, bevorzugter von 100 I bis 5.000 I, noch bevorzugter von 500 I bis 1.000 I. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform umfasst das Heizsystem ein Mittel zur thermischen Energieübertragung vom primären Fluidreservoir zum Trinkwasserspeicher oder ein Mittel zur thermischen Energieübertragung vom primären Fluidreservoir zum sekundären Wärmereservoir. Diese Mittel gewährleisten die Wärmeübertragung von dem primären Wärmereservoir zum sekundären Wärmereservoir bzw. zum Trinkwasserspeicher.
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Bevorzugte Ausführungsformen des vierten Gegenstands der Erfindung entsprechen denen der anderen Gegenstände der Erfindung.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch den Gegenstand von Anspruch 10. Ein fünfter Gegenstand betrifft daher ein Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Wärmeerzeugers, umfassend den Schritt des Erwärmens des primären Fluidreservoirs durch den mindestens einen elektrischen Heizwiderstand, der mit elektrischem Strom aus einer Photovoltaikvorrichtung betrieben wird, und/oder den Schritt des Erwärmens des primären Fluidreservoirs durch den Brenner.
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Erfindungsgemäß umfasst der erfindungsgemäße Wärmeerzeuger den erfindungsgemäßen Wärmetauscher. Der Wärmeerzeuger löst die Aufgabe die Wärmeversorgung ganzjährig, also auch bei tiefsten Außentemperaturen, sicherzustellen, und zwar umwelt- und ressourcenschonend bei einem geringen apparativen Aufwand. Das Verfahren löst die Aufgabe, indem die Photovoltaikvorrichtung Strom liefert, der den mindestens einen elektrischen Heizwiderstand betreibt, wobei der elektrische Heizwiderstand das primäre Fluidreservoir erwärmt. Wenn genügend Energie aus der Photovoltaikvorrichtung bereitgestellt wird, arbeitet das Heizsystem auf Basis regenerativer Energien.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in dem Verfahren der Wärmeerzeuger gesteuert, indem der erste von dem mindestens einen elektrischen Heizwiderstand zur Erwärmung des primären Fluidreservoirs eingeschaltet wird, sobald die maximale Leistung des ersten elektrischen Heizwiderstands zur Erwärmung des primären Fluidreservoirs abgerufen werden kann. Gemäß einer bevorzugteren Ausführungsform sieht die Steuerung vor, jeden weiteren elektrischen Heizwiderstand zur Erwärmung des primären Fluidreservoirs einzuschalten, sobald die maximale Leistung des jeweiligen weiteren elektrischen Heizwiderstands zur Erwärmung des primären Fluidreservoirs zusätzlich abgerufen werden kann.
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Das bevorzugte Verfahren stellt eine sequenzielle Betriebsweise dar. Die elektrischen Heizwiderstände werden sequenziell eingeschaltet: Wenn das Heizsystem nur über einen elektrischen Heizwiderstand verfügt, wird nur dieser eingeschaltet, wenn die maximale Leistung abgerufen werden kann. Wenn das Heizsystem über mehr als einen elektrischen Heizwiderstand verfügt, wird immer dann ein weiterer elektrischer Heizwiderstand dann eingeschaltet, wenn die Summe der elektrischen Energie je Zeit der Summe der maximalen Leistung der elektrischen Heizwiderstände entspricht. So wird sichergestellt, dass die einzelnen elektrischen Heizwiderstände nur dann eingeschaltet sind, wenn sie unter Volllast, geringfügig unter Volllast oder 90 % der Volllast arbeiten können. Es gehört somit zum Bereich der Erfindung, dass bereits bei geringfügig unter der maximalen Leistung, bevorzugt bei 90 % der maximalen Leistung des elektrischen Heizwiderstandes, dieser eingeschaltet wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen des fünften Gegenstands der Erfindung entsprechen denen der anderen Gegenstände der Erfindung.
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Einen weiteren erfindungsgemäßen Gegenstand stellt ferner die Verwendung einer Kombination aus einem Brenner und mehreren elektrischen Heizwiderständen zur Erwärmung eines primären Fluidreservoirs für die Wärmeversorgung dar, bevorzugt für die Wärmeversorgung eines Gebäudes, bevorzugter eines Wohngebäudes oder eines Geschäftsgebäudes.
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Eine bevorzugte Ausführungsform dieses weiteren erfindungsgemäßen Gegenstands betrifft die Verwendung, demgemäß die elektrischen Heizwiderstände mit elektrischem Strom aus einer Photovoltaikvorrichtung gespeist werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren erläutert. Die Figuren und die Beschreibung sollen jedoch nicht den beanspruchten Gegenstand beschränken.
- 1 zeigt einen Wärmetauscher 1 umfassend sieben Ansätze 2a an denen elektrische Heizwiderstände angeordnet werden können. An dem Ansatz 5a kann die Brennervorrichtung angeordnet werden. Die Vorrichtung von 1, bei der zusätzlich die Brennervorrichtung angeordnet ist, stellt eine erfindungsgemäß beanspruchte Vorrichtung dar. Es handelt sich um die Vorrichtung, an der eine Nachrüstung vorgenommen werden kann, indem elektrische Heizwiderstände an die dafür vorgesehenen Ansätze angeordnet werden. Diese erfindungsgemäße Vorrichtung stellt somit einen Teil eines Bausatzes dar.
- 2 zeigt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform elektrische Heizwiderstände 2, die aus einer Hülse 3 und einen ohmschen Widerstand 4 bestehen. Diese elektrischen Heizwiderstände 2 können an die dafür vorgesehen Ansätze angeordnet werden.
- 3 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Wärmetauscher 1 umfassend die elektrischen Heizwiderstände 2, den Brenner 5 und das primäre Fluidreservoir 6. Der Figur kann deutlich entnommen werden, dass das eine primäre Fluidreservoir 6 sowohl vom Brenner 5 als auch von den elektrischen Heizwiderständen 2 erwärmt werden kann.
- 4 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizsystems. Die Photovoltaikmodule 8 liefern Strom über Leitung 11 zu einem intelligenten Batteriespeicher 9, weiter über eine Leitung an einen Verteiler 10. Der Strom vom Verteiler 10 kann über Leitung 12 Strom ins öffentliche Netz einspeisen, über Leitung 14 Strom für eigene Verbraucher im Haushalt liefern, oder über Leitung 13 Strom, an den Heizkessel 7 liefern, der einen erfindungsgemäßen Wärmeerzeuger 7, bevorzugt ein Gasbrennwertgerät, darstellt. Der Wärmeerzeuger 7 bekommt über Leitung 15 Brenngas bereitgestellt. Über Leitung 16 kann Wärme zum Warmwasserspeicher oder über Leitung 17 zu Heizkörpern geliefert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmetauscher
- 2
- elektrischer Heizwiderstand
- 2a
- Ansatz für elektrischen Heizwiderstand
- 3
- Hülse
- 4
- ohmscher Widerstand
- 5
- Brenner
- 5a
- Ansatz für Anordnung des Brenners
- 6
- primäres Fluidreservoir
- 7
- Heizkessel, Wärmeerzeuger
- 8
- Photovoltaikmodule
- 9
- intelligenter Batteriespeicher
- 10
- Verteiler
- 11
- elektrischer Strom von Photovoltaikmodulen
- 12
- Strom zur Einspeisung ins öffentliche Netz
- 13
- Strom zu elektrischen Heizwiderständen
- 14
- Strom für eigene Verbraucher im Haushalt
- 15
- Gaszufuhr zum Wärmeerzeuger, Heizkessel 7
- 16
- Warmwasser zum Warmwasserspeicher
- 17
- Warmwasser zu den Heizkörpern
