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Stand der
Technik und Probleme
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Traditionell wurden Häuser oft
mit einer Feuerung beheizt, die zugleich als Kochstelle diente.
In modernen Heizungen wird meist Wasser erhitzt, das dann die Wärme indirekt über Heizkörper an
die Luft weitergibt. Für
Luftheizungen werden meist Wasser-Luft-Wärmetauscher
im Zuluftstrom eingesetzt. Passivhäuser nutzen vorrangig die im
Haus entstehende Wärme,
auch der Kochstellen, wobei die in der Abluft enthaltene Wärme durch
Wärmetauscher
zurückgewonnen
wird.
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Diese Kombination aus Luft- und Wasserkreisläufen führt zu einer
Vielzahl von Pumpen und Lüftern
sowie Luftkanälen
für die
Zu- und Abluft, die Verbrennungsluft bei Gebläsebrennern und für das Wasser
im Brenner und im Heizungskreislauf. Durch eine Integration von
Brenner und Wasser-Wärmespeicher
wird von einigen Herstellern versucht, die Zahl der Wasser-Pumpen
etwas zu reduzieren.
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Üblicherweise
wird auch eine strikte Trennung zwischen Lüftungsanlagen und Abgasen der Heizung
vorgenommen. Atmosphärische
Brenner, die mit Raumluft betrieben werden, sind in Häusern mit
Lüftungsanlagen
sogar meist unzulässig.
Diese Trennung ist aber in Anbetracht der Entwicklung von Brennern
und Brennstoffzellen mit niedrigen Emissionen nicht mehr zwingend.
Die Heizleistung gut gedämmter
Wohneinheiten ist zudem geringer als die Leistung von Gasherden,
die ganz selbstverständlich ihre
Abgase in die Aufenthaltsräume
ableiten. Ein Passivhaus mit Wärmerückgewinnung "gewinnt" mehr Wärme aus
der Abluftströmung
zurück,
als durch die Feuerung zugeführt
wird. Deshalb ist es sinnvoll, die Wärmerückgewinnung (z.B. mit Gegenstrom-Wärmetauschern)
mit hohem Wirkungsgrad auszulegen. Die Wärmerückgewinnung ist dann nicht schlechter,
als der für
die Nutzung der Brennerwärme angemessene
Standard, und somit kann derselbe Wärmetauscher auch für beide
Aufgaben genutzt werden.
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Neue Lösung
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Erfindungsgemäß wird das Heiz- und Lüftungsystem
dadurch vereinfacht, daß der
Wärmeerzeuger
die Wärme
ganz oder teilweise an die aus dem Gebäude bzw. aus den beheizten
Räumen
abgeführte
Luft abgibt. Diese Wärmezufuhr
erfolgt, bevor diese Abluft einen Wärmetauscher durchströmt, der
die Wärme
an die Zuluft überträgt, und
der somit auch die von dem Wärmeerzeuger
zugeführte
Wärme für die Raumheizung
nutzbar macht.
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Andere Möglichkeiten der Erfindung sehen eine
Kopplung mit der Brauchwassererwärmung oder
der Kochstelle vor.
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Im einfachsten Fall könnte die
Heizung als atmosphärischer
Brenner in einer Abluftleitung realisiert werden (Anspruch 2), und
damit außer
der Regelung der Gaszufuhr und der Zündung auf weitere Regeleinrichtungen
der Heizung verzichtet werden. Der damit verbundene Luftüberschuß bei der
Verbrennung ist im Vergleich zu üblichen
Heizungen mit atmosphärischen
Brennern nicht so nachteilig, weil die betreffende (Ab-)Luftmenge
ja ohnehin das Haus verläßt. Bei
Entnahme der Verbrennungsluft aus der Zuluft (Anspruch 3) kann durch
geeignete Anordnung gegenüber
den Ventilatoren gewährleistet
werden, daß nicht
Abgase in den Zuluftstrom eindringen.
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Ein definierter Luftstrom im Brennerbereich und
die Vermeidung eines Nebenstroms bei ausgeschaltetem Brenner kann
durch eine Regelung des Luftstroms in Abhängigkeit von der Temperatur
erreicht werden (Anspruch 4), insbesondere durch unter Wärme sich verformende
Bimetalle, die bei genügender
Wärme in
der Brennkammer eine den Luftstrom regelnde Klappe (weiter) öffnen, und
die sie bei Kälte
(abgeschaltetem Brenner) wieder schließen.
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Da die Abluft aus den Innenräumen im
allgemein kühler
sein wird als die Verbrennungsabgase nach den ersten Wärmeabgaben,
kann angestrebt werden, die Abgase als letztes (in Strömungsrichtung der
Zuluft) mit der Zuluft in Kontakt zu bringen.
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Dies erfolgt am einfachsten dadurch,
daß die Brennkammer
sich in räumlicher
Nähe zu
der Zuluftleitung befindet (Anspruch 5), z.B. innerhalb derselben,
und damit von der Zuluft umströmt
wird, was eine günstige Übertragung
auch der entstehenden Strahlungswärme an die Zuluft bewirkt.
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Möglich
ist auch, daß das
Abgas an geeigneter Stelle dem Wärmetauscher
zugeführt
wird. Hierzu könnten
die Abgase bevorzugt an der Unterseite eines Wärmetauschers zugeführt werden,
wo eher kühlere
Luft zu erwarten ist (Anspruch 7). Es kann sinnvoll sein, eine erste
Stufe der Wärmeübertragung von
Abgas auf Zuluft vor der Vermischung mit der Abluft aus den Räumen vorzunehmen,
um eine stärkere Wärmeübergabe
von dem noch heißerem
Abgasstrom zu erreichen (Anspruch 6).
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Im Kombination mit einer Brauchwassererwärmung kann
der Brenner im Betriebszustand "Wassererwärmung" vorrangig der Wärmeübertragung
an das Wasser dienen. Wenn dieses genügend erwärmt ist, reduziert sich die
Wärmeabgabe
an das Wasser bzw. fällt
auf Null, und die Abgase verlassen den Brenner mit ungeminderter
Temperatur und gelangen in den Abluftstrom. Von dort werden die
Abgase über
die Wärmerückgewinnungseinheit,
wo sie ihre restliche Wärme
an die Zuluft abgeben, ins Freie geleitet. Bei entsprechendem Heizwärmebedarf
kann die Wärmeabgabe
an das Brauchwasser durch zusätzlichen
Regeleingriff reduziert werden, so daß ein größerer Teil der von der Brennstoffzufuhr
abhängigen
Wärme für die Heizung
verfügbar
ist.
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Die Wärmeübertragung an das Brauchwasser
erfolgt vorteilhafterweise mit einem Zwischenkreislauf mit einem
getrenntem Wärmeübertragungsmedium,
das sich im Bereich des Brennraums erwärmt, und entweder entsprechend
einer Schwerkraftheizung in flüssigem
Zustand durch Auftrieb in Zirkulation kommt, oder verdampft und
dadurch aufsteigt und auf der Warmwasserseite wieder kondensiert,
oder aktiv umgepumpt wird. Bei genügender Temperatur auf der Warmwasserseite
könnte
das Medium insgesamt verdampfen, und z.B. in einen unterhalb angeordneten
Ausgleichbehälter
verdrängt werden,
so dass dadurch die Wärmeübertragung
an das Wasser zum Stillstand kommt.
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Die Wärmeübertragung an das Wasser könnte auch
durch ein von der Temperatur des durchströmenden Mediums abhängiges Ventil 23 unterbrochen
werden, das sich schließt,
wenn das zu erwärmende
Wasser eine ausreichende Temperatur erreicht hat. Dieses Ventil
würde vorzugsweise
auf der unteren Seite des Speichers 24 des Warmwassers angeordnet
werden, bei dem zu dem Brennerraum zurück führenden Rohr, so daß es sieh
erst schließt, wenn
der Wasserspeicher im Bereich des Wärmetauschers vollständig durcherwärmt ist.
Bei geschlossenem Ventil stünde
die Brennerleistung vollständig
zur Raumerwärmung über den
Luftwärmetauscher
zur Verfügung.
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Zur Übertragung der Brennerwärme auf
das Brauchwasser dient im allgemeinen ein Wärmetauscher 22, der
vorzugsweise innerhalb des Wasserspeichers 24 angeordnet
wird. An denselben Wärmetauscher
kann nun auch ein Solarkollektor 25 angeschlossen werden.
Damit wird zunächst
eine doppelte Nutzung dieses Wärmetauschers
und damit eine Kostenminderung erreicht.
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Diese Verbindung zwischen Solarkollektor und
Brennerbereich ermöglicht
es nun zusätzlich, das
Wärmeübertragungsmedium
unschwer auch in entgegengesetzter Richtung zur Übertragung von Sonnenwärme an die
Raumwärme
zu nutzen (Anspruch 13). Im allgemeinen wird zunächst das Warmwasser erwärmt. Bei
durchgeheiztem Warmwassertank schließt sich ein Ventil 23.
Bei solarer Wärmegewinnung
wird das solar erwärmte
Wärmeübertragungsmedium
dann in den Brennerraum geführt.
Bei ausgeschaltetem Brenner würde
dann eine gewisse Luftströmung
durch den Brennerraum ermöglicht werden,
was wiederum durch thermisch gesteuerte Klappen erfolgen kann. Die
Luft nimmt dann die Wärme
zum Abluftstrom mit und erwärmt über den
Wärmetauscher 6 der
Lüftungsanlage
auch die Zuluft und damit das Gebäude.
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Da die damit erreichte solare Heizungsunterstützung einen
eher untergeordneten Betriebszustand darstellt, kann die Abfolge
zweier Wärmetauscher 21 und 6 dabei
in Kauf genommen werden. Weitere mögliche Ausführungen ermöglichen noch gezieltere Wärmetransporte,
erhöhen
aber den regeltechnischen Aufwand.
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Bei Anordnung des Brenners in einem
Raum mit erhöhten
Wärmeanforderungen,
insbesondere einem Bad, könnte
auch eine direkte Wärmeabgabe
an diesen Raum angestrebt werden, bevor eine indirekte Erwärmung der
anderen Räume
durch den Wärmetauscher
erfolgt, dem die restwarmen Abgase und der Abluftstrom aus diesem
Raum zugeführt
werden (Anspruch 14). Damit wird dem Nachteil der üblichen Luftheizungen
von Passivhäusern,
keine individuelle Regelbarkeit der verschiedenen Räume zu ermöglichen,
begegnet.
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Daraus können sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten
abgeleitet werden, bei denen die Wärmeerzeugung für Warmwasser
und die Erwärmung
des Badraumes in einem Gerät
erfolgt, das innerhalb des Badraums plaziert wird, während die übrigend
Räume indirekt über ihre
Zuluft beheizt werden, die wiederum von der Abluft des Bades und
des genannten Gerätes
erwärmt
wird.
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In zweckmäßiger Ausführung kann auch ein Gasherd
so gestaltet werden, daß die
warmen Abgase ohne Vermischung mit der Raumluft dem Abluftsystem
zugeführt
werden, und dort über
die Wärmerückgewinnung
zur Raumerwärmung
beitragen (Anspruch 15). Dabei könnte
in der Heizperiode eine quasi permanente Erwärmung der Kochstelle erfolgen,
die einen isolierenden Deckel erhalten könnte, um die Wärmeabgabe
an die Küche
zu begrenzen. Bequem dabei wäre,
daß in
der Heizperiode immer eine vorgewärmte Kochplatte unter dem Deckel
zur Verfügung
steht. Möglich
wäre auch,
durch Offnen dieser bzw. weiterer Klappen kurzzeitig mehr Wärme an die
Küche abzugeben,
z.B. wenn ein Bewohner durchgefroren nach Hause kommt, und sich
etwas aufwärmen
möchte,
was er bei einer Luftheizung ja nicht an einem konventionellen Heizkörper tun
kann. Bei größeren Kochaktivitäten würde die
Leistung des Herdes über
den Bedarf der Heizung hinaus erhöht werden.
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Die Kombination mit einem Gasherd
könnte auch
die Durchsetzbarkeit des Systems in Ländern verbessern, die sonst
eine Zuführung
von Abgasen in ein Abluftsystem, das Verbindung zu Aufenthaltsräumen hat,
nicht erlauben würden.
Evtl. wäre
sogar eine Zuführung
der Abluft des Herdes in den Küchenraum
erforderlich, um eine klare Trennung zwischen Herd und Luftheizung
herzustellen, wobei dann durch Anordnung der Abluft-Ansaugöffnungen
in Herdnähe
trotzdem eine möglichst
unmittelbare Abfuhr der Verbrennungsprodukte erreicht würde. Die Klassifikation
als "Gasherd" statt als "Heizungsanlage" könnte auch
Anforderungen an Schornsteinfeger erleichtern.
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Auch eine Küchenzentrale könnte um
die Funktion der Warmwassererwärmung
zu einer Wärmezentrale
ergänzt
werden. Dabei sind die erhöhten Anforderungen
an die Wärmeisolierung
und Wärmeübertragung
bei der Erwärmung
von Warmwasser außerhalb
der Heizperiode zu beachten, weil dann ja die Restwärme im Abgas
nicht mehr nutzbringend in die Heizung einfließt (Anspruch 16).
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Schließlich können die Funktionen Kochstelle,
Warmwassererwärmung
und Einzelraumheizer einzeln oder gemeinsam mit der eigentlichen
Wärmerückgewinnung,
also insbesondere einem Luft-Luft-Gegenstromwärmetauscher, zu einem Gerät zusammengefaßt werden.
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Vorteile
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Von Vorteil ist insbesondere die
Einsparung von zusätzlichen
Luftkanälen,
Dachdurchführungen, Ventilatoren,
Pumpen und Kondensatleitungen für die
Heizungsanlage, wenn derartige Anlagen bereits für das Lüftungssystem bereitgestellt
werden. Der Brenner kann sehr einfach gestaltet werden. Der eingesparte
Aufwand für
die Wärmeübertragung
im Brennerbereich kann für
eine Verbesserung der Wärmerückgewinnung
des Luft-Luft-Wärmetauschers
im Zu- und Abluftsystem genutzt werden, die nun ja auch der Nutzung
der von dem Brenner kommenden Wärme
dient.
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Die Lage des Brenners wird räumlich unabhängig, sofern
er nur an das Abluftsystem angeschlossen wird. Damit kann er leicht
die zusätzliche Funktion
eines Gas-Einzelraumheizers
oder eines Herdes übernehmen.
Im Falle eines Gasherdes ist die Nutzung eines Energieträgers mit
geringeren Umwandlungsverlusten als bei der Stromerzeugung vorteilhaft.
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Weitere vorteilhafte Ausprägungen
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Denkbar wäre eine Zuluftführung zu
dem Heiz-Herd über
eine Dunstabzugshaube. Nachteilig könnte dabei der höhere Strömungswiderstand
in der Dunsthaube und die Verschmutzungsgefahr von Brenner, Abluftröhren und
Wärmetauscher
durch Fettreste und daraus entstehendem Ruß sein.
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Die gemeinsame Abluftpumpe wird im
allgemeinen vor einem Wärmetauscher,
in dem die mit dem Abgas vermischte Abluft ihre Wärme an die
Zuluft abgibt, angeordnet sein, um sie in einem weniger feuchten
Klima zu betreiben, als es hinter dem Wärmetauscher auf der "kalten Seite" vorhanden ist. Die Abluftpumpe
kann dabei auch vor dem Brenner angeordnet sein, jedenfalls wenn
die Zufuhr der Verbrennungsluft nicht aus der Zuluft erfolgt.
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Durch geeignete Ausströmungsrichtung
und Düsengestaltung
des zu verbrennenden Gases kann erreicht werden, daß die Strömung der
Verbrennungsprodukte in die angestrebte Richtung unterstützt wird,
und insbesondere ein Eindringen von Verbrennungsprodukten in die
Zuluft vermieden wird.
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Im Falle eines Verfahrens gemäß Anspruch 12
kann der Ausgleichsbehälter
für das
Wärmeübertragungsmedium
mit einem der Zu- oder Abuftströme thermisch
gekoppelt bzw. von Luft umströmt
werden, so daß eine Überhitzung
des Ausgleichsbehälters vermieden
wird, und eine zuverlässige
Kondensation von etwa einströmendem
Dampf in dem Ausgleichsbehälter
erfolgt.
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Ausführungsbeispiel und Erläuterung
der Zeichnung
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1 zeigt
eine Ausprägung
des Anspruchs 3: Der Bereich mit dem Brenner 5 befindet
sich oberhalb einer Zuluftleitung 1. In abgeschaltetem
Zustand des Brenners ist dieser Bereich kühl, und das z.B. aus Draht
mit höherem
Wärmeausdehnungskofeffizienten
bestehende Element 9 zieht sich zusammen, und zieht damit
die Klappe 10 zu, die um die Achse 11 gelenkig
gelagert ist. Vorteilhaft ist eine gewisse Durchlüftung dieses
Bereichs durch den Abluftstrom 2, durch Verwirbelung im
Bereich von 8. Bei Entzünden
des Brenners 5 erfolgt die Oxidation zunächst mittels
des aus dem Abluftstrom stammenden Sauerstoffs. Die Erwärmung im
Brennerbereich führt
aber schnell zur Ausdehnung des Elements 9 und damit zu
einer Öffnung
der Klappe 10 (vergleiche Anspruch 4).
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Weil durch den Zuluftventilator 3 und
den Abluftventilator 4 der Druck auf der Zuluftseite des
Brennerbereichs bei 7 höher
ist als auf der Abluftseite bei 8, kommt es damit zur Zufuhr
von genügend
weiterer Luft für
den Verbrennungsprozeß aus
dem Zuluftstrom. Die hier am band der Zuluftleitung 1 dargestellte
Anordnung des Brennerbereichs führt
zu einem ersten Wärmeübergang
an die Zuluft (Anspruch 5), und könnte durch wärmetauschende
Rippen 12 unterstützt
werden. Eine Abzweigung eines Teils der Zuluftstroms 16 bereits
vor dem Wärmeübergang von
dem Brennerbereich kann für
Räume mit
geringeren Wärmeanforderungen
genutzt werden (Anspruch 8).
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Im wesentlichen erfolgt die Beheizung
jedoch erfindungsgemäß durch
die Wärmeabgabe
von dem Abluft-Abgas-Gemisch in dem Wärmetauscher 5 an die
Zuluft. Die Einführung
der Abgase an der Unterseite des Abluftstroms kann dazu beitragen,
daß diese
wärmeren
Bestandteile etwa der Linie 13 folgen, und damit vorzugsweise
an der unteren, sonst kälteren
Seite des Wärmetauschers 5 die
Zuluft erwärmen
(Anspruch 7). Dieser Weg der Abgase kann durch ein Leitblech 14 unterstützt werden,
auch dadurch, daß sich
der Abluftventilator 4 an der "äußeren" Seite des Wärmetauschers
befindet. Eine gewisse Vermischung mit dem Abluftstrom vor dem Eintritt in
den Wärmetauscher
könnte
aber auch vorteilhaft sein, und würde bei Anordnung des Abluftventilators an
der Stelle 15 or dem Wärmetauscher
unterstützt werden.
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In einer zweckmäßigen Ausführung von Anspruch 10 ff. gemäß 2 befindet sich der Brenner 5 wieder
in einem Verbindungskanal von Zuluftstrom 1 und Abluftstrom 2,
die von den Ventilatoren 3 und 4 angetrieben werden,
auf der warmen Seite des Wärmetauschers 5.
Der Brenner 5 erwärmt
die Wand des Brennerraums und damit den Wärmetauscher 21. Das
Wärmeübertragungsmedium
erwärmt
sich, verdampft eventuell, und bewegt sich dadurch zu dem nächsten Wärmetauscher 22 innerhalb
des Warmwasserspeichers bzw. Kessels 24.
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Bei genügender Erwärmung des Wasser schließt sich
das Ventil 23, und die Wärmeübertragung an das Warmwasser
kommt zum Erliegen. Die Wärmeerzeugung
des Brenners überträgt sich
somit auf den Luftstrom 16 durch den Brennerraum und wird
somit dem Abluftstrom 2 zugeführt. Durch den Gegenstrom-Wärmetauscher 6 überträgt sich
die Wärme
auf die Zuluft 1 und wird damit zur Raumheizung genutzt.
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In Verbindung mit einem Sonnenkollektor 25 und
einer Umwälzpumpe 26 wird
zur Übertragung der
Solarwärme
ein zusätzlicher
bzw. erweiterter Wärmetauscher 27 genutzt,
der einen Teil des Wasserkessels 24 erwärmt, der sich unterhalb des
Bereichs befindet, der von dem mit dem Brenner 5 verbundenen
Kreislauf erwärmt
wird. Bei genügender Erwärmung des
oberen Teils des Kessels schließt
somit das Ventil 23, das den Durchfluß durch den oberen Teil des
Kessels regelt. Wenn dann weitere Solarwärme zur Verfügung steht,
wird das solar erwärmte Wärmeträgermedium
durch den Wärmetauscher 21 und
damit zum Brennerraum geführt.
Während
der Heizperiode wird die Luftzufuhr durch den Brennerraum geöffnet und
Solarwärme
an die zu der Wärmerückgewinnungsanlage 6 strömende Luft
abgegeben. Wenn keine Heizwärme
benötigt
wird, wird die Luftzufuhr zum Brennerraum geschlossen. Dann strömt das solar
erwärmte
Wärmeträgermedium
mit unverminderter Temperatur weiter zu dem Wärmetauscher 27 im
unteren Teil des Kessels, und kann dort zusätzliche Wärme abgeben, bis auch das Wasser
im unteren Teil des Kessels seine Solltemperatur erreicht hat.
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Diese Ausführung nutzt den Sachverhalt, dass
bei thermisch nutzbarer Sonneneinstrahlung meist auch keine aktive
Hausbeheizung mit dem Brenner erforderlich ist, und damit eine Umkehr
der Strömungsrichtung
im Wärmetauscher 21 bei
solarer Beheizung möglich
ist.
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In einer Wärmezentrale gemäß Anspruch
16 erfolgt die Abluftabfuhr aus der Küche über eine Dunsthaube 39 .
Der Abluftstrom wird dann an den Brennern 32 vorbeigeführt, die
von unten auf eine Glas-Kochplatte 33 gerichtet sind. Ein
isolierender Deckel 34 sorgt für eine warme Kochplatte im
Heizbetrieb. Der Luftstrom wird nun an einem weiteren Brenner 35 vorbeigeführt, der
als Durchlauferhitzer für
die Warmwassererwärmung
in dem Wärmetauscher 36 fungiert.
Eine weitere Klappe 37 ermöglicht die Wärmezufuhr
zum Backofenbereich 33. Das Abluft-Abgas-Gemisch 39 wird
in die Abluftanlage geführt,
deren Wentilator 40 über
eine "Intensiv"-Stellung verfügt, die
bei Nutzung des Durchlauferhitzers oder der Dunsthaube in Betrieb
geht. Die übrigen
Abluftleitungen 41 verfügen über (Sturm-)Klappen 42, die
sich in der Intensiv-Stellung durch die verstärkte Strömung automatisch schließen. Die
Wärme wird wiederum
durch einen Wärmetauscher
für die
Zuluft zurückgewonnen.