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Stand der
Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Heizeinrichtung zum Beheizen eines mit wenigstens einem Wärmeverbraucher
wärmeübertragend
gekoppelten Heizkreises, insbesondere einer Gebäudezentralheizung oder einer
Warmwasserbereitungsanlage eines Gebäudes, mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem Betriebsverfahren zum
Betreiben einer derartigen Heizeinrichtung.
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Aus der
EP 0 427 121 A2 ist eine
Heizeinrichtung der eingangs genannten Art bekannt, deren Heizkreis
an ein Heizleitungssystem einer Gebäudezentralheizung und an eine
Warmwasserbereitungsanlage eines Gebäudes angeschlossen ist. Im
Heizkreis ist ein Primärwärmeübertrager
angeordnet, der mit einem Brenner beaufschlagbar ist. Ein Hauptzweig
des Heizkreises besitzt einen Vorlauf, der von der heißen Ausgangsseite
des Primärwärmeübertragers
zum Heizleitungssystem führt,
das wenigstens einen Heizkörper,
in der Regel jedoch eine Vielzahl von Heizkörpern, umfasst. Ein Rücklauf führt das
Heizwasser vom Heizleitungssystem zu einer Eingangsseite des Primärwärmeübertragers
zurück.
Der Heizkreis besitzt außerdem
einen Nebenzweig, der einerseits zum Hauptzweig parallel geschaltet
ist und andererseits den Vorlauf mit dem Rücklauf verbindet. In diesen
Nebenzweig ist ein Sekundärwärmeübertrager
eingebunden, der zur Erwärmung
des Brauchwassers dient. Bei der bekannten Heizeinrichtung ist der
Sekundärwärmeübertrager
mit einem Speicher für
warmes Brauchwasser wärmeübertragend
gekoppelt. Diese Bauweise hat den Vorteil, dass auch dann, wenn
der Brenner nicht in Betrieb ist, im wesentlichen sofort warmes
Brauchwasser gezapft werden kann.
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Wenn bei ausgeschaltetem Brenner
auf der Brauchwasserseite ein Wärmebedarf
entsteht, beispielsweise wenn durch eine Warmwasserentnahme der
Warmwasserspeicher entleert wird, muss der Brenner gestartet werden.
Wenn außerdem
der Brenner für
längere
Zeit ausgeschaltet war, hat sich der Primärwärmeübertrager zwischenzeitlich
abgekühlt.
Dementsprechend muss der neu gestartete Brenner zunächst den
Primärwärmeübertrager
aufheizen, bis der Heizkreis hinreichend erhitzte Heizflüssigkeit
bereit stellen kann. Dieser Aufwärmvorgang
wird um so zeitaufwendiger, je größer bzw. je leistungsstärker der
Primärwärmeübertrager
ist.
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Die vorliegende Erfindung entsprechend
den Gegenständen
der unabhängigen
Ansprüche
hat demgegenüber
den Vorteil, dass in einem Vorwärmspeicher
eine Wärmemenge
bereit gestellt wird, die beim Starten des Brenners zum Vorwärmen des
Primärwärmeübertragers
genutzt werden kann. Hierdurch kann die zum Aufwärmen des Primärwärmeübertragers
erforderliche Zeit erheblich verkürzt werden, so dass die Heizeinrichtung
auch nach einem längeren
Stillstand die gewünschte
Heizleistung relativ rasch zur Verfügung stellen kann.
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Darüber hinaus ergibt sich vorteilhaft
die Möglichkeit,
den Vorwärmspeicher
durch diejenige Wärmemenge
aufzuladen, die der Primärwärmeübertrager
nach dem Abschalten des Brenners aufgrund sogenannter Nachheizeffekte
weiterhin abgibt. Zu diesem Zweck wird der Heizkreis zumindest zwischen
Primärwärmeübertrager
und Vorwärmspeicher für eine hinreichende
Zeitdauer in einem Nachlaufbetrieb betrieben.
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Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung eignet sich
in besonderer Weise für
einen Heizkreis, in dem ein relativ großvolumiger Speicher für heißes Heizwasser
einer Gebäudezentralheizung
oder für warmes
Brauchwasser einer Gebäudewarmwasserbereitungsanlage
angeordnet ist. Bei derartigen Anlagen ist beabsichtigt, dass der
Brenner bei hinreichend aufgeladenem Speicher ausgeschaltet ist. Durch
den erfindungsgemäßen Einbau
des Vorwärmspeichers
in den Heizkreis kann auch hier die Reaktionszeit der Heizeinrichtung,
innerhalb der über den
Heizkreis bei einer Heizleistungsanforderung hinreichend Heizleistung
zur Verfügung
gestellt werden kann, vorteilhaft verkürzt werden.
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Bei einer Anwendung, wie sie in der
eingangs genannten
EP
0 427 121 A2 beschrieben ist, führt der erfindungsgemäße Aufbau
der Heizeinrichtung ebenfalls dazu, dass auch dann, wenn der Brenner
nicht im Betrieb war, relativ rasch warmes Brauchwasser gezapft
werden kann, wobei auf den Warmwasserspeicher verzichtet werden
kann.
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Besonders vorteilhaft ist dabei eine
Weiterbildung, bei welcher der Sekundärwärmeübertrager und der Vorwärmspeicher
in einem gemeinsamen Gehäuse
untergebracht sind. Diese Bauweise vereinfacht die Wärmeisolierung
dieser beiden Bauteile und erhöht
somit den Wirkungsgrad der Heizeinrichtung.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichungen und
aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert, wobei sich
gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche
Bauteile beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 bis 3 schaltplanartige Prinzipskizzen einer
erfindungsgemäßen Heizeinrichtung
bei unterschiedlichen Ausführungsformen.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Entsprechend den 1 bis 3 umfasst
eine Heizeinrichtung 1 nach der Erfindung einen Brenner 2,
der entsprechend einem Pfeil 3 mit Brennstoff, z.B. Erdgas
oder Heizöl,
betrieben wird. Der Brenner 3 beheizt im Betrieb einen
Primärwärmeübertrager 4, der
in einen Heizkreis 5 eingebunden ist, d.h. der Primärwärmeübertrager 4 ist
von einem Heizfluid, insbesondere Wasser, des Heizkreises 5 durchströmbar. Im
Heizkreis 5 ist auch eine Pumpe 6 angeordnet,
die das jeweilige Heizfluid im Heizkreis 5 antreibt.
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Erfindungsgemäß ist in den Heizkreis 5 außerdem ein
Vorwärmspeicher 7 eingebunden,
der stromauf des Primärwärmeübertragers 4 im
Heizkreis 5 angeordnet ist. Der Vorwärmspeicher 7 ist so ausgebildet,
dass er über
den Heizkreis 5 zugeführte Wärme aufnehmen
und speichern kann. Im Vorwärmspeicher 7 gespeicherte
Wärme kann
bei Bedarf wieder über
den Heizkreis 5 abgegeben und erfindungsgemäß auf den
Primärwärmeübertrager 4 übertragen
werden.
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Die Heizeinrichtung 1 weist
des weiteren ein Steuergerät 8 auf,
das über
Steuer- und/oder Signalleitungen 9 mit der Pumpe 6,
mit einem ersten Temperatursensor 10, der die Temperatur
im Vorwärmspeicher 7 mißt, und
mit einem zweiten Temperatursensor 11 verbunden ist, der
die Temperatur im Heizkreis 5 stromab des Primärwärmeübertragers 4 mißt.
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Entsprechend den 1 und 2 besitzt
der Heizkreis 5 einen Hauptzweig 12 sowie einen
Nebenzweig 13. Der Hauptzweig 12 enthält wenigstens
einen, hier nicht gezeigten Hauptwärmeverbraucher. Der Hauptzweig 12 führt dabei über einen
Vorlauf 14 zu dem wenigstens einen Hauptwärmeverbraucher. Ein
Rücklauf 15 des
Hauptzweigs 12 führt
das Heizfluid wieder zurück.
Der wenigstens eine Hauptwärmeverbraucher
des Hauptzweigs 12 kann beispielsweise ein beheiztes Wasserbecken,
insbesondere eines Schwimmbads, sein. Ebenso kann dieser Hauptwärmeverbraucher
ein Heizleitungssystem einer Gebäudezentralheizung
bilden, die einen oder mehrere Heizkörper, insbesondere auch Fußbodenheizkreise, umfasst.
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Der Nebenzweig 13 verbindet
den Vorlauf 14 mit dem Rücklauf 15, wobei an
der Verbindungsstelle zwischen Nebenzweig 13 und Rücklauf 15 ein Schaltventil 16 angeordnet
ist, das mittels eines Stellglieds 17 über eine entsprechende Steuer- und/oder Schaltleitung 9 vom
Steuergerät 8 betätigbar ist.
Je nach Schaltstellung des Schaltventils 16 fördert die Pumpe 6 das
Heizfluid vollständig
oder teilweise durch den Hauptzweig 12 oder vollständig oder
teilweise durch den Nebenzweig 13.
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Entsprechend 2 kann bei einer Weiterbildung im Nebenzweig 13 außerdem ein
Nebenwärmeverbraucher 18 angeordnet
sein. Beispielsweise handelt es sich bei diesem Nebenwärmeverbraucher 18 um
einen Sekundärwärmeübertrager 19,
der mit einem Warmwasserkreis 20 einer im Übrigen nicht dargestellten
Gebäudewarmwasserbereitungsanlage
wärmeübertragend
gekoppelt ist. In einer nicht näher
bezeichneten, vom Sekundärwärmeübertrager 19 wegführenden
Leitung des Warmwasserkreises 20 kann ein dritter Temperatursensor 21 angeordnet sein,
der über
eine entsprechende Signal- und/oder Steuerleitung 9 ebenfalls
mit dem Steuergerät 8 verbunden
ist.
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Über
den Sekundärwärmeübertrager 19 kann
der Heizkreis 5 mit seinem Nebenzweig 13 Heizleistung
in den Warmwasserkreis 20 übertragen, wenn ein entsprechender
Bedarf besteht. Der Warmwasserkreis 20 kann direkt zu entsprechenden Warmwasserzapfstellen
führen.
Zweckmäßig ist auch
eine Ausführungsform,
bei welcher der Warmwasserkreis 20 einen hier nicht gezeigten
Warmwasserspeicher enthält,
aus dem die einzelnen Warmwasserzapfstellen versorgt werden und
der seinerseits über
den Sekundärwärmeübertrager 19 beheizt wird.
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Durch diese Anordnung ist der Nebenzweig 13 parallel
zum Hauptzweig 12 geschaltet bzw. mit dem Heizfluid durchströmbar.
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Wesentlich ist hierbei, dass der
Vorwärmspeicher 7 im
Heizkreis 5 bzw. im Nebenkreis 13 stromab des
Nebenwärmeverbrauchers 18,
also des Sekundärwärmeübertragers 19 angeordnet
ist.
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Entsprechend 3 kann bei einer anderen Ausführungsform
in den Heizkreis 5 neben dem Vorwärmspeicher 7 ein weiterer
Speicher 22 angeordnet sein. Dieser Speicher 22 kann
beispielsweise zum Speichern von heißem Heizwasser dienen und somit einen
Bestandteil einer Gebäudezentralheizung
bilden. Dementsprechend besitzt der Speicher 22 einen Vorlauf 23 und
einen Rücklauf 24.
Grundsätzlich
ist es dabei möglich,
dass im Heizkreis 5 dasselbe Heizfluid strömt, wie
im Vorlauf 23 bzw. im Rücklauf 24. Das
bedeutet, dass der Speicher 22 einen Fluidaustausch ermöglicht.
Ebenso kann bei einer anderen Ausführungsform der Heizkreis 5 vom
Vorlauf 23 und vom Rücklauf 24 der
Gebäudezentralheizung
getrennt sein, so dass getrennte Kreise vorliegen.
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Alternativ kann der Speicher 22 auch
zum Speichern von warmem Brauchwasser dienen, wobei er dann einen
Bestandteil einer Gebäudewarmwasserbereitungsanlage
bildet. Dementsprechend versorgt dann der Vorlauf 23 die
Warmwasserzapfstellen der Warmwasserbereitungsanlage, während über den
Rücklauf 24 frisches
und kaltes Brauchwasser nachgefüllt
wird. Ebenso kann ein Warmwassersystem mit permanenter Warmwasserumwälzung vorgesehen
sein, so dass der Rücklauf 24 umgewälztes und
gegebenenfalls mit Frischwasser aufgefülltes Warmwasser zum Speicher 22 zurückführt.
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Wesentlich ist hierbei, dass im Heizkreis 5 bzw.
im Nebenzweig 13 der Vorwärmspeicher 7 stromab
des Speichers 22 angeordnet ist.
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Der Speicher 22 bildet bei
dieser Ausführungsform
demnach einen Wärmeverbraucher.
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Ein vierter Temperatursensor 25 mißt die Temperatur
des Speichers 22 bzw. des darin gespeicherten Fluids und
steht über
eine entsprechende Signal- und/oder Steuerleitung 9 mit
dem Steuergerät 8 in
Verbindung.
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Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung 1 arbeitet
wie folgt: Wenn bei der Ausführungsform
gemäß 1 der wenigstens eine, nicht
gezeigte, im Hauptzweig 12 angeordnet Hauptwärmeverbraucher keinen
Wärmebedarf
mehr hat, schaltet der Brenner 2 aus. Üblicherweise könnte gleichzeitig
auch die Pumpe 6 ausgeschaltet werden. Erfindungsgemäß wird jedoch
die Pumpe 6 für
eine vorbestimmte Nachlaufzeit weiter betrieben. Gleichzeitig wird über das Stellglied 17 das
Schaltventil 16 so geschaltet, dass der Nebenzweig 13 und
somit der Vorwärmspeicher 7 durchströmt werden.
Durch Nachheizeffekte kann der Hauptwärmeübertrager 4 noch relativ
viel Wärmeenergie
abgeben. Während
dieser Nachlaufzeit kann diese überschüssige Wärmeenergie
vom Vorwärmspeicher 7 aufgenommen
werden. Einerseits muss somit zum Aufladen des Vorwärmspeichers 7 keine
zusätzliche
Wärme erzeugt
werden. Andererseits wirkt sich die so realisierte Kühlung des
Primärwärmeübertragers 4 vorteilhaft
auf die Lebenszeit des Primärwärmeübertragers 4 aus,
da überhöhte Temperaturen
durch die genannten Nachheizeffekte vermieden werden. Der Nachlaufbetrieb
wird beispielsweise dann ausgeschaltet, wenn die vorbestimmte Nachlaufzeit
beendet ist. Ebenso kann als Parameter für den Nachlaufbetrieb die im
Vorwärmspeicher 7 erreichbare
Temperatur herangezogen werden. Beispielsweise wird die Pumpe 6 dann
ausgeschaltet, wenn der Nachlaufbetrieb zu keiner weiteren Temperaturerhöhung im
Vorwärmspeicher 7 führt.
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Je länger der Brenner 2 ausgeschaltet
ist, desto mehr kühlt
der Heizkreis 5 und insbesondere der Prirnärwärmeübertrager 4 ab.
Im Unterschied dazu ist der Vorwärmspeicher 7 zweckmäßig effektiv wärmeisoliert,
so dass die darin gespeicherte Wärme nur
relativ langsam abnimmt.
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Wenn schließlich nach einer längeren Ausschaltzeit
des Brenners 2 dem Steuergerät 8 ein Heizleistungsbedarf
gemeldet wird, muss der Brenner 2 erneut gestartet werden.
Mit dem Starten des Brenners 2 oder bereits vor dem Starten
des Brenners 2 kann nun die Pumpe 6 aktiviert
werden, um die im Vorwärmspeicher 7 gespeicherte
Wärmeenergie zumindest
teilweise über
den Heizkreis 5 auf den Primärwärmeübertrager 4 zu übertragen.
Hierzu muss auch das Schaltventil 16 wieder so geschaltet
werden, dass das Heizfluid durch den Nebenzweig 13 strömt. Hierdurch
kommt es nun zu einer Erwärmung des
Primärwärmeübertragers 4,
die außerdem
relativ rasch erfolgt, da die verwendete Heizflüssigkeit relativ viel Wärme an den
Primärwärmeübertrager 4 abgeben
kann. Insgesamt verkürzt
sich durch diese Maßnahme
die Aufheizzeit des Primärwärmeübertragers 4,
so dass nach einer relativ kurzen Zeit hinreichend erhitzte Heizflüssigkeit
im Heizkreis 5 transportiert wird. Über den zweiten Temperatursensor 11 kann
dieser Zeitpunkt ermittelt werden, zu dem dann auch das Schaltventil 16 so
geschaltet wird, dass nunmehr der Hauptzweig 12 zur Versorgung
des oder der Hauptwärmeverbraucher
mit heißer
Heizflüssigkeit
durchströmt
wird.
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Bei der Ausführungsform gemäß 2 funktioniert das Vorwärmen des
Primärwärmeübertragers 4 bzw.
Aufladen des Vorwärmspeichers 7 grundsätzlich auf
entsprechende Weise. Allerdings müssen hierbei die Betriebszustände des
Nebenwärmeverbrauchers 18 berücksichtigt
werden.
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Der Brenner 2 schaltet daher
erst dann aus, wenn sowohl der oder die Hauptwärmeverbraucher des Hauptzweigs 12 als
auch der Nebenwärmeverbraucher 18 keinen
Wärmebedarf
besitzt.
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Nach dem Ausschalten des Brenners 2 kann bei
entsprechender Schaltstellung des Schaltventils 16 die
Pumpe 6 im Nachlauf betrieben werden, um den Vorwärmspeicher 7 aufzuladen.
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Gleichzeitig wird dadurch – wie oben
erwähnt – der Primärwärmeübertrager 4 gekühlt und
vor einer unerwünschten
Temperaturerhöhung
geschützt.
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Ein zum Einschalten des Brenners 2 führender
Wärmebedarf
kann bei dieser Ausführungsform beispielsweise
dann vorliegen, wenn am Warmwasserkreis 20 Warmwasser abgezapft
wird bzw. werden soll. Mit dem Einschalten des Brenners 2 wird
dann auch hier die Pumpe 6 aktiviert und die Schaltstellung des
Schaltventils 16 so gewählt,
dass der Nebenzweig 13 durchströmt wird. So gelangt die Wärme des
Vorwärmspeichers 7 wieder
in den Primärwärmeübertrager 4,
wodurch sich dessen Aufheizzeit verkürzt. Dies führt zu einer spürbaren Komfortsteigerung
für den
Warmwasserkreis 20, da das gewünschte Warmwasser durch die
erfindungsgemäße Maßnahme schneller
bereit gestellt werden kann.
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Entsprechendes gilt auch für die Ausführungsform
gemäß 3. Beim Ausschalten des Brenners 2 führt der
Nachlauf der Pumpe 6 zu einer Kühlung des Primärwärmeübertragers 4 einerseits und
zu einer Temperaturerhöhung
im Vorwärmspeicher 7 andererseits.
Gleichzeitig kann damit eine weitere Temperaturerhöhung im
Speicher 22 einhergehen.
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Wenn nun der Speicher 22 soweit
abgekühlt ist,
dass er wieder möglichst
rasch aufgeheizt werden muss, wird der Brenner 2 gestartet.
Gleichzeitig oder vorab kann wieder die Pumpe 6 aktiviert
werden, um die im Vorwärmspeicher 7 gespeicherte
Wärme über den
Heizkreis 5 auf den Primärwärmeübertrager 4 zu übertragen.
Die sich dadurch verkürzende
Aufheizzeit des Primärwärmeübertragers 4 führt auch
hier dazu, dass der Speicher 22 schneller mit heißem Heizfluid
versorgt werden kann.
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- 1
- Heizeinrichtung
- 2
- Brenner
- 3
- Brennstoffzuführung
- 4
- Primärwärmeübertrager
- 5
- Heizkreis
- 6
- Pumpe
- 7
- Vorwärmspeicher
- 8
- Steuergerät
- 9
- Signal-
und/oder Steuerleitung
- 10
- erster
Temperatursensor
- 11
- zweiter
Temperatursensor
- 12
- Hauptzweig
von 5
- 13
- Nebenzweig
von 5
- 14
- Vorlauf
von 12
- 15
- Rücklauf von 12
- 16
- Schaltventil
- 17
- Stellglied
- 18
- Nebenwärmeverbraucher
- 19
- Sekundärwärmeübertrager
- 20
- Warmwasserkreis
- 21
- dritter
Temperatursensor
- 22
- Speicher
- 23
- Vorlauf
von 22
- 24
- Rücklauf von 22
- 25
- vierter
Temperatursensor