DE19802669A1 - Heizsysteme mit Raumwärmeversorung aus dem Warmbrauchwasserspeicher - Google Patents

Description

Beschreibung der Ausrüstung

Das Heizsystem besteht im wesentlichen aus zwei Hauptkomponenten.

• a.) Wärmeerzeuger (in dieser Beschreibung ist Gas als Brennstoff vorausgesetzt) Öl und Festbrennstoffe sind auch möglich.
• b.) Warmbrauchwasserspeicher

zu a.) Der Wärmeerzeuger beinhaltet:
Gehäuse Pos.

7

; Brenner Pos.

3

; Wärmetauscher Pos.

5

; Abgasanlage Pos.

1

; Steuer- und Regeleinrichtung Pos.

10

zu b.) Der Warmbrauchwasserspeicher ist ein Speicher mit den üblichen Anschlüs­ sen, Kaltwassereinlauf unten, Warmwasserauslauf oben und Zirkulationsan­ schluß (die Anschlußhöhe für die Zirkulationsleitung ist abhängig von der Nutzungsart des Speichers). Der fest eingebaute oder herausnehmbare Wär­ metauscher Pos.

22

, ist im oberen Teil des Warmbrauchwasserspeichers ein­ gebracht und befindet sich somit im wärmsten Brauchwasser.

Die Anschlüsse dieses Wärmetauschers sind der Vor- und Rücklaufanschluß Pos. 21 und 23 für das Raumheizsystem.

Zwischen Wärmeerzeuger und dem Warmbrauchwasserspeicher gibt es zwei Verbindungsleitungen durch die das Brauchwasser von der Speicherlade­ pumpe vom Speicher durch den Wärmetauscher und wieder zum Speicher gefördert wird.

Der Kaltwassereintritt in die Vorlaufverbindungsleitung ist weit im unteren Bereich des Speichers und somit immer im kältesten Brauchwasser Pos. 27. Der Warmwassereintritt aus der Rücklaufverbindungsleitung Pos. 15a be­ befindet sich ganz oben im Speicher und somit im wärmsten Brauchwasser. Die von der Speicherladepumpe geförderte Wassermenge und die Brenner­ leistung werden vom Heizungsmanager Pos. 10 so geregelt, daß am Wärme­ tauscherausgang Pos. 4 die Wassertemperatur die eingestellte Gradzahl hat (z. B. fest eingestellt auf 65 Grad oder elekt./digital geregelt).

Die wesentliche Führungsgröße für den Heizungsmanager ist die Temperatur des Brauchwassers auf der Speicherhöhe von etwa Pos. 25a. Diese An­ ordnung der Führungsgröße bewirkt daß der untere Teil des Speichers nicht aufgeheizt wird, bzw. nicht mit Absicht aufgeheizt wird.

Beschreibung der Funktion 1. Ladevorgang des Brauchwasserspeichers

Die Speicherladepumpe Pos. 9 fördert aus dem unteren Teil des Speichers Pos. 27 Wasser durch den Wärmetauscher Pos. 5 in den oberen Teil des Speichers (Schichtenspeicher) und lädt so den Speicher auf. Die Brenner­ leistung und geförderte Wassermenge sind dabei so geregelt, daß die Was­ sertemperatur am Wärmetauscheraustritt immer die gleiche ist (z. B. einge­ stellt auf 65 Grad). Der Speicherladevorgang läuft solange, bis die Tempera­ tur im unteren Bereich des Speichers (auf der Höhe der Pos. 25a; ist abhän­ gig von der Speicherhöhe und einem ev. zweiten oder dritten Wärmetausch­ ers) den eingestellten Wert (z. B. 60 Grad oder elektronisch geregelt) erreicht hat.

2. Nachladevorgang des Brauchwasserspeichers

Sinkt die Temperatur im Speicher z. B. durch Stillstandsverluste, durch Brauchwasserentnahme oder durch Wärmeentnahme über den Wärme­ tauscher für das Heizungssystem, wird über den oder die Temperaturfühler im unteren Bereich des Speichers (in der Höhe von Pos. 25a) die Nachladung in Gang gesetzt. Somit wird sichergestellt, daß im Brauchwasserspeicher immer die eingestellte Temperatur von z. B. 60 bzw. 65 Grad konstant vorhanden ist, unter Berücksichtigung der einstellbaren Schaltdifferenz der Thermostate.

3. Regelung der Brauchwassertemperatur für die Warmwasserzapfstellen

Da die Brauchwassertemperatur zu hoch sein kann, bzw. um die Schaltdiffe­ renz schwangt, wird zur Regulierung der Brauchwassertemperatur ein ent­ sprechendes, handelsübliches 3-Wege-Mischventil in den Warmwasseran­ schluß (Brauchwasser) eingesetzt, wobei auch eine Zirkulationsleitung be­ trieben werden kann.

4. Heizungsbetrieb

Zum Betrieb der Heizung (Heizflächen, Raumheizung) wird über den Wärme­ tauscher im Speicher die benötigte Wärme dem Brauchwasser entnommen und dem Heizungssystem zugeführt. Dabei ist die Vorlauftemperatur (Tempe­ ratur vor dem Mischer) immer gleich der Temperatur im Speicher, bzw. um das Delta-T geringer, und ist abhängig von der Dimensionierung der Heiz­ fläche des Speicherwärmetauschers Pos. 22.

5. Beispiel für eine Regelung

Der Brenner arbeitet modulierend mit zwei Führungsgrößen

• a) die Warmwasserauslauftemperatur am Wärmetauscherausgang Pos. 4
• b) die Warmwassertemperatur im Speicher auf der Höhe von Pos. 25a

zu a) Die von der Speicherladepumpe geförderte Wassermenge und die Brenner­ leistung sind so zu regeln, daß ganz gleich bei welcher Wasserdurchlauf­ menge, die Wassertemperatur am Wärmetauscherausgang so hoch ist, wie die erforderliche Brauchwassertemperatur.
zu b) Nähert sich die tatsächliche Temperatur dem Sollwert, wird von der Speicher­ ladepumpe weniger Wasser gefördert.

100% Wassermenge entsprechen auch 100% Brennerleistung und die klein­ ste Brennerleistung entspricht der kleinsten geförderten Wassermenge.

Das Dreiwegeventil Pos. 13 (optional) bewirkt daß nur Wasser mit dem ein­ gestellten Wert in den oberen Teil des Speichers gelangt und bei niedrigerer Wassertemperatur eine Beimischung bewirkt, ähnlich einer Rücklaufanhe­ bung, oder über den Rücklauf Pos. 15b das Wasser dem Speicher zugeführt wird. Mit der gleichen Regelung kann eine generelle Temperaturanhebung bewirkt werden mit der Folge, daß Abgase nicht mehr so tief abgekühlt wer­ den, und das Gerät daher an einen normalen Kamin angeschlossen werden kann. Um in diesem Fall die 100% Brennerleistung auszunutzen, muß die Ladepumpe auf größere Fördermenge eingestellt werden. Eine Ausführung dieser Art erlaubt, durch Änderung von nur zwei Faktoren (Umstellen) ein und das selbe Gerät als normalen Wärmeerzeuger am Kamin oder als Brennwert­ gerät an eine Abgasanlage zu betreiben. Auch eine spätere Umstellung ist machbar.

Anmerkungen 1. Bezüglich Stillstand- und Auskühlverluste

Im Normalfall steht der Warmwasserspeicher ganzjährig mit ca. 60 Grad in Bereitschaft, wobei diese Erfindung nur dann etwas daran ändert, wenn die Temperatur am Speicher höher eingestellt wird, was nur an wenigen Tagen pro Jahr der Fall sein würde, wenn überhaupt, da selbst Anlagen die 80/70 ausgelegt sind, die meiste Jahreszeit mit 60/50 und weniger auskommen.

2. Vorlauftemperaturregelung des Heizungssystems (Raumheizung)

Die Anwendung dieses Systems verlangt den Einsatz eines Mischers zur Regulierung der Heizungsvorlauftemperatur. Hierin ist gegenüber dem direk­ ten Anschluß an den Wärmeerzeuger (ohne Mischeinrichtung) Vorteile zu sehen:

• a) Der Mischer regelt gradgenau, bei direktem Anschluß schwangt die Vor­ lauftemperatur um die Schaltdifferenz des Temperaturreglers für den Wärmeerzeuger.
• b) Ein weiterer Vorteil ist, daß es nach der Brauchwasserbereitung keinen Temperaturstoß in das Heizungssystem geben kann (da hydraulische Systemtrennung und Mischventil im Heizwasservorlauf).
• c) Die übliche Speichervorrangschaltung kann entfallen. Um jedoch im Aus­ nahmefall zu vermeiden, daß Wärme aus den Heizflächen der Raum­ heizung auf das Brauchwasser geführt werden, kann bei Unterschreiten einer bestimmten Temperatur im Speicher die Heizung über den Mischer und die Heizungspumpe für die Dauer der Nachladung ausgeschaltet werden.
• d) Werden für die Heizung Brauchwassertemperaturen höher der Standard­ temperatur erforderlich, kann mit einem entsprechenden Schalter oder einer Automatik die Brauchwassertemperatur geändert werden (z. B. mit einem Außenfühler).

3. Zur möglichen Verkalkung

Die Verkalkung des Wärmetauschers wird bei Speichertemperatur bis 60 Grad in etwa gleich dem konventionellen Warmwasserdurchlauferhitzer sein. Speichertemperatur höher 60 Grad bewirken verstärkte Kalkablagerungen im Wärmetauscher.

Entsprechende Vorbeugemaßnahmen sind daher:

• a) Entkalkungsanlage in der Kaltwasserzuleitung
• b) Der Wärmetauscher ist so zu gestalten, daß durch unterschiedliche ther­ misch bedingte Längenveränderungen ev. Kalkablagerung abplatzen und in den Speicher gespült werden.
• c) Der Wärmetauscher ist so zu gestalten, daß die wasserführenden Teile für eine mechanische Reinigung (z. B. rotierende Bürste) zugänglich sind.
• d) Hinweis: Die wiederholte Aufheizung des Brauchwassers führt nicht zu verstärkter Kalkablagerung (da es sich um das gleiche Wasser handelt). Das Brauchwasser gibt beim ersten Aufheizen den gebundenen Kalk ab; bei wiederholter Aufheizung nicht mehr.
• e) Die Regelung dann so gestaltet werden, daß nach abschalten des Bren­ ners die Ladepumpe Pos. 9 kurz nachläuft und den Wärmetauscher Pos. 5 abkühlt, um so die Kalkablagerung zu verhindern.
• 4. Der Wärmeerzeuger kann über dem Speicher, neben dem Speicher und tiefer als der Speicher (unter dem Speicher) angeordnet werden.

Einsatzgebiete dieses Systems 1. An Heizungsanlagen mit Vorlauftemperaturen bis 55 Grad

Im Normalfall sollte dieses System nur eingesetzt werden an Heizungsan­ lagen, die auf Vorlauftemperaturen bis 55 Grad ausgelegt sind.

2. An Anlagen mit höheren Vorlauftemperaturen

Durch höhere Einstellung der Brauchwassertemperatur wird auch die Vor­ lauftemperatur der Heizung erhöht (die Warmwassertemperatur an der Zapfstelle wird dadurch nicht beeinflußt, da ein entsprechendes Mischventil in der Warmwasserleitung installiert werden kann).

Bezugszeichenliste

1

Abgase zum Kamin bzw. zur Abgasanlage

2

Frischluft für Verbrennung (raumluftabhängig oder raumluftunabhängig)

3

Vertikalbrenner (Flächenbrenner) alternativ Öl- Gas- Gebläsebrenner

4

Meßpunkt für Führungsgröße der Vorlauftemperatur

5

Wärmetauscher (direkter Wärmetauscher)

5

a indirekter Wärmetauscher (nur auf

Bild

2 dargestellt)

6

Kaltwassereintritt am Wärmetauscher

7

Wärmeerzeuger - Gehäuse

8

Siphon und Kondensatablauf

9

Speicherladepumpe

10

Heizungsmanager, Regelung, Steuerung, Flammüberwachung und Sicherheitseinrichtung

11

Anschluß - T-Stück für Beimischung (optional)

11

a Absperrvorrichtung (optional)

11

b Absperrvorrichtung (optional)

12

Anschluß Gasleitung

13

3-Wege-Ventil mit Verstellvorrichtung (optional)

14

Vorlauf-Verbindungsleitung von Speicher zu Wärmeerzeuger

15

a Rücklauf a vom Wärmeerzeuger zum Speicher

15

b Rücklauf b vom Wärmeerzeuger zum Speicher

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Anschluß-Zirkulation

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Anschluß-Rücklauf

18

Warmwasseranschluß

19

Anschluß-Vorlauf

20

Kaltwassereinlauf

21

Heizwasseranschluß Vorlauf-Raumheizung

22

Wärmetauscher für Heizwasser (Speicherwärmetauscher)

23

Heizwasseranschluß Rücklauf-Raumheizung

24

Kaltwasserzulaufrohr (außerhalb des Speichers)

25

Speicher (Behälter, Gehäuse)

25

a Einlauf von Rücklauf b

26

Kaltwassereintritt in den Speicher

27

Kaltwassereintritt (zur Ladepumpe und Wärmetauscher)

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Entleerungshahn

29

Anschluß-Alternativenergie (

Bild

4)

30

Zugeschalteter Speicher bzw. Einlaufrohr als Kaltwasserzusatzspeicher

31

Verbindungsleitung
Mi - Mischer mit Steilmotor
Hp - Heizungspumpe
VF - Vorlauffühler
ÜV - Überströmventil
HV - Heizfläche mit Raumregler
AF - Außenfühler
Reg - Regelung für Heizungspumpe, Mischer und ev. für Boilervorrangschaltung

Vorteile der Erfindung

• 1. Man kann den Warmbrauchwasserspeicher als Pufferspeicher benutzen, wobei dem Brauchwasser zugeführte Alternativenergien (z. B. Sonnenenergie) nicht nur dem Brauchwasser sondern auch der Raumheizung zur Verfügung stehen (siehe Bild 4 Pos. 29).
  Weitere Wärmetauscher ermöglichen den Anschluß weiterer Alternativenergien.
• 2. Bedingt dadurch, daß der Wärmebedarf für Niedrigenergiehäuser abnimmt sind Pufferspeicher erforderlich, welche allerkleinste Leistungsabgaben an die Raum­ heizung ermöglichen. Der Warmbrauchwasserspeicher als Pufferspeicher er­ möglicht dieses problemlos (z. B. es kann kaum ein Wärmeerzeuger wirtschaft­ lich ermöglichen Leistungsabgaben von 0,1 KW bis 20 KW zu realisieren).
• 3. Kostengünstige Erstellung des Wärmeerzeugers
  Gegenüber herkömmlichen Heizsystemen entfallen folgende Einrichtungen:
  • a) Umschaltventil bzw. die zweite Pumpe für gemischten Betrieb (Heizungs- u. Brauchwasser)
  • b) Am Wärmeerzeuger entfallen alle Heizwasseranschlüsse Die eventuellen Mehrkosten des Warmbrauchwasserspeichers fallen geringer aus als die Einsparungen am Wärmeerzeuger.
• 4. Weniger Lagerhaltung bei den Lieferanten:
  • a) Alle Wärmeerzeuger sind nur für Warmbrauchwasserbereitung ausgestattet, somit benötigt man nur einen Gerätetyp.
  • b) Die Wärmeerzeuger unterschiedlicher Leistungsgröße können mit Warm­ brauchwasserspeicher mit unterschiedlichem Inhalt beliebig kombiniert werden.
• 5. Einfache und übersichtliche Montage.
  • a) Zur Montage wird der Wärmeerzeuger aufgestellt bzw. an der Wand befestigt und mit zwei bzw. drei Leitungen brauchwasserseitig mit dem Speicher ver­ bunden. Andere wasserseitige Anschlüsse zwischen Wärmetauscher und Warmbrauchwasserspeicher entfallen.
• 6. Einfache Betriebsweise (unkompliziert) weil:
  • a) Dadurch, daß der Wärmeerzeuger nur Einrichtungen hat für eine effektive Brauchwasserbereitung ist die Funktion entsprechend übersichtlich. So kann z. B. im Störfall die Störungsursache problemlos eingegrenzt werden, wobei es nur vier grundsätzliche Problembereiche geben kann:
    • - Wärmeerzeuger/ der Speicher/ die Warmbrauchwassertemperaturregelung/­ die Wärmezuführung für Heizungsbetrieb
  Somit wird es für den Betreiber bzw. einem Monteur leicht sein den Störbe­ reich einzugrenzen
• 7. Hydraulische Systemtrennung von Heizungswasser/heizungsseitig und dem Wärmeerzeuger.
  • a) In Wärmetauschern besteht grundsätzlich die Gefahr der Schmutzablagerung und anbacken von "Schlamm" an den Wärmeübertragungsflächen. Dies wirkt sich negativ auf die Wärmeübertragung aus mit der Folge von schlechten Wirkungsgraden bis hin zum Defekt des Gerätes. Die hydraulische Trennung verhindert dieses.
  • b) Viele Heizwasser werden versetzt mit chemischen Mitteln, Adhesiven, bzw. mit eindiffundierten Stoffen, und sollen daher nicht mit dem Wärmetauschern in direkten Kontakt kommen, um Defekte auszuschließen. Die hydraulische Trennung verhindert dieses.
• 8. Die unterschiedlichen hydraulischen Widerstände in der Heizungsanlage haben keinen direkten Zusammenhang/Einfluß auf den Wärmeerzeuger.
  • a) Hochleistungswärmetauscher benötigen im Normalfall immer eine bestimmte Mindestwasserumlaufmenge, welche vom wasserseitige Widerstand des Wärmeerzeugers abhängig ist. D.h., daß bei der Dimensionierung der Heiz­ ungspumpe die Widerstände der einzelnen Komponenten berücksichtigt wer­ den müssen, wobei im Betrieb die Widerstände sich ändern und somit ein hydraulisches Problem darstellen können.
    Diese Erfindung verlegt das mögliche Problem ganz aus dem Wärmeerzeuger hinaus und begrenzt es auf die Heizungsseite, was eine deutliche Vereinfach­ ung darstellt.
• 9. Ganzjährige Brennwertnutzung
  • a) Während der Brauchwasserbereitung mit Speicher, mit integriertem Wärme­ tauscher wird mit Heizwassertemperaturen 80/70 gearbeitet. Eine Brennwert­ nutzung ist damit nicht möglich.
    Diese Erfindung ermöglicht mit dem kältesten Brauchwasser am Wärme­ tauscher die Taupunkttemperatur der Rauchgase zu unterschreiten und damit die ganzjährige Brennwertnutzung, auch, und gerade während der Brauch­ wasserbereitung.
• 10. Man kann mit dem "kältesten" Brauchwasser die Energiezuführung für die Heiz­ ungsseite bewirken, was ein entscheidender Vorteil in der Brennwertnutzung ist.
  • a) Das Wasser, welches dem Wärmeerzeuger zugeführt wird, kommt aus dem unteren Teil des Brauchwasserspeichers und hat somit die niedrigste Tempe­ ratur. Dimensionierung und Positionierung des Wärmetauschers für Heiz­ ungsbetrieb sind so zu wählen, daß durch die Temperaturschichtung im Brauchwasserspeicher das Delta-T zwischen Heizwasserrücklauf und Brauch­ wassertemperatur im unteren Bereich des Speichers nicht von Bedeutung sind.
    Die Hälfte des unteren Drittels, also das untere sechstel des Speichers wird nie aufgewärmt und wird, wenn überhaupt, die Temperatur des Heizwasser­ rücklaufs annehmen. Daher ist am Wärmetauschereingang immer die niedrigst mögliche Temperatur. Daher wird auch die niedrigst mögliche Ab­ gastemperatur erreicht.
    In dem Fall, daß an einer Zapfstelle Warmwasser entnommen wird, wird sich durch nachfließendes Kaltwasser in den unteren Teil des Speichers die Temperatur unter der Rücklauftemperatur des Heizwassers einstellen. Bedingt dadurch, daß das Brauchwasser nicht mit Heizwasser aufgeheizt wird, was ein Delta-T verlangt, sondern direkt im ersten Durchlauf im Wärme­ tauscher auf seine endgültige Temperatur gebracht wird, ist somit die Brenn­ wertnutzung ganzjährig möglich.
• 11. Es besteht die Möglichkeit der Umstellung von Brennwertnutzung auf Normal­ betrieb
  • a) Wird keine Brennwertnutzung gewünscht, so kann über ein Beimischventil zwischen Ein- und Auslauf am Wärmetauscher die Einlauftemperatur ent­ sprechend erhöht werden (Position 13/11a und 11b Alternativen).
• 12. Platzsparendes Gerät und viel Unabhängigkeit vom Aufstellplatz
  • a) Das Ausdehnungsgefäß für Heizwasser braucht nicht in der Nähe des Wärmeerzeugers installiert zu werden.
  • b) Wärmeerzeuger und Brauchwasserspeicher können in verschiedenen Räumen aufgestellt werden.

Claims (4)

1. Die von einem Wärmeerzeuger erzeugte Wärme wird auf direktem oder indirek­ tem Weg (Bild 1 und 2) einem indirekt beheizten Warmbrauchwasserspeicher zugeführt.

2. Der Warmbrauchwasserspeicher dient der Warmbrauchwasserbevorratung und -versorgung.

3. Die Wärmeversorgung der Heizung (Heizflächen, Raumheizungen) erfolgt aus diesem Warmbrauchwasserspeicher. D.h. die Energie für die Raumheizung wird mittels eines Wärmetauschers dem Brauchwasser entnommen.

4. Das dem direkten bzw. dem indirekten Wärmetauscher zugeführte Brauch­ wasser kommt aus dem kältesten Teil des Warmbrauchwasserspeichers oder aus einem zugeschalteten Speicher (Anlage 4.10 Bild 5 Pos. 30) und ist das kälteste (Warm)-Brauchwasser im System.