DE10300041B4

DE10300041B4 - Heizkessel mit Temperatursteuerung

Info

Publication number: DE10300041B4
Application number: DE10300041A
Authority: DE
Inventors: Burkard Goetz; Rainer Sesselmann; Anselm Hitzer; Peter Geissler
Original assignee: Gotz Burkard
Current assignee: GEISSLER, PETER, 97520 R?THLEIN, DE; Hitzer Anselm 72364 Obernheim De; POEHNER, WILFRIED, DR., 97070 WUERZBURG, DE; Sesselmann Rainer 96523 Steinach De
Priority date: 2003-01-03
Filing date: 2003-01-03
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2023-01-04
Also published as: DE10300041A1

Abstract

Heizkessel zum Erwärmen von Heizungs- und/oder Brauchwasser mit einem Brenner, einer Steuereinheit, einem Temperaturfühler für Heizwasser und einem Temperaturfühler für Brauchwasser, dessen Signalleitungen mit der Steuereinheit verbunden sind, wobei die Steuereinheit nach Temperaturabfall des Heizungswassers unter eine in der Steuereinheit gespeicherte erste Einschalttemperatur oder nach Temperaturabfall des Brauchwassers unter eine in der Steuereinheit gespeicherte zweite Einschalttemperatur jeweils einen EIN-Schaltbefehl zum Einschalten des Brenners erzeugt und dass von der Steuereinheit erzeugte EIN-Schaltsignal an den Eingang einer Temperatursteuerung geschaltet ist, an der Stellelemente zur Einstellung niedriger Temperaturen für Heiz- und Brauchwasser angeordnet sind und bei Erreichen der in der Steuereinheit gespeicherten Soll-Temperaturgrenzwerte ein AUS-Schaltsignal direkt an den Brenner geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet,
– dass am Heizkessel (1) ein dritter Temperaturfühler (24a) und am Brauchwasserspeicher (13) ein vierter Temperaturfühler (25a) angeordnet, deren Signalleitungen an den Eingang der Temperatursteuerung (20) geschaltet sind,
– an der Brauchwasserpumpe (15) ein fünfter Fühler (26) angeordnet...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Heizkessel zum Erwärmen von Heizungswasser und/oder Brauchwasser mit einem beheizten Raum, einem Brenner, einer Steuereinheit, einem Temperaturfühler für Heizungswasser und/oder einem Temperaturfühler für Brauchwasser, die jeweils mit der Steuereinheit verbunden sind, wobei die Steuereinheit nach Abfall der Temperatur des Heizungswassers unter eine in der Steuereinheit hinterlegte erste Einschalttemperatur oder nach Abfall der Temperatur des Brauchwassers unter eine in der Steuereinheit hinterlegte zweite Einschalttemperatur jeweils einen Einschaltbefehl zum Einschalten des Brenners erzeugt.
Zentralheizungen für Wohnräume weisen einen zentralen Heizkessel zur Erwärmung des Heizungswassers und des Brauchwassers auf, das jeweils über Leitungen in die einzelnen Räume geleitet wird und dort an Radiatoren oder aber auch an eine Fußbodenheizung führt.
Der Heizkessel ist mit einem Brenner ausgestattet, der die Erwärmung des Heizungs- und Brauchwassers durchführt und der beispielsweise mit Öl oder Gas betrieben wird. Desweiteren weist der Heizkessel eine Steuerung auf, die in der Regel mit einem Außentemperaturfühler und wenigstens je einem Temperaturfühler am Heizungswasserkreislauf und Brauchwasserkreislauf zusammenarbeitet. Die Steuerung hat dabei die Aufgabe, eine weitgehend konstante Brauchwassertemperatur und eine behagliche Raumtemperatur sicher zu stellen. Da die Leistung des Brenners wesentlich höher ist, als es zur Erwärmung des Brauch- und Heizungswassers erforderlich ist, erfolgt der Betrieb des Brenners diskontinuierlich. Die Steuerung schaltet daher den Brenner in Abhängigkeit der durch die verschiedenen Fühler gemessenen Temperaturen und der in der Steuereinheit hinterlegten Ein- und Ausschalttemperaturen nur für begrenzte Zeitintervalle ein.
Soll eine optimale Verbrennung und ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden, so ist eine möglichst kontinuierliche Verbrennung des Brennstoffes im Brennraum anzustreben. Die diskontinuierliche Betriebsweise des Heizkessels entspricht somit nicht einem optimalen Heizbetrieb. Die vergleichsweise häufigen An- und Abschaltvorgänge bei Heizkesseln nach dem Stand der Technik führen zu energetisch ungünstigen Verbrennungsvorgängen, die zudem eine hohe Schadstoffbelastung aufweisen. Häufige An- und Abschaltungen des Brenners haben darüber hinaus auch einen erhöhten Verschleiß zur Folge.

In der DE 297 07 099 U1 ist daher bereits ein Heizkessel mit Temperatursteuerung vorgeschlagen worden, der ein Verzögerungsglied vorsieht, das zwischen Steuerung und Brenner angeordnet ist und den Einschaltbefehl der Steuerung an den Brenner um einen Zeitbetrag verzögert. Sie ist somit eine zeitabhängige Steuerung. Die Verzögerungen betragen dabei gestaffelt zwischen 4 und 15 Minuten.

Nachteil dieser Lösung ist, dass die Steuerung nicht die konkreten Temperaturverläufe im Heiz- und Brauchwasser berücksichtigt, sondern ausschließlich einem eingestellten Zeitregime folgt.

In der DE 202 07 812 U1 ist ein Heizkessel mit Temperatursteuerung beschrieben, die ebenfalls eine Verzögerung des Einschaltens des Brenners vorsieht und einen Einschaltbefehl zeitlich verzögert nach Unterschreiten einer definierten Temperaturdifferenz freigibt. Die Abkühlphase des Heizkessels und eine nachfolgende Aufheizphase des Heizkessels soll somit zeitlich verlängert werden. Die Steuerung hat dazu nur je einen Temperatursensor für Heiz- und Brauchwasser, der den jeweiligen IST-Wert erfasst und auf die Steuereinheit mit der gespeicherten Temperaturdifferenz führt. Nachteil dieser Steuerung ist, dass auf eine Anforderung von Brauchwasser durch den Heizanlagennutzer nicht bei allen Betriebszuständen der Heizanlage, beispielsweise im Nachtabsenkungsbetrieb, rechtzeitig reagiert werden kann und es somit zu Komforteinbußen bei der Nutzung von Warmwasser kommt. Außerdem wird das Brauchwasser sofort nach Abfall der Brauchwassertemperatur wieder aufgeheizt, d.h. der Brenner wird wieder eingeschaltet bis die in der Steuereinheit eingestellte SOLL-Temperatur wieder erreicht ist. Diese Regelung ist allgemein bekannt.

In der DE 44 38 881 A1 wird ein Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage mit einem oder mehreren Heizkreisen beschrieben, bei der vorrangig eine Brauchwassererwärmung und ein bedarfsangepasster Parallelbetrieb der Raumwassererwärmung erfolgt. Das Verfahren betrifft also die Steuerung der Heizanlage in Abhängigkeit der Raum- und Außentemperatur, nicht aber eine gesteuerte Verzögerung der Einschaltung des Brenners unterhalb der Einschalttemperatur.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Temperatursteuerung für Heizkessel vorzugeben. Die verzögerte Anschaltbedingungen des Brenners vorsieht und dabei einen voreingestellten Temperaturabfall des Heiz- und Brauchwassers unter die in der Steuereinheit gespeicherte SOLL-Temperatur berücksichtigt. Eine weitere Aufgabe besteht darin, dass die konkreten Benutzungsbedingungen von Brauchwasser, sowie die Umgebungsbedingungen, wie Raum- und Außentemperatur berücksichtigt werden. Eine weitere Aufgabe besteht darin, dass unter allen Umständen auf eine Brauchwasseranforderung, zum Beispiel gekennzeichnet durch die Inbetriebsetzung der Brauchwasserspeicherladepumpe durch die Heizungssteuerung mit der sofortigen Bereitstellung bzw. Weiterleitung der Anschaltbedingung des Brenners durch die Temperatursteuerung reagiert wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Temperatursteuerung, die zwischen Steuereinheit und Brenner als separate Baugruppe oder in die Steuereinheit integriert angeordnet ist, und die den EIN-Schaltbefehl E1 am Ausgang der Steuereinheit für den Brenner zunächst in die Temperatursteuerung führt und dort mit weiteren Eingangssignalen verknüpft. Diese weiteren Eingangssignale resultieren aus Verbindungen mit einem weiteren Kesselwasserfühler, einem weiteren Brauchwasserfühler, einem weiteren Außenfühler, einem oder mehreren Raumluftfühler und einem Fühler an der Brauchwasserpumpe. Aus den Signalen dieser genannten Fühler wird in der Temperatursteuerung bei Vorliegen der gewünschten einzelnen Bedingungen, z.B. Temperaturabsenkung des Heizwassers und Brauchwassers um einen gegenüber der Steuereinheit niedrigeren Wert, ein neuer EIN-Schaltbefehl E2 gebildet, dessen Signal von der Temperatursteuerung an den Brenner führt und diesen einschaltet.

Die zusätzlichen Fühler können ganz oder teilweise entfallen, wenn das zu bildende EIN-Schaltsignal E2 durch Integration der Funktionen der Temperatursteuerung 20 in die Heizungsregelung 19 realisiert wird oder eine Nutzung der bereits in der Heizungsregelung 19 vorhandenen entsprechenden Signale durch die Temperatursteuerung 20 über das Verbindungskabel 21 erfolgt.

Die Steuereinheit ist in an sich bekannter Weise mit einem dem Heizungswasserkreislauf zugeordneten ersten Temperaturfühler und/oder einem dem Brauchwasserkreislauf zugeordneten zweiten Temperaturfühler verbunden. Die von der Fühlern gemessenen Temperaturen werden in der Steuereinheit verarbeitet und führen bei Heizkesseln nach dem Stand der Technik dazu, dass die Steuereinheit bei Abfall der Temperatur des Heizwassers unter eine in der Steuereinheit hinterlegte erste Einschalttemperatur oder noch Abfall der Temperatur des Brauchwassers unter eine in der Steuereinheit hinterlegte zweite Einschalttemperatur jeweils einen Einschaltbefehl zum Einschalten des Brenners erzeugt.

Eine wesentliche Überlegung der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Dauer der Heizphase und die Dauer der Abkühlphase des Heizkessels 1 bzw. Heizwassers 6 optimal aufeinander abzustimmen und im wesentlichen variabel in Abhängigkeit des tatsächlichen Temperaturverlaufes zu verlängern. Erfindungsgemäß geschieht das dadurch, dass der Brenner den Einschaltbefehl nicht beim Abfall der Heiz- bzw. Brauchwassertemperatur unter die jeweiligen Einschalttemperaturen erhält, sondern erst, wenn die jeweiligen Einschalttemperaturen um eine erste oder zweite einstellbare Temperaturdifferenz unterschritten werden. Die von der Steuereinheit erzeugten Befehle zum Ausschalten des Brenners werden hingegen von der zwischen Steuereinheit und Brenner angeordneten Temperatursteuerung nicht beeinflußt, so daß unmittelbar nach Erreichen der gespeicherten SOLL-Temperatur des Heizungs- oder Brauchwassers eine Abschaltung des Brenners erfolgt. Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird somit die Dauer der Abkühlphase des Heizwassers und folglich auch die nachfolgende Aufheizphase verlängert.

Wird das Brauchwasser jedoch regelmäßig benutzt bzw. vom Nutzer eingeschaltet, soll die niedrige EIN-Schalttemperatur nicht zu einem Komfortverlust des Brauchwassers führen. Dafür ist an der Brauchwasserpumpe ein weiterer Fühler angeordnet, der bei Einschalten der Brauchwasserpumpe ein Signal an die Temperatursteuerung sendet und einen vorzeitigen EIN-Schaltbefehl E2 für den Brenner sendet. Für die Benutzung des Brauchwassers entstehen jedoch häufig große zeitliche Abstände in denen die Vorteile der Temperatursteuerung vollständig wirksam werden, indem der Einschaltvorgang des Brenners verzögert wird.

Die Vorteile der Erfindung bestehen in einer wesentlichen Verringerung der Anzahl von Einschaltvorgängen des Brenners, damit einer Verringerung der Anlaufverluste des Brenners durch unvollständige Verbrennung, sowie in Brennstoffeinsparungen. Ein weiterer Vorteil besteht in der Verringerung des Ausstoßes von Schadstoffen, da der Brenner über eine relativ längere Zeit unter gleichmäßigen Bedingungen arbeitet. Weitere Vorteile entstehen durch einen geringeren Verschleiß des Brenners, geringere Ablagerungen im Kessel und Verminderungen der Versottung des Schornsteins. Verbunden damit sind die Verlängerung der Wartungsintervalle der Heizungsanlage und eine Verminderung der allgemeinen Betriebskosten. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Temperatursteuerung besteht auch darin, dass sie in vorhandene Heizungsanlagen ohne Eingriff in die Steuereinheit integriert werden kann. Vorteilhaft ist auch, dass das verzögerte Einschalten des Brenners nicht durch eine Zeitsteuerung, sondern durch eine Temperatursteuerung erfolgt, die den realen Temperaturabfall des Heiz- und Brauchwassers, die Umgebungsbedingungen sowie die Verbrauchergewohnheiten berücksichtigt und somit temperaturabhängig ist.

Der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert.
Es zeigt:
1 einen Heizungskessel für Heizungswasser und Brauchwasser im Schnitt mit Steuereinheit und Temperatursteuerung, sowie den Temperaturfühlern für Steuereinheit und Temperatursteuerung.
Vorliegender Heizkessel 1 ist mit einem Brauchwasserspeicher 2 kombiniert, der in der dargestellten Ausführungsform unterhalb des Kessels angeordnet ist und zusammen mit diesem eine Baueinheit bildet. Der Heizkessel 1 wird mit einem Öl- oder Gasbrenner betrieben, dessen heiße Rauchgase 4 an einem Rippenrohr 5 entlang streichen und dabei die Wandung des Rohres 5 und das angrenzende Wasser 6 erwärmen. Die Gase 4 verlassen den Heizkessel 1 durch einen Rauchgasabzug 7, nachdem sie den größten Teil ihrer Energie abgegeben haben. Das bei diesem Vorgang erhitzte Heizwasser 6 verläßt den Heizkessel 1 durch den Vorlauf 8 und kehrt über den Rücklauf 9 wieder in den Heizkessel 1 zurück. Es versorgt sowohl einen Kreislauf 10 für Heizungswasser 11, als auch einen Kreislauf 12 zur Erwärmung von Brauchwasser 13, die sich jeweils an den Vorlauf 8 und den Rücklauf 9 anschließen. Die Umwälzung des Wassers in diesen Kreisläufen 10, 12 erfolgt mit den Umwälzpumpen 14 und 15.
Der Brauchwasserkreislauf 12 bei vorliegender Ausführung ist so gestaltet, dass das vom Brenner 3 erwärmte Heizwasser 6 über einen Wärmetauscher 16 geführt wird und dabei seine Energie an das im Brauchwasserspeicher 2 eingeschlossene Brauchwasser 13 abgibt. Der Kaltwasserzufluß des Brauchwassers 13 zum Speicher 2 erfolgt über den Kaltwasseranschluß 17 und die Entnahme des Warmwassers über den Anschluß 18.
Die Ansteuerung des Brenners 3 wird durch die Steuereinheit 19 und die Temperatursteuerung 20 geregelt. Dazu führen zunächst ein Temperaturfühler 24b für Heizwasser 6, ein Temperaturfühler 25 für Brauchwasser und ein Fühler 24 am Heizungsvorlauf über Verbindungsleitungen an die Steuereinheit 19. Die Signale der Fühler 24, 24b, 25 bilden in der Steuereinheit 19 ein AUS-Schaltsignal A1 für den Brenner 3, wenn eine in der Steuereinheit 19 hinterlegte SOLL-Temperatur erreicht oder um eine eingestellte Differenz überschritten wird. Dieses AUS-Schaltsignal A1 führt dabei direkt an den Brenner 3 und schaltet den Brenner 3 aus. Wird die in der Steuereinheit 19 hinterlegte SOLL-Temperatur um eine eingestellte Temperaturdifferenz wieder unterschritten, so wird in der Steuereinheit 19 ein EIN-Schaltsignal E1 gebildet, das als Eingangssignal zunächst auf die Temperatursteuerung 20 führt.
Ausschließlich in der Temperatursteuerung 20 wird das EIN-Schaltsignal E2 für den Brenner 3 gebildet. Die in der Temperatursteuerung 20 gespeicherte EIN-Schalttemperatur ist um einen definierten Betrag niedriger als die in der Steuereinheit 19 gespeicherte SOLL-Temperatur. Zur Bildung des EIN-Schaltsignals E2 für den Brenner 3 sind zunächst weitere Fühler 24a für Heizwasser 6 und Fühler 25a für Brauchwasser 13 angeordnet, deren Verbindungsleitungen zur Temperatursteuerung 20 führen. Bei Absenkung der Temperatur für Heiz- und Brauchwasser um einen voreingestellten in der Temperatursteuerung 20 gespeicherten Temperaturwert wird ein zeitlich verzögertes Einschalten des Brenners 3 bewirkt. Bei langsamer Absenkung der Temperatur für Heiz- und Brauchwasser verlängert sich die Ausschalt-Phase des Brenners 3. Bei einer raschen Abkühlung von Heiz- und Brauchwasser ist die Verzögerung des Einschaltens des Brenners 3 geringer. Das tatsächliche Einschalten des Brenners 3 wird somit von den in der Temperatursteuerung 20 gespeicherten Temperaturwerten und den gemessenen Temperaturen der Fühler 24a und 25a bestimmt.
Das EIN-Schaltsignal E2 der Temperatursteuerung wird jedoch zeitlich noch beeinflußt vom Signal eines weiteren Fühlers 26, der an der Brauchwasserpumpe 15 angeordnet ist, sowie den Signalen eines Temperaturfühlers 27 für Außenluft und eines oder mehrerer Temperaturfühler 28 für Raumluft. Der Fühler 26 an der Brauchwasserpumpe 15 bewirkt bei einer Entnahme von Brauchwasser 13 ein vorzeitiges Einschalten des Brenners 3, bevor das Brauchwasser 13 die in der Temperatursteuerung 20 gespeicherte niedrigere EIN-Schalttemperatur erreicht hat.
Diese Maßnahme bewirkt, dass bei Bedarf, d.h. bei Benutzung des Brauchwassers, der Brenner 3 ein EIN-Schaltbefehl E2 erhält und dieses Brauchwasser 13 auf die höhere in der Steuereinheit gespeicherte Temperatur aufgeheizt wird. Wird dagegen über längere Zeit kein Brauchwasser 13 entnommen, sinkt die Temperatur des Brauchwassers 13 auf die in der Temperatursteuerung gespeicherte Brauchwassertemperatur ab, ohne das vorher ein EIN-Schaltbefehl E2 für den Brenner 3 gegeben wird.
Die zusätzlichen Fühler können ganz oder teilweise entfallen, wenn das zu bildende gebildete EIN-Schaltsignal E2 durch Integration der Funktionen der Temperatursteuerung 20 in die Heizungsregelung 19 realisiert wird oder eine Nutzung der bereits in der Heizungsregelung 19 vorhandenen entsprechenden Signale durch die Temperatursteuerung 20 über das Verbindungskabel 21 erfolgt.
Die der Steuereinheit 19 nachgeschaltete Temperatursteuerung 20 hat den Vorteil, dass bereits installierte Heizungsanlagen mit der Temperatursteuerung nachgerüstet werden können. Über die Einstellmöglichkeiten der speicherbaren Temperaturwerte sowohl in der Steuereinheit, als auch in der Temperatursteuerung ist jedes Heizungssystem unter Berücksichtigung der Benutzungsbedingungen, z.B. Brauchwasser, und der Umgebungsbedingungen optimal einstellbar. In eine bereits erteilte Betriebserlaubnis wird mit der vorgeschlagenen Temperatursteuerung 20 nicht eingegriffen.

1: Heizkessel
2: Brauchwasserspeicher
3: Brenner
4: Abgase
5: Brennraum
6: Heizwasser
7: Abgas-Anschluß
8: Vorlauf Heizwasser
9: Rücklauf Heizwasser
10: Heizungswasserkreislauf
11: Heizungsvor- u. Rücklauf zum Heizkörper
12: Brauchwasserkreislauf
13: Brauchwasser
14: Heizkreispumpe
15: Brauchwasserpumpe
16: Wärmetauscher
17: Kaltwassereintritt (Brauchwasser)
18: Warmwasseraustritt (Brauchwasser)
19: Steuereinheit
20: Temperatursteuerung
21: Verbindungsleitung Steuereinheit/Temperatursteuerung
22: Verbindungsleitung Temperatursteuerung/Brenner
23: Eingabebord
24: Fühler Heizungsvorlauf
24a: Heizwasserfühler f. Temperatursteuerung
24b: Heizwasserfühler für Steuereinheit
25: Fühler Brauchwasser
25a: Brauchwasserfühler f. Temperatursteuerung
26: Fühler Brauchwasserpumpe f. Temperatursteuerung
27: Temperaturfühler Außenluft f. Temperatursteuerung
28: Fühler f. Raumtemperatur f. Temperatursteuerung
E1: EIN-Schaltbelehl am Ausgang der Steuereinheit
E2: EIN-Schaltbefehl am Eingang des Brenners

Claims

Heizkessel zum Erwärmen von Heizungs- und/oder Brauchwasser mit einem Brenner, einer Steuereinheit, einem Temperaturfühler für Heizwasser und einem Temperaturfühler für Brauchwasser, dessen Signalleitungen mit der Steuereinheit verbunden sind, wobei die Steuereinheit nach Temperaturabfall des Heizungswassers unter eine in der Steuereinheit gespeicherte erste Einschalttemperatur oder nach Temperaturabfall des Brauchwassers unter eine in der Steuereinheit gespeicherte zweite Einschalttemperatur jeweils einen EIN-Schaltbefehl zum Einschalten des Brenners erzeugt und dass von der Steuereinheit erzeugte EIN-Schaltsignal an den Eingang einer Temperatursteuerung geschaltet ist, an der Stellelemente zur Einstellung niedriger Temperaturen für Heiz- und Brauchwasser angeordnet sind und bei Erreichen der in der Steuereinheit gespeicherten Soll-Temperaturgrenzwerte ein AUS-Schaltsignal direkt an den Brenner geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, – dass am Heizkessel (1) ein dritter Temperaturfühler (24a) und am Brauchwasserspeicher (13) ein vierter Temperaturfühler (25a) angeordnet, deren Signalleitungen an den Eingang der Temperatursteuerung (20) geschaltet sind, – an der Brauchwasserpumpe (15) ein fünfter Fühler (26) angeordnet ist, dessen Signalleitung an den Eingang der Temperatursteuerung (20) führt und in der Temperatursteuerung (20) ein Ausgangssignal gebildet wird, das als EIN-Schaltsignal E2 an den Brenner (3) fürt.
Heizkessel zum Erwärmen von Heizungs- und/oder Brauchwasser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein sechster Temperaturfühler (28) für Raumlufttemperatur und ein siebter Temperaturfühler (27) für Außenlufttemperatur über Verbindungsleitungen an den Eingang der Temperatursteuerung (20) geschaltet sind, die zur Bildung des EIN-Schaltbefehles E2 für den Brenner (3) berücksichtigt sind.
Heizkessel zum Erwärmen von Heizungs- und/oder Brauchwasser nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursteuerung (20) bei laufendem Heizbetrieb abschaltbar ist.
Heizkessel zum Erwärmen von Heizungs- und/oder Brauchwasser nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass Temperaturfühler (28) für die Raumlufttemperatur in mehreren Räumen angeordnet sind.