DE10254889B4 - Control technology solution for a water heating system - Google Patents

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Abstract

Regeltechnische Lösung für eine Wassererwärmungsanlage, bei welcher ein Teil der erforderlichen Wärmeleistung aus dem Rücklaufwasser einer Heizungsanlage zur Warmwasservorwärmung genutzt wird, in dem der Volumenstrom aus der Rücklaufleitung ganz oder teilweise dem das Kaltwasser vorwärmenden Wärmeübertrager über eine Abzweigleitung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizwasserauslaufseite des vorwärmenden Wärmeübertragers (1) mindestens ein Temperaturfühler (2.1) zugeordnet ist, der beim Überschreiten einer Wasserhöchsttemperatur die Reduzierung bis hin zu einer möglichen Unterbrechung des Volumenstromes in der Abzweigleitung (3) aus der Rücklaufleitung (4) der Heizungsanlage auslöst.Control engineering solution for a water heating system, in which a part of the required heat output from the return water a heating system is used for hot water, in which the volume flow from the return line completely or partially the cold water preheating the heat exchanger is supplied via a branch line, characterized characterized in that the heating water outlet side of the preheating heat exchanger (1) at least one temperature sensor (2.1) is assigned, which when exceeded a maximum water temperature the reduction up to a possible interruption of the volume flow in the branch line (3) from the return line (4) of the heating system triggers.

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Figure 00000001

Description

Regeltechnische Lösungen für Wassererwärmungsanlagen unter Nutzung einer Auskühlung des Rücklaufwassers der Heizungsanlage sind bereits bekannt und werden wegen der möglichen Reduzierung des erforderlichen Heizwasservolumenstromes aus dem Vorlauf häufig angewendet.Control engineering solutions for water heating systems using a cooling of the Return water The heating system is already known and because of the possible Reduction of the required Heizwasservolumenstromes from the Pre-run frequently applied.

In den „Technischen Anschlussbedingungen" der Bewag von 1994 wird eine Trinkwassererwärmungsanlage mit einer Abzweigleitung aus der Rücklaufleitung einer Heizungsanlage für Fernwärme-Zweileiternetze beschrieben. Hier wird das Rücklaufwasser zur Vorwärmung des Trinkwassers genutzt und läuft ungeregelt über einen entsprechend dimensionierten Wärmeübertrager. In einen mit Fernwärmeheizwasser beaufschlagten nachwärmenden Wärmeübertrager erfolgt die Aufheizung auf die Solltemperatur von etwa 60 °C.In the "technical Connection conditions "of Bewag from 1994 will be a drinking water heating system with a branch line from the return line a heating system for District heating two-wire networks described. Here is the return water for preheating used and running the drinking water unregulated over a suitably dimensioned heat exchanger. In one with district heating water heating acted after reheating heat exchanger heating up to the setpoint temperature of about 60 ° C.

Im Buch Fernwärmeversorgung von Prof. Dr.-Ing. habil Herbert Munser erschienen im VEB Deutscher Verlag Leipzig wird auf den Seiten 248 und 249 eine zweistufige Gebrauchswarmwasserbereitungsanlage nach dem Durchlaufsystem beschrieben, in welcher die Abzweigleitung zur Heizwasserrücklaufauskühlung unterbrochen wird, wenn das im vorwärmenden Wärmeübertrager erwärmte Gebrauchswasser eine vorgegebene Höchsttemperatur überschreitet. Damit soll eine mögliche Aufheizung des Gebrauchwassers über die Höchsttemperatur hinaus verhindert werden.in the Book district heating supply by Prof. Dr.-Ing. habil Herbert Munser published in the VEB Deutscher Verlag Leipzig is on pages 248 and 249 a two-stage Utility water heating system described after the flow system, in which the branch line for Heizwasserrücklaufkühlkühlung is interrupted, if that in the preheating Heat exchanger heated Service water exceeds a specified maximum temperature. This is a possible Heating the used water over the maximum temperature Be prevented.

Als eine Alternative zur Rücklaufauskühlung wird in der Fachliteratur der zeitweise vorrangige Betrieb der Wassererwärmungsanlage vor der Heizungsanlage beschrieben. So wird in der Offenlegungsschrift DE 100 00538 A1 eine regeltechnische Lösung für Raumwärme und Trinkwassererwärmungsanlagen vorgestellt, bei der die Steuerung des zeitweise vorrangigen Betriebes der Trinkwassererwärmungsanlage und die gleichzeitige Reduzierung der Leistung der Raumheizung durch ein Volumenstrommessgerät in der Trinkwasserleitung erfolgen soll.As an alternative to Rücklaufauskühlung is described in the literature of temporary priority operation of the water heating system in front of the heating system. Such is in the published patent application DE 100 00538 A1 presented a control technology solution for room heating and DHW heating systems, in which the control of the temporary priority operation of the DHW heating system and the simultaneous reduction of the performance of the space heating by a volumetric flow meter in the drinking water pipe should take place.

Der Nachteil der bekannten Lösungen für Wassererwärmungsanlagen bei weichen ein Teil der erforderlichen Wärmeleistung aus dem Rücklaufwasser einer Heizungsanlage erfolgt, liegt in den Teillastfällen begründet, bei denen nur geringe Warmwassermengen bereitgestellt werden müssen. Im Teillastfall kann das in den vorwärmenden Wärmeübertrager einströmende Rücklaufwasser aus der Heizungsanlage eine geringere Temperatur aufweisen, als das aus dem nachwärmenden Wärmeübertrager diesem beigemischte teilweise ausgekühlte Heizwasser. Aus der Beimischung resultiert dann eine Absenkung der Temperatur des teilweise ausgekühlten Heizwassers vor dessen Eintritt in den vorwärmenden Wärmeübertrager. Die Folge ist ein erhöhter Heizwasserbedarf über einen oft erheblichen Anteil des Gesamtbetriebszeitraumes der Wassererwärmungsanlage. Auch der zeitweise vorrangige Betrieb der Wassererwärmungsanlage gegenüber der Raumheizung führt zu einen zusätzlichen Spitzenbedarf an Heizwasser im Vergleich mit Anlagen die einen zeitweise erhöhten Warmwasserverbrauch durch Speicher ausgleichen.Of the Disadvantage of the known solutions for water heating systems in soft part of the required heat output from the return water a heating system takes place, is justified in the partial load cases, at which only small amounts of hot water must be provided. In partial load case can that be in the preheating Heat exchanger incoming Return water from the heating system have a lower temperature than that from the nachwärmenden Heat exchanger this mixed partially cooled Heating water. From the admixture then results in a lowering of Temperature of partially cooled heating water before entering the preheating Heat exchanger. The consequence is an increased heating water requirement over one often a significant proportion of the total operating period of the water heater. Also the temporary priority operation of the water heating system across from the space heater leads to an additional Peak demand of heating water in comparison with systems one time increased Balancing hot water consumption with storage tank.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde die Wassererwärmungsanlagen so weiter zu entwickeln, dass diese sich bei einer gleichzeitigen Reduzierung der erforderlichen Heizwasservolumenstromes kostengünstig herstellen lassen und die vorher beschriebenen Nachteile nicht auftreten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Rücklaufwasser aus der Heizungsanlage nur dann zum wasservorwärmenden Wärmeübertrager geleitet wird, wenn die Rücklaufwassertemperatur nach diesem Wärmeübertrager eine vorgegebene Wasserhöchsttemperatur unterschreitet. Damit entsteht der Effekt, dass die Rücklaufauskühlung des Heizungswassers immer dann erfolgt, wenn durch einen entsprechend hohen zu erwärmenden Kaltwasservolumenstrom eine starke Auskühlung des Heizungswassers im nachwärmenden Wärmeübertrager gesichert ist und somit das Rücklaufwasser aus der Heizungsanlage weiter ausgekühlt werden kann. Damit wird nur der exergetisch nutzbare Anteil des Rücklaufwassers der Wassererwärmungsanlage zugeführt und eine Absenkung des Volumenstromes des bereitzustellenden Heizwassers erreicht.Of the Invention is the object of the water heating systems to develop so that this at a simultaneous Reducing the required Heizwasservolumenstromes produce cost leave and the disadvantages described above do not occur. These Task is inventively characterized solved, that the return water from the heating system is only passed to the water-preheating heat exchanger, if the return water temperature after this heat exchanger a predetermined maximum water temperature below. This creates the effect that the return cooling of the heating water always takes place when heated by a correspondingly high Cold water volume flow a strong cooling of the heating water in the nachwärmenden Heat exchanger secured is and thus the return water from the heating system can be further cooled. This will be only the exergetic usable portion of the return water of the water heater supplied and a reduction of the volume flow of the heating water to be provided reached.

Die Weiterbildung nach Anspruch 2 ermöglicht, durch einen Vergleich der Temperatur des Rücklaufwassers mit dem aus dem nachwärmenden Wärmeübertrager austretenden teilweise ausgekühlten Heizwassers, die Abzweigleitung genau an dem Punkt zu öffnen wo eine Nutzung des Rücklaufwassers, durch die Erfüllung der Bedingung: „Temperatur im Heizungsrücklauf (Fühler 2.2) höher als Heizwasser aus dem nachwärmenden Wärmeübertrager (Fühler 2.3) erfolgen kann"The development according to claim 2 makes it possible, by comparing the temperature of the return water with the emerging from the reheating heat exchanger partially cooled heating water to open the branch line exactly at the point where a use of the return water, by fulfilling the condition: "temperature in the heating return ( sensor 2.2 ) higher than heating water from the reheating heat exchanger (sensor 2.3 ) "

Die Weiterbildung nach Anspruch 3 ermöglicht bei Unterschreitung eines Volumenstromhöchstwertes in der Kalt- bzw. Warmwasserleitung bei einer geringen Warmwassererzeugung die mindestens unnötige Zuleitung von Rücklaufwasser zu unterbinden.The Training according to claim 3 allows falls below a volumetric flow maximum value in the cold or hot water line with a low hot water production the least unnecessary Supply of return water to prevent.

In der nachstehenden Beschreibung zu den 1 und 2 werden zwei Schaltungsbeispiele sowie in den 3 und 4 zwei Diagramme erläutert.In the description below to the 1 and 2 be two circuit examples and in the 3 and 4 two diagrams explained.

Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schaltung in welcher ein thermostatisch geregeltes Dreiwegeventil (9) der Ausführung „Trennfunktion" zur Anwendung kommt. Die Höchsttemperatur ist am Fühler (2.1) auf einen Wert von 30 °C eingestellt, bei dessen Unterschreitung das Dreiwegeventil beginnt den Weg „A" zu öffnen und somit der Zufluss der Abzweigleitung (3) frei gibt. Das Rücklaufwasser strömt nun aus der Rücklaufleitung (4) der Heizung über die Abzweigleitung in den auf der Sekundärseite das Kaltwasser vorwärmenden Wärmeübertrager (1). Das sekundärseitig vorgewärmte Wasser gelangt anschließend zusammen mit dem durch die Pumpe (13) geförderten Zirkulationswassers in den nachwärmenden Wärmeübertrager (5) und wird dort auf die Solltemperatur von ca. 60 °C erwärmt, bevor es durch die Warmwasserleitung (7) zu den Verbrauchern gelangt. Erfolgt keine oder eine geringe Abnahme von Warmwasser so strömt das Heizwasser mit einer (um mindestens die Grädigkeit des Wärmeübertragers) höhere Temperatur als das Zirkulationswasser aus den nachwärmenden in den vorwärmenden Wärmeübertrager, wo es wegen des nicht einströmenden Kaltwassers nur unwesentlich abgekühlt wird. Eine Verringerung der Temperatur am Austritt des vorwärmenden Wärmeübertragers resultiert im wesentlichen aus dem beigemischten Rücklaufwasser der Heizungsanlage, deren Temperatur im allgemeinen mindestens bei 30 °C liegt, so dass das Dreiwegeventil den Weg „B" öffnet. Das Rücklaufwasser wird nun an den vorwärmenden Wärmeübertrager vorbei geleitet.The 1 shows an embodiment of the circuit in which a thermostatically controlled three-way valve ( 9 ) of the "separation function" version is used. The maximum temperature is at the sensor ( 2.1 ) is set to a value of 30 ° C, below which the three-way valve begins to open the path "A" and thus the inflow of the branch line ( 3 ) are free. The return water now flows out of the return line ( 4 ) of the heater via the branch line in the on the secondary side of the cold water preheating heat exchanger ( 1 ). The secondary preheated water then passes together with the through the pump ( 13 ) conveyed circulation water in the reheating heat exchanger ( 5 ) and is heated there to the target temperature of about 60 ° C, before it through the hot water pipe ( 7 ) reaches consumers. If no or a small decrease of hot water so the heating water flows with a (by at least the Graßigkeit of the heat exchanger) higher temperature than the circulation water from the reheating in the preheating heat exchanger, where it is cooled only slightly due to the non-inflowing cold water. A reduction in the temperature at the outlet of the preheating heat exchanger results essentially from the admixed return water of the heating system, the temperature of which is generally at least 30 ° C., so that the three-way valve opens the path "B." The return water now passes the preheating heat exchanger directed.

Beginnt eine Warmwasserentnahme, so strömt Kaltwasser aus der Leitung (6) in die Trinkwassererwärmungsanlage und die Temperatur am Fühler (2.1) sinkt durch die Auskühlung des Heizwassers. Bei einer Unterschreitung der vorgegebenen Wasserhöchsttemperatur von hier 30 °C wird das Rücklaufwasser wieder in den vorwärmenden Wärmeübertrager eingeleitet.If a hot water withdrawal begins, cold water flows out of the pipeline ( 6 ) into the DHW heating system and the temperature at the sensor ( 2.1 ) sinks due to the cooling of the heating water. When the temperature falls below the predetermined maximum water temperature of 30 ° C., the return water is reintroduced into the preheating heat exchanger.

In 2 erfolgt die Umstellung des Dreiwegeventils (9) über einen Motor-Stellantrieb. An Stelle des Dreiwegeventils können auch zwei Durchgangsventile zur Anwendung kommen. Die Temperaturfühler (2.2 und 2.3) sind hier zum einen in der Rücklaufleitung (4) und zum anderen an den heizwasserseitigen Austritt des nachwärmenden Wärmeübertragers (5) angeordnet. Der Weg „A" zur Abzweigleitung (3) wird nur geöffnet wenn die Temperatur des Rücklaufwassers der Heizungsanlage über die des teilweise ausgekühlten Heizwassers aus dem nachwärmenden Wärmeübertrager liegt. Außerdem kann über den Temperaturfühler (2.3) ein Absinken der Temperatur unter eine Wasserhöchsttemperatur erfasst werden, wodurch die Erwärmung eines Mindestwasservolumenstromes feststellbar ist. Damit wird über den Temperaturfühler (2.3) oder einen zusätzlich vorhandenen volumenstromabhängigen Kontaktgeber (8) ein unterhalb des Höchstwertes liegender Kaltwasservolumenstrom erfasst und das Schließen des Weges „A" auslöst. Der Abgleich der Messdaten erfolgt in diesem Beispiel durch einen elektrischen Regler (10) der hier auch den Volumenstrom in der Heizungsleitung (11) über ein Regelventil (12) mit Motorantrieb ansteuert. Der Temperaturfühler (2.1) ist für diese Ausführungsvariante nicht erforderlich.In 2 the conversion of the three-way valve ( 9 ) via a motor actuator. In place of the three-way valve and two-way valves can be used. The temperature sensors ( 2.2 and 2.3 ) are here on the one hand in the return line ( 4 ) and on the other hand to the heating water-side outlet of the nachwärmenden heat exchanger ( 5 ) arranged. The path "A" to the branch line ( 3 ) is only opened when the temperature of the return water of the heating system is higher than that of the partially cooled heating water from the nachwärmenden heat exchanger. In addition, via the temperature sensor ( 2.3 ) a drop in temperature below a maximum water temperature are detected, whereby the heating of a minimum water flow rate is detected. This is done via the temperature sensor ( 2.3 ) or an additionally present volume-current-dependent contactor ( 8th ) detects a cold water volume flow below the maximum value and triggers the closing of path "A." In this example, the measurement data is adjusted by an electric controller ( 10 ) here also the volume flow in the heating line ( 11 ) via a control valve ( 12 ) with motor drive. The temperature sensor ( 2.1 ) is not required for this embodiment.

In 3 wird auf der Abzisse die Zeit (in h) und auf der Ordinate die Temperatur (in °C) aufgetragen.In 3 the time (in h) is plotted on the abscissa and the temperature (in ° C) on the ordinate.

Die Kurven a, b und c zeigen den Temperaturverlauf (von oben nach unten) für die Warmwasser-, Zirkulations- und Rücklaufwassertemperatur über den abendlichen Zeitraum 19.00 Uhr bis 24.00 Uhr.The Curves a, b and c show the temperature profile (from top to bottom) for the Hot water, circulation and return water temperature over the Evening period 19.00 to 24.00.

Über diesen Zeitraum verläuft auch die stark vom Verbrauch abhängige Kurve d, welche die schwankende Temperatur des Heizwassers nach dem vorwärmenden Wärmeübertrager, also am Temperaturfühler (2.1), darstellt. Etwa in dem Zeitraum zwischen 19.20 Uhr und 21.15 Uhr unterschreitet die erfasste Temperatur die vorgegebene Wasserhöchsttemperatur von 30 °C. Im Zeitraum zwischen 22.40 Uhr bis 24.00 Uhr liegt die Rücklaufwassertemperatur entsprechend Kurve e unter der bereits ausgekühlten Heizwassertemperatur entsprechend Kurve d.Over this period, the highly dependent on consumption curve d, which varies the fluctuating temperature of the heating water after the preheating heat exchanger, ie at the temperature sensor ( 2.1 ). In the period between 19:20 and 21:15, the temperature recorded falls below the specified maximum water temperature of 30 ° C. In the period between 22:40 to 24:00 o'clock the return water temperature is according to curve e below the already cooled heating water temperature according to curve d.

In 4 wurde an der Abzisse die Zeit (in h) und auf der Ordinate der Volumenstrom (in m3/h) aufgetragen.In 4 the time was plotted on the abscissa (in h) and on the ordinate the volume flow (in m 3 / h).

Mit der Kurve e wird der Warmwasserverbrauch in einem Wohngebäude mit der hier typischen Abendverbrauchsspitze gezeigt. Die fett gezeichnete Linie der Kurve f stellt den in Abhängigkeit vom Warmwasserverbrauch schwankenden Heizwasservolumenstrom dar. Im Bereich der größten Warmwasserverbrauchsspitzen, etwa zwischen 19.20 Uhr und 21.15 Uhr kommt es durch einen hohen Kaltwasservolumenstrom durch den vorwärmenden Wärmeübertrager zu einer Auskühlung des Heizwassers auf unter 30 °C entsprechend 3, Kurve d. Auf diesen Höchstwert ist der Temperaturfühler (2.1) eingestellt der die Zuführung von Rücklaufwasser, die als glockenförmige Kurve g dargestellt ist, auslöst und den sonst erforderlichen Heizwasservolumenstrom in den Zeitabschnitt etwa zwischen 19.20 Uhr bis 21.10 Uhr reduziert. Die beiden über der Kurve f schraffiert dargestellten Flächen h sollen den gegenüber bekannten Wassererwärmungsanlagen eingesparte Heizwasservolumenstrom aus dem Heizungsvorlauf deutlich machen.The curve e shows the hot water consumption in a residential building with the typical evening consumption peak here. The bold line of the curve f represents the fluctuating heating water flow rate depending on the hot water consumption. In the area of the largest hot water consumption peaks, approximately between 19:20 and 21:15, a high cold water volume flow through the preheating heat exchanger causes the heating water to cool to below 30 ° C corresponding 3 , Curve d. At this maximum value is the temperature sensor ( 2.1 ) set the supply of return water, which is shown as a bell-shaped curve g triggers and reduces the otherwise required Heizwasservolumenstrom in the period approximately between 19:20 to 21:10 clock. The two hatched over the curve f surfaces h are to make the saved compared with known water heating systems Heizwasservolumenstrom from the heating flow clear.

Claims (3)

Regeltechnische Lösung für eine Wassererwärmungsanlage, bei welcher ein Teil der erforderlichen Wärmeleistung aus dem Rücklaufwasser einer Heizungsanlage zur Warmwasservorwärmung genutzt wird, in dem der Volumenstrom aus der Rücklaufleitung ganz oder teilweise dem das Kaltwasser vorwärmenden Wärmeübertrager über eine Abzweigleitung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizwasserauslaufseite des vorwärmenden Wärmeübertragers (1) mindestens ein Temperaturfühler (2.1) zugeordnet ist, der beim Überschreiten einer Wasserhöchsttemperatur die Reduzierung bis hin zu einer möglichen Unterbrechung des Volumenstromes in der Abzweigleitung (3) aus der Rücklaufleitung (4) der Heizungsanlage auslöst.Regeltechnische solution for a water heating system, in which a part of the required heat output from the return water of a Heating system is used for hot water preheating, in which the volume flow from the return line is completely or partially supplied to the cold water preheating heat exchanger via a branch line, characterized in that the Heizwasserauslaufseite the preheating heat exchanger ( 1 ) at least one temperature sensor ( 2.1 ), which, when a maximum water temperature is exceeded, the reduction up to a possible interruption of the volume flow in the branch line ( 3 ) from the return line ( 4 ) of the heating system triggers. Regeltechnische Lösung für Wassererwärmungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturfühler (2.2) der Rücklaufleitung (4) aus der Heizungsanlage sowie ein zweiter Temperaturfühler (2.3) der Heizwasserauslaufseite des das Warmwasser nachwärmenden Wärmeübertragers (5) zugeordnet ist und die gemessenen Temperaturwerte die Reduzierung bis hin zu einer möglichen Unterbrechung des Volumenstromes in der Abzweigleitung (3) auslösen.Control solution for water heating system according to claim 1, characterized in that a temperature sensor ( 2.2 ) of the return line ( 4 ) from the heating system and a second temperature sensor ( 2.3 ) the Heizwasserauslaufseite of the warm water nachwärmenden heat exchanger ( 5 ) and the measured temperature values the reduction up to a possible interruption of the volume flow in the branch line ( 3 ) trigger. Regeltechnische Lösung für Wassererwärmungsanlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kaltwasser- (6) oder Warmwasserleitung (7) ein vom Volumenstrom abhängiger Kontaktgeber (8) zugeordnet ist, der mit dem Überschreiten eines bestimmten Höchstwertes ein Steuersignal zur Erhöhung des Volumenstromes in der Abzweigleitung (3) abgibt.Control solution for water heating system according to claims 1 and 2, characterized in that the cold water ( 6 ) or hot water pipe ( 7 ) a volume flow dependent contactor ( 8th ) is associated with the exceeding of a certain maximum value, a control signal for increasing the volume flow in the branch line ( 3 ).
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