DE10302217B4

DE10302217B4 - Luftheizung mit integrierter Wärmeübertragung aus Abluft und Brenner

Info

Publication number: DE10302217B4
Application number: DE2003102217
Authority: DE
Inventors: Joachim Falkenhagen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-01-20
Filing date: 2003-01-20
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2023-01-21
Also published as: DE10302217A1

Abstract

Verfahren zur Beheizung von Innenräumen von Gebäuden mit einer Be- und Entlüftungsanlage mit einem Wärmetauscher zur Wärmerückgewinnung aus der Abluft der Innenräume, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Brenner oder einer Brennstoffzelle erzeugten Abgase unmittelbar dem Abluftstrom der Be- und Entlüftungsanlage vor dem Wärmetauscher zugemischt werden, der durch den erfolgten direkten Wärmetausch erwärmte Abluftstrom zusammen mit dem Abgas anschließend dem Wärmetauscher der Be- und Entlüftungsanlage zugeführt wird, in dem die Wärme des Abgas-/Abluftstroms auf einen Zuluftstrom übertragen wird, und danach der Abgas-/Abluftstrom aus dem Gebäude abgeführt und der erwärmte Zuluftstrom den Innenräumen zugeführt wird.

Description

Stand der Technik und Probleme

Traditionell wurden Häuser oft mit einer Feuerung beheizt, die die Wärme direkt an den Raum abgab, dabei oft 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. Die GB 2 220 475 A und WO 00/31473 A1 beschreiben Heizungen, deren restwarme Abgase in den Wärmetauscher einer Be- und Entlüftungsanlage geführt werden, nachdem der größere Teil der Wärme auf konventionelle Weise entnommen wurde.

Diese Kombination aus Luft- und Wasserkreisläufen führt zu einer Vielzahl von Pumpen und Ventilatoren 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.

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 einem Wärmetauscher zur 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 im Wärmetauscher ist dann nicht schlechter, als der für die Nutzung der Brennerwärme angemessene Standard, und somit kann derselbe Wärmetauscher auch für beide Aufgaben genutzt werden.

Neue Lösung

Erfindungsgemäß wird das Heiz- und Lüftungsystem dadurch vereinfacht, daß der Wärmeerzeuger in bzw. bei dem Abluftkanal einer Be- und Entlüftungsanlage mit einem Wärmetauscher zur Wärmerückgewinnung liegt und die Wärme 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.

Im einfachsten Fall könnte die Heizung als atmosphärischer Brenner in einem Abluftkanal 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 kann durch geeignete Anordnung gegenüber den Ventilatoren gewährleistet werden, daß nicht Abgase in den Zuluftstrom eindringen, vorzugsweise durch Zuführung der Verbrennungsabgase in den Abluftstrom vor dem Abluftventilator (Bereich mit Unterdruck) und Entnahme der für den Brenner benötigten Verbrennungsluft aus dem Zuluftstrom in einem Bereich mit Überdruck hinter dem Zuluftventilator (vgl. Anspruch 3).

Ein definierter Luftstrom im Brennerbereich und die Vermeidung eines Nebenstroms bei ausgeschaltetem Brenner kann durch eine Regelung dieses Luftstroms in Abhängigkeit von der Temperatur erreicht werden, insbesondere durch die Kombination von sich unter Wärme unterschiedlich ausdehnenden Metallen, die bei genügender Wärme in der Brennkammer eine den Luftstrom regelnde Klappe (10) öffnen und sie bei Kälte (abgeschaltetem Brenner) wieder schließen (Anspruch 4).

Da die Abluft aus den Innenräumen im allgemeinen 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.

Dies erfolgt am einfachsten dadurch, daß die Brennkammer sich in räumlicher Nähe zu dem Zuluftkanal befindet, z.B. innerhalb derselben (Anspruch 6), und damit von der Zuluft umströmt wird, was eine günstige Übertragung auch der entstehenden Strahlungswärme an die Zuluft bewirkt.

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. Ein Leitblech (14) kann eine zu frühe Vermischung des zweigeteilten Abluftstroms vermeiden. 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.

In zweckmäßiger Ausführung des erfinderischen Grundprinzips kann auch ein Gasherd so gestaltet werden, daß die warmen Abgase ohne Vermischung mit der Raumluft dem Abluftsystem und sodann einem Wärmetauscher zugeführt werden, und dort über die Wärmerückgewinnung zur Raumerwärmung beitragen. 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 Öffnen 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.

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, Abluftkanälen und Wärmetauscher durch Fettreste und daraus entstehendem Ruß sein.

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.

Vorteile

Von Vorteil ist insbesondere die Einsparung von zusätzlichen Luftkanälen, Dachdurchführungen, Ventilatoren, Pumpen und Kondensatkanälen 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. 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.

Weitere vorteilhafte Ausprägungen

Der gemeinsame Abluftventilator wird im allgemeinen vor einem Wärmetauscher, in dem die mit dem Abgas vermischte Abluft ihre Wärme an die Zuluft abgibt, angeordnet sein, um ihn in einem weniger feuchten Klima zu betreiben, als es hinter dem Wärmetauscher auf der "kalten Seite" vorhanden ist. Der Abluftventilator kann dabei auch vor dem Brenner angeordnet sein, jedenfalls wenn die Zufuhr der Verbrennungsluft nicht aus der Zuluft erfolgt.

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.

Ausführungsbeispiel und Erläuterung der Zeichnung
1 zeigt eine Ausprägung des Anspruchs 3: Der Bereich mit dem Brenner 5 befindet sich oberhalb eines Zuluftkanals 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 7).
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 Rand des Zuluftkanals 1 dargestellte Anordnung des Brennerbereichs führt zu einem ersten Wärmeübergang an die Zuluft, 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.
Im wesentlichen erfolgt die Beheizung jedoch erfindungsgemäß durch die Wärmeabgabe von dem Abluft-Abgas-Gemisch in dem Wärmetauscher 6 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 6 die Zuluft erwärmen (Anspruch 4). Dieser Weg der Abgase kann durch ein Leitblech 14 unterstützt werden (Anspruch 8), 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 vor dem Wärmetauscher unterstützt werden.
2 zeigt eine mögliche Kopplung mit einer Kochstelle: Hierzu wird ein Brenner so gestaltet und angeordnet, dass die Vorrichtung zugleich als Kochstelle bzw. Herd genutzt werden kann. Dabei erfolgt die Abluftabfuhr aus der Küche über eine Dunsthaube 31. Der über die Dunsthaube angesaugte Abluftstrom aus dem Raum wird sodann an den Brennern 32 vorbeigeführt, die von unten auf eine Glas-Kochplatte 33 gerichtet sind. Ein isolierender Deckel 34 vermeidet unerwünschte Wärmeflüsse und sorgt für eine warme Kochplatte im Heizbetrieb. Eine weitere Klappe 37 ermöglicht die Wärmezufuhr zum Backofenbereich 38. Das Abluft-Abgas-Gemisch 39 wird in die Abluftanlage geführt, deren Ventilator 40 über eine "Intensiv"-Stellung verfügt, die bei Nutzung des Durchlauferhitzers oder der Dunsthaube in Betrieb geht. Die übrigen Abluftkanäle 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 6 für die Zuluft zurückgewonnen.

Claims

Verfahren zur Beheizung von Innenräumen von Gebäuden mit einer Be- und Entlüftungsanlage mit einem Wärmetauscher zur Wärmerückgewinnung aus der Abluft der Innenräume, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Brenner oder einer Brennstoffzelle erzeugten Abgase unmittelbar dem Abluftstrom der Be- und Entlüftungsanlage vor dem Wärmetauscher zugemischt werden, der durch den erfolgten direkten Wärmetausch erwärmte Abluftstrom zusammen mit dem Abgas anschließend dem Wärmetauscher der Be- und Entlüftungsanlage zugeführt wird, in dem die Wärme des Abgas-/Abluftstroms auf einen Zuluftstrom übertragen wird, und danach der Abgas-/Abluftstrom aus dem Gebäude abgeführt und der erwärmte Zuluftstrom den Innenräumen zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die für den Brenner benötigte Verbrennungsluft aus dem Abluftstrom entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die für den Brenner benötigte Verbrennungsluft aus dem Zuluftstrom hinter dem Zuluftventilator entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas im unteren Bereich des Abluftstroms eingeleitet wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4 bestehend aus einem Abluftkanal (2) und einem Zuluftkanal (1), die über einen Wärmetauscher (6) geführt sind, mit einem Abluftventilator (4) und einem Zuluftventilator (3), mit einer stromaufwärts des Wärmetauschers (6) dem Abluftkanal zugeordneten Brennstoffkammer mit einem Brenner (5) oder einer Brennstoffzelle.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4 bestehend aus einem Abluftkanal (2) und einem Zuluftkanal (1), die über einen Wärmetauscher (6) geführt sind, mit einem Abluftventilator (4) und einem Zuluftventilator (3), dadurch gekennnzeichnet, dass die Brennkamer stromabwärts des Wärmetauschers (6) in dem Zuluftkanal (1) angeordnet ist, wobei der Brennkammerausgang in dem Abluftkanal (2) stromaufwärts des Wärmetauschers (6) mündet.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer über eine um eine Achse (11) schwenkbare Klappe (10) mit dem Zuluftkanal (1) verbindbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Brennkammerausgangs im unteren Bereich des Abluftkanals (2) ein Leitblech (14) angeordnet ist.