DE19731794A1 - Speicherheizvorrichtung zur energiesparenden Beheizung und Warmwasserbereitung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Speicherheizvorrichtung zur energiesparenden Beheizung und Warmwasserbereitung insbesondere zum Einsatz bei Ein- und Mehrfamilienhäusern.

Üblicherweise wird in der Heiz- und Warmwasserbereitungstechnik, wie sie bei Ein- und Mehrfamilienhäusern eingesetzt wird, durch einen Gas- oder Ölbrenner Wasser in einem Heizkessel erwärmt, das durch den Hei­ zungskreislauf des Hauses zu den einzelnen Heizkörpern oder Fußboden­ heizungs-Strängen gepumpt wird.

Zur Warmwasserversorgung ist ein Wasserspeicher vorgesehen, der entwe­ der direkt beheizt oder über einen Wärmetauscher mit dem Heizungskreis­ lauf gekoppelt ist. In jedem Falle wird das Brauchwasser in dem Speicher bei einer hohen Temperatur von ca. 50 bis 60°C bevorratet. Trotz verbes­ serter Isolierungsmaßnahmen ist die Bevorratung des Brauchwassers auf hohem Temperaturniveau mit prinzipiell bedingten Strahlungsverlusten verbunden, energetisch also nachteilig.

Seit geraumer Zeit stehen bei der Konstruktion von Heizungen Bemühun­ gen im Vordergrund, das Gesamtsystem so energiesparend und umwelt­ schonend wie möglich zu betreiben zu können. Hier eine weitergehende Optimierung zu schaffen, ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebene Speicherheizvorrichtung, bei der als Brenner ein Porenbrennwert-Gerät verwendet wird, das in einem Primär-Heizkreislauf angeordnet ist. Dieser speist einen ersten Wärmetauscher, der den Primär-Heizkreislauf mit einem Sekundär-Heizkreislauf thermisch koppelt. Letzterer führt zu den einzelnen Heizkörpern und/oder Fußbodenheizungs-Strängen des Hauses.

Zur Warmwasserbereitung ist ein Brauchwasserspeicher vorgesehen, um Brauchwasser im Leitungssystem vorzuhalten. Zur Erwärmung des Brauchwasser auf die gewünschte Temperatur ist ein zweiter Wärmetau­ scher vorgesehen, der den Primär-Heizkreislauf mit dem Brauchwasser- Leitungssystem nach Art eines Durchlauferhitzers thermisch koppelt.

Schließlich ist ein dritter Wärmetauscher im Brauchwasserspeicher selbst angeordnet, der primärseitig mit einer Sonnenkollektor-Anlage koppelbar ist.

Aus den vorstehenden Ausführungen wird deutlich, daß eine Kombination aufeinander abgestimmter Maßnahmen zu einer neuartigen Anordnung von teilweise bekannten heiztechnischen Geräten führt, mit der ein gegenüber dem bisherigen Standard energiesparenderes und umweltfreundlicheres Heizen möglich wird:

Durch die Verwendung eines als solches bekannten Porenbrennwert- Gerätes kann ein Aufheizen des Heizmediums entsprechend den tatsäch­ lich, sich zeitlich ändernden Leistungsanforderungen erfolgen. Ein Poren­ brennwert-Gerät läßt nämlich einen sogenannten "modellierenden Betrieb" auf, d. h. es kann in einer Leistungsbandbreite von beispielsweise 10% bis 100% Nenn-Leistung gefahren werden. Es wird also kein Kesselwasser auf hoher Temperatur wie bei bisher üblichen Heizkesseln bevorratet. Dadurch entstehen keinerlei Abstrahlungsverluste.

Auch seitens der Warmwasserbereitung werden die Abstrahlungsverluste dadurch vermieden, daß keine Bevorratung an erhitztem Brauchwasser er­ folgt. Dieses wird lediglich in einem Brauchwasserspeicher vorgehalten, wobei durch den dritten Wärmetauscher im Brauchwasserspeicher ohne Einsatz von fossilen Energieträgern eine Anhebung der Basistemperatur des Brauchwassers erfolgen kann. Dadurch wird der Energieaufwand für den eigentlichen Erhitzungsvorgang auf Solltemperatur, der in dem angegebe­ nen zweiten Wärmetauscher stattfindet, deutlich herabgesetzt. Durch den besagten dritten Wärmetauscher im Brauchwasserspeicher kann die von der Sonnenkollektor-Anlage erzeugte Sonnenenergie bereits ab einer Tempe­ ratur von ca. 10 des Thermofluids der Sonnenkollektor-Anlage durch Strahlungswärmeübergang genutzt werden. Dies führt zu einem Wirkungs­ grad der Kollektoranlage bis in den Bereich von über 70%. Durch die Verwendung eines Porenbrennwert-Gerätes, wie es beispielsweise aus der DE 43 22 109 A1 bekannt ist, können Öl und Gas getrennt voneinander zur Verbindung verwendet werden. Dies ermöglicht einen flexiblen Einsatz der Heizvorrichtung.

In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen der erfin­ dungsgemäßen Speicherheizvorrichtung angegeben.

So wird durch die im Anspruch 2 angegebene Maßnahme ein kompakter Aufbau der Speicherheizvorrichtung gelehrt. Darüber hinaus wird dadurch die Voraussetzung dafür geschaffen, daß die Abgasleitung des Poren­ brennwert-Gerätes durch den Brauchwasserspeicher geführt werden kann (Anspruch 3), wodurch eine effektive Ausnutzung der Abgasenergie des Porenbrennwert-Gerätes zu einer Vorerwärmung des vorgehaltenen Brauchwassers erfolgt.

Durch die Integration einer Entschwefelungsanlage gemäß Anspruch 4 wird eine Optimierung hinsichtlich einer möglichst hohen Umweltverträglichkeit beim Betrieb der Speicherheizvorrichtung vorangetrieben.

Anspruch 5 lehrt eine thermisch vorteilhafte Anordnung des dritten Wär­ metauschers im Brauchwasserspeicher, was wiederum einer Wirkungsgrad­ erhöhung zugutekommt.

Durch die im Anspruch 6 angegebene Anbringung der ersten und zweiten Wärmetauscher am Gehäuse des Brauchwasserspeichers werden alle wich­ tigen Anlagenkomponenten kompakt am Brauchwasserspeicher zusammen­ gefaßt.

Die in den Ansprüchen 7 und 8 angegebenen Maßnahmen dienen zur Op­ timierung des Wärmeübergangs zwischen dem Primär-Heizkreislauf und dem Brauchwasser-Leitungssystem bzw. dem Sekundär-Heizkreislauf. Ins­ besondere wird durch die im Anspruch 8 angegebene Reihenfolge ein ho­ her Wärmeübergang gerade in dem als Durchlauferhitzer arbeitenden Wärmetauscher gesorgt.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind der nach­ folgenden Beschreibung entnehmbar, in der ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläu­ tert wird. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer Heizanlage, in der die erfin­ dungsgemäße Speicherheizvorrichtung integriert ist, und

Fig. 2 und 3 unterschiedliche Seitenansichten eines mit Porenbrennwert- Gerät versehenen Brauchwasserspeichers mit angeflanschten Wär­ metauschern bzw. Entschwefelungsanlage.

Anhand von Fig. 1 ist die Einbindung der erfindungsgemäßen Speicher­ heizvorrichtung 1 in eine Gesamtsystem zur Gebäudeheizung und Warm­ wassererzeugung zu erörtern. Die Speicherheizvorrichtung 1 weist einen Brenner in Form eines Porenbrennwert-Gerätes 2 auf, das auf einem Brauchwasserspeicher 3 sitzt. Der Brenner 2 ist im Primär-Heizkreislauf 4 angeordnet, der eine Pumpe zur Umwälzung des vom Brenner 2 aufge­ heizten Mediums - in der Regel Wasser - sowie ein Überdruckgefäß 6 auf­ weist. Im Primär-Heizkreislauf 4 sind strömungstechnisch in Reihe hinter­ einander ein Warmwasser-Wärmetauscher 7 und ein Heizungs-Wärme­ tauscher 8 geschaltet. Durch den primärseitig vom Heizmedium des Primär- Heizkreislaufes 4 durchflossenen Heizungs-Wärmetauscher 8 wird der Se­ kundär-Heizkreislauf 9 thermisch angekoppelt, dessen Heizmedium in übli­ cher Weise durch eine Pumpe 10 zu Heizkörpern und/oder Fußbodenhei­ zungs-Strängen FH befördert wird.

Der Warmwasser-Wärmetauscher 7 arbeitet nach Art eines Durchlauferhit­ zers, wobei das zu den verschiedenen Entnahmestellen führende Brauch­ wasser-Leitungssystem 1 1 sekundärseitig durch den Wärmetauscher 7 führt.

Wie aus Fig. 1 und 2 deutlich wird, ist - wie bei Wasserspeichern üblich - der Kaltwasserzulauf 12 am unteren Ende des Speichervolumens und der Ablauf 13 oben angeordnet. Etwa im unteren Drittel des Brauchwasser­ speichers 3 ist ein Brauchwasser-Wärmetauscher 14 integriert, der als Lei­ tungswendel 15 ausgebildet ist. Der Brauchwasser-Wärmetauscher 14 wird von einer Sonnenkollektor-Anlage 16 gespeist, deren Sonnenkollektoren 17 beispielsweise auf dem Dach eines Gebäudes angeordnet sind. Im Heizme­ dium-Kreislauf 18 der Sonnenkollektor-Anlage 16 ist eine weitere Pumpe 19 zur Förderung des Heizmediums sowie ein Überdruck-Gefaß 20 vorge­ sehen.

Zur erfindungsgemäßen Speicherheizvorrichtung 1 gehört weiterhin eine Entschwefelungsanlage 21, mittels der die Abgase des Porenbrennwert- Gerätes 2 gereinigt werden. Die Entschwefelungsanlage 21 sitzt in der Ab­ gasleitung 22 des Porenbrennwert-Gerätes 2, die durch den Innenraum des Brauchwasserspeichers 3 geführt ist, um dort die thermische Energie der Abgase des Brenners 2 für eine Vorerwärmung des im Speicher 3 vorge­ haltenen Brauchwassers auszunutzen. Die Abgastemperatur reduziert sich dabei von ca. 160°C-180°C am Austritt des Porenbrennwert-Gerätes 2 auf ca. 80°C-100°C am Austritt aus dem Brauchwasserspeicher 3.

Die gesamte Anlage zur Heizung und Warmwasserbereitung ist mit Hilfe von Mikroprozessor-gestützten Regelgeräten steuerbar. Dazu sind ein Hei­ zungs-Regelgerät 23, ein Brenner-Regelgerät 24 und ein Solaranlagen- Regelgerät 25 vorgesehen. Alle drei Regelgeräte 23, 24, 25 werden durch ein Photovoltaik-Modul 26 mit elektrischer Energie versorgt. Die Regelge­ räte 23, 24, 25 sind also energieautark. Das Heizungs-Regelgerät 23 steht über Signalleitungen 27 mit einem Außentemperaturfühler 29 und entspre­ chenden Raumtemperaturfühlern 30 sowie einem Temperaturfühler 31 für das im Sekundär-Heizkreislauf 9 zirkulierende Heizmedium in Verbindung. Ferner ist ein Temperaturfühler 32 für die Brauchwasser-Temperatur im Brauchwasser-Leitungssystem 11 vorgesehen. Mit Hilfe der von den Füh­ lern 29 bis 32 eingehenden Signale steuert das Heizungs-Regelgerät 23 die Pumpe 10 im Sekundär-Heizkreislauf 9 über eine entsprechende Steuerlei­ tung 28, um so im Sekundär-Heizkreislauf 9 einen entsprechenden Wärme­ energietransport für die Raumheizung zu generieren.

Das Brenner-Regelgerät 24 steuert über entsprechende Steuerleitungen 33 den Betrieb und die Leistung des Porenbrennwert-Gerätes 2, die Pumpe 5 und ein Absauggebläse 34 in der Entschwefelungsanlage 21. Das Poren­ brennwert-Gerät 2 kann dabei - wie erwähnt - über einen breiten Lei­ stungsbereich zwischen 10 und 100% der Nennleistung gefahren werden.

Das Solaranlagen-Regelgerät 25 steht wiederum über Signalleitungen 27 mit einem Temperaturfühler 35 an den Sonnenkollektoren 17 und einem Temperaturfühler 36 für die Brauchwasser-Eintrittstemperatur in Verbin­ dung. Auf der Basis der von diesen Fühlern 35, 36 gelieferten Signale steu­ ert das Solaranlagen-Regelgerät 25 den Betrieb der Pumpe 19.

Wie aus Fig. 2 deutlich wird, sind der Warmwasser-Wärmetauscher 7 und der Heizungs-Wärmetauscher 8 als langgestreckte Röhren-Wärmetauscher ausgebildet, die seitlich an das Gehäuse 41 des Brauchwasserspeichers 3 angeflanscht sind. Die Konstruktion dieser Röhren-Wärmetauscher mit so­ genannten "schwimmenden Dornen" zur Vermeidung einer Verkalkung ist es aus dem europäischen Patent EP 0 571 656 B1 bekannt und bedarf hier keiner näheren Erläuterung.

In Fig. 3 ist die Entschwefelungsanlage 21 etwas detaillierter dargestellt. In ihr wird das durch die Abgasleitung 22 herangeführte Abgas in einem Was­ serbad 37 entschwefelt, wobei das Abgas mittels des Saugzuggebläses 34 durch das Wasserbad geperlt wird. Dadurch wird die Abgastemperatur von den oben erwähnten 80°C bis 100°C auf Wasserbadtemperatur (ungefähr 40°C) abgekühlt. Die dabei abgegebene thermische Energie kann über Wärmetauscherwendeln 38 dem Heizsystem zugeführt werden, in dem das Rücklaufwasser des Heizkreislaufes zunächst die Wendel 38 im Wasserbad 37 und anschließend noch entsprechende Wärmetauscher-Röhren 39 im Brauchwasserspeicher 3 durchströmt. Ferner ist in Fig. 3 ein Kondensat- Ablauf 40 gezeigt.

Claims (8)

1. Speicherheizvorrichtung zur energiesparenden Beheizung und Warm­ wasserbereitung insbesondere zum Einsatz bei Ein- und Mehrfamilienhäu­ sern, mit

• - einem Brenner (2) in Form eines Porenbrennwert-Gerätes, das in einem Primär-Heizkreislauf (4) angeordnet ist,
• - einem Heizungs-Wärmetauscher (8), der den Primär-Heizkreislauf (4) mit einem Sekundär-Heizkreislauf (9) thermisch koppelt,
• - einem Brauchwasserspeicher (3) zur Vorhaltung von Brauchwasser in einem Brauchwasser-Leitungssystem (11),
• - einem Warmwasser-Wärmetauscher (7), der den Primär-Heizkreislauf (4) mit dem Brauchwasser-Leitungssystem (11) nach Art eines Durchlauf­ erhitzers thermisch koppelt, und
• - einem Brauchwasser-Wärmetauscher (14), der im Brauchwasserspeicher (3) angeordnet und primärseitig mit einer Sonnenkollektor-Anlage (16) koppelbar ist.

2. Speicherheizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Porenbrennwert-Gerät (2) direkt auf dem Brauchwasserspeicher (3) sitzt.

3. Speicherheizvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung (22) des Porenbrennwert-Gerätes (2) durch den Brauchwasserspeicher (3) geführt ist.

4. Speicherheizvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung (22) mit einer Entschwefelungsanlage (21) versehen ist.

5. Speicherheizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brauchwasser-Wärmetauscher (14) als im unteren Teil des Brauchwasser-Speicher (3) sitzende Leitungswendel (15) ausge­ bildet ist.

6. Speicherheizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizungs- und Warmwasser-Wärmetauscher (8, 7) an das Gehäuse (41) des Brauchwasserspeichers (3) angeflanscht sind.

7. Speicherheizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizungs- und Warmwasser-Wärmetauscher (8, 7) primärseitig in Reihe hintereinandergeschaltet sind.

8. Speicherheizvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizungs-Wärmetauscher (8) strömungstechnisch hinter dem Warmwasser-Wärmetauscher (7) angeordnet ist.