DE202009018196U1 - Highly efficient, solar-assisted condensing gas storage heater for liquid or gaseous fuels for generating domestic hot water and heating heat for space heating - Google Patents
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Abstract
Hocheffizientes, solarunterstütztes Brennwert-Speicherheizgerät für flüssige oder gasförmige Brennstoffe zur Erzeugung von Trinkwarmwasser und Heizwärme zur Raumheizung, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zylindrischen, stehenden Wasserspeicher, der • im oberen Teil eine Warmzone aufweist, die für mindestens eine Trinkwarmwasser-Spitzenzapfung ausreichend Wärme bevorratet, und aus deren unterem Bereich Heizwarme zur Raumheizung ausgekoppelt werden kann, die mittels Mischer auf die jeweils erforderliche Vorlauftemperatur gemischt wird, • etwa im mittleren Teil einen Feuerraum aufweist, der die Warmzone nach unten begrenzt und diese entsprechend der geforderten Solltemperaturen für Trinkwarmwasser und Raumheizung über Naturumlauf erwärmt. Im Feuerraum befindet sich der Brenner, der mit kleinstmöglicher Brennerleistung und dadurch langen Brennerlaufzeiten betrieben wird, • im unteren Teil eine insbesondere durch bei Trinkwarmwasserzapfung nachströmendes kaltes Trinkwasser erzeugte Kaltzone aufweist, in der ein Abgaswärmetauscher sowie ein Solarwärmetauscher angeordnet ist, die Heizgase nach Verlassen des Feuerraums in dem in der Kaltzone angeordneten Abgaswärmetauscher abwärts geführt und...Highly efficient, solar-assisted condensing storage heater for liquid or gaseous fuels for the generation of domestic hot water and heating for space heating, characterized in that in a cylindrical, standing water storage tank, which • has a warm zone in the upper part, which stores sufficient heat for at least one domestic hot water tap , and from the lower area of which heating heat can be extracted for room heating, which is mixed by means of a mixer to the required flow temperature, • has a combustion chamber in the middle part, which limits the warm zone downwards and this according to the required target temperatures for domestic hot water and room heating Natural circulation warmed. The burner, which is operated with the lowest possible burner output and therefore long burner runtimes, is located in the combustion chamber. • The lower part has a cold zone, in particular generated by cold drinking water flowing in during domestic hot water tapping, in which an exhaust gas heat exchanger and a solar heat exchanger are arranged, the heating gases after leaving the combustion chamber led downwards in the exhaust gas heat exchanger arranged in the cold zone and ...
Description
Technisches GebietTechnical area
Die hier beschriebene Erfindung gehört zum Gebiet von speichernden Wärmeerzeugungseinrichtungen zur Gewinnung von Wärme zur Trinkwarmwassererzeugung und Raumheizung, befeuert mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen unter Ausnutzung der latenten Wärme im Heizgas (Brennwerttechnik), unterstützt durch die Nutzung von Solarenergie.The invention described here belongs to the field of storage heat generating devices for obtaining heat for domestic hot water production and space heating, fired with liquid or gaseous fuels using the latent heat in the heating gas (condensing technology), supported by the use of solar energy.
Stand der Technik und Mängel bisher bekannter AusführungenState of the art and shortcomings of previously known designs
Solarunterstützte Wärmeerzeugungsanlagen für flüssige oder gasförmige Brennstoffe, die der Trinkwarmwassererzeugung und Raumheizung in Wohngebäuden dienen, bestehen üblicherweise aus einem Heizkessel, der zunächst Heizwasser erwärmt, und einem gesonderten Trinkwarmwasserspeicher, der über das Heizwasser erwärmt wird. Ferner sind für die thermische Solaranlage weitere Speicherzonen für Trinkwarmwassererzeugung und Heizwasserpufferung erforderlich, wodurch ein zusätzlicher Platzbedarf sowie deutlich höhere Kosten entstehen. Die geringen Temperaturen des bei Trinkwarmwasserzapfung nachströmenden Kaltwassers (rund 10°C) werden dabei zwar für einen effizienten Betrieb der Solaranlage, nicht aber für einen effizienteren Betrieb des Heizkessels durch Auskühlung der Heizgase genutzt. Platzsparende Heizkessel mit geringen Wasserinhalten sind darüber hinaus aus sicherheitstechnischen Gründen (Sicherstellung eines Mindestvolumenstroms) mit dem Nachteil einer maximalen Temperaturspreizung behaftet, wobei die sich ergebende Mindestrücklauftemperatur deutlich oberhalb der des nachströmenden Kaltwassers liegt. Selbst Brennwertkessel weisen diese Einschränkungen auf und lassen so ein erhebliches Potential zur Effizienzsteigerung ungenutzt.Solar-assisted heat generation systems for liquid or gaseous fuels, which serve domestic hot water production and space heating in residential buildings, usually consist of a boiler, which first heats heating water, and a separate domestic hot water tank, which is heated by the heating water. Furthermore, additional storage zones for domestic hot water production and Heizwasserpufferung are required for the thermal solar system, creating additional space and significantly higher costs. The low temperatures of the incoming cold water (around 10 ° C) during domestic hot water tapping are indeed used for efficient operation of the solar system, but not for more efficient operation of the boiler by cooling the hot gases. Space-saving boilers with low water contents are also for safety reasons (ensuring a minimum volume flow) afflicted with the disadvantage of a maximum temperature spread, the resulting minimum return temperature is well above that of the inflowing cold water. Even condensing boilers have these limitations and thus leave a considerable potential for increasing efficiency unexploited.
Ferner zielen Geräte nach derzeitigem Stand der Technik darauf ab, die Trinkwarmwassererzeugung nur für kurze Zeit (ca. 15–45 Minuten) zu betreiben, um danach wieder für den Heizbetrieb verfügbar zu sein. Dies führt zu deutlich höherer Nennleistung des Heizgerätes als für die Raumheizung erforderlich, sowie zu relativ kleinen Speichergrößen. Ferner besteht dann der Nachteil, dass der Modulationsbereich der Brennerleistung nicht oder nur teilweise zur Anpassung an geringeren Heizleistungen zur Verfügung steht.Furthermore, state-of-the-art devices aim to operate domestic hot water only for a short time (about 15-45 minutes), after which they will be available again for heating. This leads to significantly higher rated power of the heater than required for space heating, as well as to relatively small memory sizes. Furthermore, there is the disadvantage that the modulation range of the burner power is not or only partially available for adaptation to lower heat outputs available.
Ein weiterer Nachteil solcher kompakter, mit kleinen Wärmetauscherflächen ausgestatteten Brennwertgeräte zur Raumheizung ist der hohe wasserseitige Druckverlust zur Erreichung einer turbulenten Durchströmung für bessere Wärmeübergänge, welcher wiederum hohe hydraulische Leistungen (und damit hohe elektrische Pumpenleistungen) erfordert.Another disadvantage of such compact, equipped with small heat exchange surfaces condensing boilers for space heating is the high water-side pressure loss to achieve a turbulent flow for better heat transfer, which in turn requires high hydraulic power (and thus high electrical pump power).
Bei zunehmend verbessertem Wärmeschutzstandard der Wohngebäude erhöht sich der Anteil der Trinkwarmwassererzeugung gegenüber dem Anteil der Raumheizung stets, so dass die Gesamteffizienz der Geräte zunehmend durch die geringe Effizienz der Trinkwarmwassererzeugung beeinträchtigt wird.With increasingly improved thermal insulation standards of residential buildings, the proportion of domestic hot water production compared to the proportion of space heating always increases, so that the overall efficiency of the appliances is increasingly affected by the low efficiency of domestic hot water production.
Es bestehen bislang nur wenige Ansätze, die genannten Mängel durch die Kombination folgender Maßnahmen in einem einzigen Gerät zu beheben:
- • Bevorratung von Wärme in Form eines erwärmten Speichermediums anstelle erhöhter Brennerleistungen zur Deckung von Bedarfsspitzen,
- • Integration des Feuerraums mit Brenner in das Gerät,
- • Schaffung einer Kaltzone zur Auskühlung der Heizgase unter die Rücklauftemperatur des Heizmediums (verbesserter Brennwertbetrieb),
- • Integration einer thermischen Solaranlage, die ebenfalls auf die Kaltzone arbeitet,
- • Bereitstellung sowohl von Trinkwarmwasser als auch Wärme zur Raumheizung.
- • storage of heat in the form of a heated storage medium instead of increased burner capacity to cover demand peaks,
- • integration of the combustion chamber with burner in the device,
- Creation of a cold zone for cooling the hot gases below the return temperature of the heating medium (improved condensing operation),
- • Integration of a thermal solar system, which also works on the cold zone,
- • Provision of both domestic hot water and heat for space heating.
Vergleichbare Ansätze weisen u. a. folgende Mängel bzw. Abweichungen auf:
- • Die Abwärtsführung der Heizgase im Speichermedium erfolgt nicht in einem großflächigen Wärmetauscher,
- • Eine konsequente Unterscheidung zwischen oberer Warmzone und unterer Kaltzone des Wasserspeichers, wobei z. B. kaltes Medium konsequent in die untere Speicherzone eingespeist wird, erfolgt nicht.
- • Die Frage der geringstmöglichen Brennerleistung und die damit in Zusammenhang stehende Bevorratung von Wärme in einer Warmzone, sowie die Notwenigkeit einer (ausreichend bemessenen) Kaltzone wird nicht behandelt. Diese ist aber von wesentlicher Bedeutung, da dadurch die Funktion und die Effizienz des Gerätes wesentlich bestimmt wird,
- • Die zusätzliche, technisch sinnvolle Einbindung einer thermischen Solaranlage ist meist nicht Gegenstand vergleichbarer Ansätze.
- • The downward guidance of the hot gases in the storage medium does not take place in a large-area heat exchanger,
- • A consistent distinction between upper hot zone and lower cold zone of the water reservoir, where z. B. cold medium is consistently fed into the lower storage zone does not occur.
- • The issue of the lowest possible burner output and the associated storage of heat in a hot zone, as well as the need for a (sufficiently) cold zone is not dealt with. However, this is essential because it significantly determines the function and efficiency of the device,
- • The additional, technically meaningful integration of a solar thermal system is usually not the subject of comparable approaches.
Problemstellungproblem
Die Problemstellung bestand darin,
- • die geringe Effizienz von Brennwertheizgeräten insbesondere während der Trinkwarmwassererzeugung zu beheben,
- • das Potential eines hocheffizienten Wärmeerzeugerbetriebs bei der Trinkwarmwassererzeugung auch für einen effizienteren Heizbetrieb zu nutzen,
- • die in Neubauten ab 2009 gesetzlich vorgeschriebene Nutzung regenerativer Energien in Form von Solarenergie als festen Bestandteil in das Gerät zu integrieren,
- • ein Gerät darzustellen, welches deutlich einfacher ist in Aufbau, Regelbarkeit und Herstellung als derzeitige Geräte,
- • ein Gerät darzustellen, welches kompakter und preiswerter ist als Heizgeräte mit separaten Speichern für die Trinkwarmwassererzeugung und weiteren separaten Komponenten für die solare Trinkwarmwassererzeugung und Heizungsunterstützung,
- • den Bedarf an elektrischer Hilfsenergie zu reduzieren, z. B. durch Reduzierung des wasserseitigen Druckverlustes und des regeltechnischen Aufwands,
- • durch eine der geringen Heizlast moderner Gebäude angepasste, kleinstmögliche Brennerleistung sicherzustellen, dass die Brennermodulation tatsächlich der Anpassung an kleinere Heizlasten bei steigenden Außentemperaturen dient.
- • remedy the low efficiency of condensing boilers, especially during domestic hot water production,
- • to use the potential of high-efficiency heat generator operation in domestic hot water production also for more efficient heating operation,
- • to integrate the legally prescribed use of renewable energy in the form of solar energy as a permanent component in new buildings from 2009 into the device,
- • represent a device that is much simpler in design, controllability and manufacturing than current devices,
- • to present a device that is more compact and less expensive than heaters with separate storage tanks for domestic hot water production and other separate components for solar domestic hot water production and heating support,
- • reduce the need for electrical power, eg. B. by reducing the water-side pressure loss and the control engineering effort,
- • To ensure the lowest possible burner output, adapted to the low heat load of modern buildings, so that the burner modulation actually adapts to smaller heating loads with increasing outside temperatures.
Lösung des Problemsthe solution of the problem
Der grundlegende Gedanke ist ein Gerät, welches auf dem Prinzip eines direktbefeuerten Warmwasserspeichers beruht, womit zunächst alle schädlichen Effekte, die mit geringen Wasserinhalten herkömmlicher Heizgeräte im Zusammenhang stehen (hoher Druckverlust, Begrenzung der Spreizung, Mindestrücklauftemperatur, regeltechnischer Aufwand, Leistungszuschlag für Trinkwarmwassererzeugung etc.) behoben sind.The basic idea is a device that is based on the principle of a direct-fired hot water tank, which initially all harmful effects associated with low water content of conventional heaters (high pressure drop, limitation of spread, minimum return temperature, technical control effort, performance premium for drinking water production, etc.) are fixed.
Darauf basierend waren zu integrieren:
- • Feuerraum mit Brenner für flüssige oder gasförmige Brennstoffe mit kleinstmöglicher Brennerleistung und modulierender Betriebsweise zur Erreichung langer Brennerlaufzeiten, wodurch sich das Gerät insbesondere für Gebäude mit hohem Wärmeschutzstandard (bzw. kleinen Heizlasten) eignet,
- • Mindestens zwei Temperaturzonen (Warm- und Kaltzone)
- • Abgaswärmetauscher in der unteren Kaltzone des Speichers zur weitgehenden Ausnutzung der sensiblen und insbesondere latenten Restwärme im Heizgas (Brennwerttechnik) in allen Betriebszuständen (Heiz- und Trinkwarmwasserbetrieb),
- • Möglichkeit der Auskopplung von Trinkwarmwasser und Heizwärme,
- • Möglichkeit der Nutzung von thermischer Solarenergie.
- • combustion chamber with burner for liquid or gaseous fuels with the lowest possible burner output and modulating operation to achieve long burner run times, making the unit particularly suitable for buildings with high heat protection standard (or small heating loads),
- • At least two temperature zones (hot and cold zones)
- • Exhaust gas heat exchanger in the lower cold zone of the store for the extensive utilization of the sensitive and in particular latent residual heat in the heating gas (condensing boiler technology) in all operating states (heating and domestic hot water operation),
- • Possibility of extracting domestic hot water and heating heat,
- • Possibility of using solar thermal energy.
Der Speicher kann Trinkwasser oder alternativ – z. B. aus hygienischen Gründen – Heizwasser bevorraten, mittels welchem in einem weiteren Wärmetauscher beliebiger Bauart (z. B. integrierter Wärmetauscher nach dem Durchflußprinzip oder externer Wärmetauscher als sogenannte Frischwasserstation) Trinkwarmwasser erzeugt wird. In beiden Fällen wird die untere Speicherzone (Kaltzone) ausgekühlt: im ersten Falle durch kaltes Trinkwasser, welches bei Trinkwarmwasserzapfung direkt in die Kaltzone nachströmt, im zweiten Falle durch Heizwasser, welches durch Wärmetausch mit nachströmendem kaltem Trinkwasser abgekühlt wurde. Das Grundprinzip, sowohl dem Abgaswärmetauscher als auch dem Solarwärmetauscher kaltes Speichermedium zum Wärmeaustausch und zur hocheffizienten Energieausnutung anzubieten, und dies in allen Betriebszuständen, bleibt in beiden Fällen bestehen.The store can drinking water or alternatively -. B. for reasons of hygiene - store heating water by means of which in another heat exchanger of any type (eg integrated heat exchanger according to the flow principle or external heat exchanger as a so-called fresh water station) drinking water is generated. In both cases, the lower storage zone (cold zone) is cooled: in the first case by cold drinking water, which flows in hot water tap directly into the cold zone, in the second case by heating water, which has been cooled by heat exchange with nachströmendem cold drinking water. The basic principle of offering both the exhaust gas heat exchanger and the solar heat exchanger cold storage medium for heat exchange and for highly efficient energy utilization, and this in all operating conditions, remains in both cases.
Durch kleinstmögliche Brennerleistung erfolgt die Aufheizung der Kaltzone sehr langsam, so dass für lange Zeiträume (viele Stunden, idealerweise bis zur nächsten Spitzenzapfung mit erneuter Auskühlung der Kaltzone) eine Abkühlung der im Abgaswärmetauscher abwärtsströmenden Heizgase bis unterhalb der Heizkreis-Rücklauftemperaturen möglich ist.By minimizing the burner output, the heating of the cold zone is very slow, so that for long periods (many hours, ideally until the next peak tapping with renewed cooling of the cold zone) a cooling of the downstream flowing in the exhaust gas heat exchanger heating gases below the heating circuit return temperatures is possible.
Damit arbeiten Brenner und Solaranlage erstmals nach dem gleichen Prinzip: Die Aufheizung des Speichermediums wird durch lange Ladezeiten und geringe Wärmeerzeugerleistungen erreicht. Die Solaranlage als auch die Heizgase (nach Verlassen des Feuerraums) arbeiten auf die Kaltzone, deren niedrige Temperaturen eine weitgehende Abkühlung der Heizgase und damit eine hohe Wärmeausnutzung des Brennstoffs (Heizperiode) ebenso zulassen wie einen effizienten Betrieb der Solaranlage durch geringe Systemtemperaturen (Sommerbetrieb), und zwar unabhängig davon, ob sich das Gerät im Heiz- oder Trinkwarmwasserbetrieb befindet. Es ist dann möglich (und beabsichtigt), dass das Heizgas im Heizbetrieb eine niedrigere Temperatur als der Heizkreis-Rücklauf erreicht.For the first time, the burner and the solar system work according to the same principle: The heating of the storage medium is achieved by long charging times and low heat generator capacities. The solar system as well as the heating gases (after leaving the combustion chamber) work on the cold zone, whose low temperatures allow a substantial cooling of the hot gases and thus a high heat utilization of the fuel (heating period) as well as an efficient operation of the solar system by low system temperatures (summer operation), regardless of whether the device is in heating or DHW mode. It is then possible (and intended) that the heating gas in heating operation reaches a lower temperature than the heating circuit return.
Aufgrund der großen Wassermengen, die den Feuerraum und den Abgaswärmetauscher in der Kaltzone des Speichers umgeben, können sicherheitstechnische Maßnahmen zur Zwangsdurchströmung des Wasserraums entfallen. Stattdessen wird das Schwerkraftprinzip zur wasserseitigen Umströmung der Wärmetauscher unter Fortfall elektrischer Hilfsenergie (Pumpenleistung) genutzt. Große Wärmetauscherflächen sind realisierbar.Due to the large amounts of water surrounding the combustion chamber and the exhaust gas heat exchanger in the cold zone of the storage, safety measures for forced flow through the water space can be omitted. Instead, the principle of gravity is used for water-side flow around the heat exchanger with elimination of electrical auxiliary power (pump power). Large heat exchanger surfaces can be realized.
Folgende Maßnahmen werden in dem hier beschriebenen Gerät kombiniert:
- 1. Die Brennerleistung wird auf eine kleinstmögliche Leistung, nahe dem jeweiligen Wärmebedarf für die Raumheizung, begrenzt. Leistungszuschläge für die Trinkwarmwassererzeugung können minimiert werden, da das Gerät große Wärmemengen vorhält. Brennerstarts werden minimiert.
- 2. Das Speichervolumen wird so bemessen, dass Bedarfsspitzen (insbesondere des Trinkwarmwasserbedarfs) über das Speichervolumen und nicht über die Wärmeerzeugerleistung gedeckt werden (mindestens eine Spitzenzapfung wird komplett bevorratet). Dadurch ist es möglich, den Speicher mit geringsten Brennerleistungen über lange Laufzeiten nachzuladen.
- 3. Eine angeschlossene Solaranlage kann bei entsprechender solarer Einstrahlung die Brennerleistung bzw. die Betriebszeiten des Brenners reduzieren, bzw. den Brennerbetrieb überflüssig machen, und somit weiteren Brennstoff einsparen.
- 4. Der Feuerraum mit Brenner begrenzt die obere Warmzone des Speichers nach unten hin, wobei die Heizgase den überwiegenden Teil ihres Wärmeinhalts an das Speichermedium in der Warmzone abgeben und diese auf Solltemperatur halten. Innerhalb der Warmzone können sich, z. B. je nach Temperaturanforderungen und Anordnung der Temperaturfühler für Heiz- und Trinkwarmwasserbetrieb, weitere Schichten mit unterschiedlichen Temperaturen ergeben. Der Speicher enthält unterhalb des Feuerraums eine Kaltzone. Mit der Restwärme der Heizgase wird mittels eines Abgaswärmetauschers, der sich in dieser Kaltzone befindet, ständig kaltes Speichermedium vorgewärmt. Dadurch ist der Betrieb des Gerätes immer hocheffizient, und zwar unabhängig davon, ob es sich im Heiz- oder Trinkwarmwasserbetrieb befindet. Ebenfalls auf diese Kaltzone arbeitet ein weiterer Wärmetauscher beliebiger Bauart (integriert oder extern) zur Einkopplung von Wärme, die in Solarkollektoren beliebiger Bauart erzeugt wurde.
- 5. Heizwärme wird (je nach Speichermedium direkt oder mittels mindestens eines Wärmetauschers) aus dem Speicher ausgekoppelt. Der witterungsgeführte Betrieb, d. h. die Absenkung der Vorlauftemperatur mit steigender Außentemperatur, kann über Mischer beliebiger Bauart erfolgen.
- 1. The burner output is limited to the lowest possible power, close to the respective heat demand for space heating. Performance surcharges for domestic hot water production can be minimized because the unit holds large amounts of heat. Burner starts are minimized.
- 2. The storage volume is calculated in such a way that demand peaks (in particular of the domestic hot water requirement) are covered by the storage volume and not by the heat generator output (at least one tip tap is completely stored). This makes it possible to recharge the memory with minimum burner performance over long periods.
- 3. A connected solar system can reduce the burner output or the operating times of the burner with appropriate solar irradiation, or make the burner operation unnecessary, and thus save more fuel.
- 4. The combustion chamber with burner limits the upper warm zone of the store downwards, whereby the hot gases deliver the majority of their heat content to the storage medium in the warm zone and keep it at the set temperature. Within the warm zone, z. B. depending on the temperature requirements and arrangement of the temperature sensor for heating and domestic hot water operation, more layers with different temperatures. The store contains a cold zone below the firebox. With the residual heat of the hot gases is constantly preheated by means of an exhaust gas heat exchanger, which is located in this cold zone, cold storage medium. As a result, the operation of the device is always highly efficient, regardless of whether it is in heating or domestic hot water operation. Also on this cold zone, another heat exchanger of any type (integrated or external) works for the coupling of heat generated in solar collectors of any design.
- 5. Heating energy is (depending on the storage medium directly or by means of at least one heat exchanger) decoupled from the memory. Weather-compensated operation, ie the lowering of the flow temperature with increasing outside temperature, can take place via mixers of any type.
Erläuterung anhand dreier Ausführungsbeispiele (mit Bezug zu Fig. 1a, Fig. 1b, Fig. 1c, Fig. 2a und Fig. 2b)Explanation with reference to three exemplary embodiments (with reference to FIGS. 1 a, 1 b, 1 c, 2 a and 2 b)
Aufbau:Construction:
Zentrales Bauteil ist zunächst ein Wasserspeicher [2] mit hochwirksamem Wärmeschutz [3] zur Bevorratung von zu erwärmendem Speichermedium [1]. Darin sind untergebracht:
- • ein Feuerraum [5] mit Gebläsebrenner [4], durch den in der oberen Warmzone des Speichers definierte Solltemperaturen gehalten werden (der Feuerraum sollte Gefälle in Richtung des Abgaswärmetauschers zwecks Ableitung des Kondensates aufweisen). Die Ableitung der Abgase des Gebläsebrenners kann – in den Abbildungen nicht dargestellt – herkömmlich über Brennwert-Abgassysteme über Dach oder vorzugsweise über die Fassade erfolgen. Die Zuluft für den Gebläsebrenner kann raumluftabhängig, d. h. aus dem Aufstellraum des Gerätes, oder vorzugsweise raumluftunabhängig, d. h. über die Außenluft mittels separatem Zuluftrohr oder kombinierten Luft-Abgas-Systemen [10, 31], erfolgen.
- • ein Abgaswärmetauscher [6] zur Vorwärmung des Speichermediums in der unteren Kaltzone (Rohrwendel-Wärmetauscher, Prinzip einer Nachschaltheizfläche); das Heizgas wird danach über den Kondensatabscheider [9] in das Abgassystem [10] geführt. Der Abgaswärmetauscher weist durchgängiges Gefälle zwecks Ableitung des Kondensates auf und kann Einsätze zur Verbesserung des Wärmeüberganges enthalten,
- • ein Wärmetauscher [8] zur Einkopplung von Wärme aus einer solarthermischen Anlage [20, 21] über entsprechende Anschlüsse [22] in die Kaltzone (andere Bauarten und Anordnungen (z. B. extern) sind möglich).
- • a combustion chamber [5] with forced-air burner [4], by which the setpoint temperatures defined in the upper warm zone of the storage tank are kept (the combustion chamber should have a slope in the direction of the exhaust gas heat exchanger for the discharge of the condensate). The discharge of the exhaust gases of the fan burner can - not shown in the figures - conventionally via condensing gas systems via roof or preferably on the facade. The supply air for the fan burner can room air-dependent, ie from the installation room of the device, or preferably room air independent, ie on the outside air by means of separate Zuluftrohr or combined air-exhaust systems [10, 31], take place.
- • an exhaust gas heat exchanger [6] for preheating the storage medium in the lower cold zone (coiled tubing heat exchanger, principle of a Nachschaltheizfläche); the heating gas is then passed through the condensate trap [9] into the exhaust system [10]. The exhaust gas heat exchanger has a continuous gradient for the purpose of discharging the condensate and may contain heat transfer enhancements.
- A heat exchanger [8] for coupling heat from a solar thermal system [20, 21] via corresponding connections [22] into the cold zone (other designs and arrangements (eg external) are possible).
Die
Die
Die
Die
Die
Trinkwarmwasser wird in diesem Falle über mindesten einen Wärmetauscher erzeugt.Domestic hot water is generated in this case via at least one heat exchanger.
Die
Die
Ferner sind in
- • die Heizkreise beispielhaft dargestellt durch eine Heizkreispumpe [17], einen Mischer [16], einen Heizkörper mit Thermostatventil [18] sowie einen Verteiler [14, 15], können jedoch auf beliebige Weise ausgeführt sein,
- • die Komponenten der thermischen Solaranlage vereinfacht und beispielhaft dargestellt durch einen Solarkollektor [21], eine Solarstation mit Umwälzpumpe, Druckabsicherung etc. [20] sowie einem Wärmetauscher [8]; der Solarkreis wird in diesem Beispiel mit einem eigenen, geschlossenen Kreislauf betrieben,
- • eine oder mehrere beliebige Zapfstelle(-n) für Trinkwarmwasser beispielhaft dargestellt durch eine Dusche [23].
- • the heating circuits are exemplified by a heating circuit pump [17], a mixer [16], a radiator with a thermostatic valve [18] and a distributor [14, 15], but can be designed in any way,
- • The components of the solar thermal system simplified and exemplified by a solar collector [21], a solar station with circulation pump, pressure protection, etc. [20] and a heat exchanger [8]; the solar circuit is operated in this example with its own closed circuit,
- • One or more taps (-n) for drinking hot water exemplified by a shower [23].
Funktion:Function:
Zunächst wird ein flüssiger oder gasförmiger Brennstoff in einem Gebläsebrenner [4] verbrannt, wobei Heizgase entstehen, deren sensible und latente Wärme es maximal auszunutzen gilt.First, a liquid or gaseous fuel is burned in a forced air burner [4], generating hot gases whose sensible and latent heat is to be exploited to the maximum.
Das hier beschriebene Gerät ist dadurch charakterisiert, dass die Heizgase zunächst einen Großteil der Heizwärme im Feuerraum [5] an das umgebende Medium [1] abgeben und so die obere, mindestens auf eine Trinkwarmwasser-Bedarfsspitze bemessene Warmzone auf Solltemperatur erwärmen, dann nach Verlassen des Feuerraums in einem Abgaswärmetauscher [6] abwärts geführt werden, wobei die im Heizgas enthaltene Restwärme auf das Speichermedium in der unteren Kaltzone übertragen wird. Dieses wird dabei vorgewärmt und bewegt sich durch das Schwerkraftprinzip aufwärts. Die Heizgase werden dabei so weit wie möglich auf das Temperaturniveau der Kaltzone abgesenkt, und zwar unabhängig davon, ob sich das Gerät im Heizbetrieb befindet oder Trinkwarmwasser nachheizt.The device described here is characterized in that the hot gases first give off a large part of the heat in the combustion chamber [5] to the surrounding medium [1] and thus heat the upper, at least to a domestic hot water demand peak measured hot zone to target temperature, then after leaving the Combustion furnace in an exhaust gas heat exchanger [6] are guided downward, wherein the residual heat contained in the heating gas is transferred to the storage medium in the lower cold zone. This is preheated and moves upwards by the principle of gravity. The hot gases are lowered as much as possible to the temperature level of the cold zone, regardless of whether the unit is in heating mode or nachwärt domestic hot water.
Zum einen wird so das Quer- bzw- Gegenstromwärmetauscherprinzip für einen guten Wärmeübergang angewandt, zum anderen verlassen die Heizgase den Abgaswärmetauscher an einer tief im Speicher angeordneten Stelle, wo deren Abkühlung nahezu auf das niedrigste Temperaturniveau der Kaltzone möglich ist. Aufgrund durchgängigen Gefälles wird das bei der Nutzung der latenten Wärme im Abgaswärmetauscher [6] entstehende Kondensat zum Kondensatabscheider [9] hin abgeleitet.On the one hand, the cross-flow and countercurrent heat exchanger principle is used for a good heat transfer, on the other hand, the hot gases leave the exhaust gas heat exchanger at a deep in the memory location where their cooling is almost possible to the lowest temperature level of the cold zone. Due to the continuous gradient, the condensate formed when using the latent heat in the exhaust gas heat exchanger [6] is discharged to the condensate separator [9].
Auf die Kaltzone des Speichers arbeitet ein weiterer Wärmetauscher zur Einkopplung von Wärme aus einer solarthermischen Anlage beliebiger Bauart [8]. Das erwärmte Speichermedium bewegt sich auch hier durch das Schwerkraftprinzip aufwärts. Die eventuell erforderliche Aufheizung des Speichermediums auf die zu erreichende Endtemperatur erfolgt erst in der oberen Warmzone, und zwar mit dem überwiegenden Teil der Brennerleistung. Dort wird das Speichermedium [1] auf Solltemperatur gehalten.On the cold zone of the memory works another heat exchanger for coupling heat from a solar thermal system of any type [8]. The heated storage medium also moves upwards by the principle of gravity. The possibly required heating of the storage medium to the final temperature to be reached takes place only in the upper hot zone, with the vast majority of the burner power. There, the storage medium [1] is kept at the set temperature.
Grundsätzlich bestehen zwei Möglichkeiten zur Heizwärmeauskopplung:Basically, there are two options for heating heat extraction:
Ausführungsvariante in
Ausführungsvariante in
In diesen Fällen, die in
Das Gerät wird damit als Brennwertgerät betrieben, wobei die Heizgastemperaturen deutlich unter denen derzeitiger Brennwertgeräte – und insbesondere häufig unterhalb der Rücklauftemperaturen des Heizsystems – liegen.The device is thus operated as a condensing boiler, the heating gas temperatures are well below those of current condensing boilers - and in particular often below the return temperatures of the heating system.
Die Effizienz dieses Gerätes (im Sinne eines geringen Brennstoffverbrauchs im Verhältnis zur erzeugten Nutzwärmemenge) ist umso besser,
- • je geringer die Brennerleistung ist,
- • je größer das Speichervolumen ist,
- • je größer der Wärmebedarf für Trinkwarmwasser im Verhältnis zum Heizwärmebedarf ist,
- • je langer die Brennerlaufzeiten sind,
- • je niedriger die Temperatur in der unteren Kaltzone bleibt, insbesondere in Zeiten hoher Heizleistung (in der zudem kein Solarertrag zu erwarten ist),
- • Je mehr solare Wärme zur Erreichung der Solltemperatur genutzt werden kann.
- • the lower the burner power,
- • the larger the storage volume,
- • the greater the heat requirement for domestic hot water in relation to the heating requirement,
- • the longer the burner run times,
- • the lower the temperature remains in the lower cold zone, especially in times of high heat output (in which no solar yield is to be expected),
- • The more solar heat can be used to reach the setpoint temperature.
Vorteile des Gerätes:
- • Das Gerät zeichnet sich durch einfachen, nachvollziehbaren Aufbau aus.
- • Das Gerät vereint Wärmeerzeuger (Heizkessel), Trinkwarmwasserspeicher und Solarspeicher und besitzt dadurch einen sehr geringen Platzbedarf sowie sehr geringe Bereitschaftsverluste.
- • Bedarfsspitzen werden in der Warmzone bevorratet und erfordern keine erhöhte Brennerleistung
- • Obwohl die Einkopplung solarthermischer Energie nur über einen einzelnen Wärmetauscher erfolgt, ist der solare Ertrag sowohl für die Trinkwarmwassererzeugung als auch für die Heizungsunterstützung nutzbar.
- • Das Gerät benötigt keine aufwändige Regeltechnik.
- • Das Gerät kann weitgehend unter Verwendung bereits verfügbarer Einzelkomponenten dargestellt werden.
- • Der zu erwartende Verkaufspreis dürfte unterhalb dem einer Kombination der Einzelgeräte Brennwertkessel + Trinkwarmwasserspeicher + Solarspeicher liegen, dagegen ist eine deutliche Effizienzsteigerung zu erwarten (mehr Effizienz ohne Mehrinvestition). Das Gerät ist damit in hohem Maße wirtschaftlich.
- • Hinsichtlich der sicherheitstechnischen Anforderungen und Betriebsbedingungen ist dieses Gerät im Vergleich zu kompakten Wärmeerzeugern nach dem Stand der Technik anspruchslos.
- • Durch die geringe Brennerleistung ist der Brennstoffverbrauch selbst bei nicht optimaler Einstellung nach oben begrenzt.
- • Das Gerät benötigt aufgrund geringster Druckverluste wenig hydraulische Leistung und damit wenig elektrische Hilfsenergie.
- • Es sind nur wenige Pumpen erforderlich.
- • Bei der Auslegung der Heizanlage für ein Gebäude muß nicht zwingend Wert gelegt werden auf kostenintensivere Heizsysteme mit geringen Systemtemperaturen (z. B. Fußbodenheizung), da die Abgastemperatur im Wesentlichen von der Temperatur in der Kaltzone, und diese wiederum vom Trinkwarmwasserbedarf bestimmt wird.
- • Aufstellung und Installation sind sehr einfach. Angeschlossen werden lediglich – Kaltwasserzulauf (Trinkwasser) und Trinkwarmwasserentnahme (ggf. Zirkulation), – Heizungsvor- und Rücklauf, – Solarkreisvor- und Rücklauf – Elektrischer Anschluß (Regelung, Pumpe, Mischer) – Abgasrohr, ggf. Zuluftrohr
- • The device is characterized by simple, comprehensible construction.
- • The unit combines heat generator (boiler), domestic hot water tank and solar storage tank and therefore has a very small footprint and very low standby losses.
- • Demand peaks are stored in the hot zone and do not require increased burner output
- • Although the solar thermal energy is only injected via a single heat exchanger, the solar yield can be used both for domestic hot water production and for heating support.
- • The device does not require complex control technology.
- • The device can largely be displayed using already available individual components.
- • The expected sales price is likely to be below that of a combination of the single units condensing boiler + domestic hot water tank + solar storage, however, a significant increase in efficiency is expected (more efficiency without additional investment). The device is thus highly economical.
- • With regard to the safety requirements and operating conditions, this device is undemanding in comparison to compact state-of-the-art heat generators.
- • Due to the low burner performance, the fuel consumption is limited even at a non-optimal setting.
- • The device requires little hydraulic power due to the lowest pressure losses and therefore little auxiliary power.
- • Only a few pumps are required.
- • When designing the heating system for a building, there is no need to emphasize more costly heating systems with low system temperatures (eg underfloor heating), as the exhaust gas temperature is essentially determined by the temperature in the cold zone, which in turn depends on the domestic hot water demand.
- • Installation and installation are very simple. Only connected - Cold water inlet (drinking water) and domestic hot water (possibly circulation), - Heating flow and return, - Solar circuit flow and return - Electrical connection (control, pump, mixer) - Exhaust pipe, possibly supply air pipe
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Speichermediumstorage medium
- 22
- SpeicherwandungSpeicherwandung
- 33
- Wärmeschutzheat protection
- 44
- Gebläsebrennerblowpipe
- 55
- Feuerraumfirebox
- 66
- AbgaswärmetauscherExhaust gas heat exchanger
- 77
- Wärmetauscher HeizwasserHeat exchanger heating water
- 88th
- SolarwärmetauscherSolar heat exchanger
- 99
- Kondensatabscheidercondensate
- 1010
- Hutritt Abgas/Anschluß an AbgassystemAccess exhaust / connection to exhaust system
- 1111
- Eintritt Trinkwasser (kalt)Entry drinking water (cold)
- 1212
- Austritt TrinkwarmwasserOutlet drinking water
- 1313
- Eintritt ZirkulationAdmission circulation
- 1414
- HeizungsvorlaufHeating flow
- 1515
- HeizungsrücklaufHeating return
- 1616
- Mischer für witterungsgeführten BetriebMixer for weather-controlled operation
- 1717
- HeizkreispumpeHeating circuit
- 1818
- Heizkörper, symbolisch für beliebige Wärmeübergabe an RaumRadiator, symbolic of any heat transfer to room
- 1919
- Zirkulationspumpe (optional)Circulation pump (optional)
- 2020
- SolarpumpengruppeSolar pump group
- 2121
- Solarkollektorsolar collector
- 2222
- Anschluß Solarkreis an SolarwärmetauscherConnection of solar circuit to solar heat exchanger
- 2323
- Zapfstelle TrinkwarmwasserTap hot water
- 2424
- Vorlauf TrinkwarmwassererzeugungSupply of drinking water
- 2525
- Rücklauf TrinkwarmwassererzeungReturn DHW watering
- 2626
- Wärmetauscher zur TrinkwarmwasserbereitungHeat exchanger for domestic hot water production
- 2727
- Rücklaufeinspeisung mit SchichtladeeinrichtungReturn feed with stratified charging device
- 2828
- zweiter Wärmetauscher Heizwassersecond heat exchanger heating water
- 2929
- Mischer zur Einbindung des zweiten Wärmetauschers HeizwasserMixer for integration of the second heat exchanger heating water
- 3030
- Anschluß Vorlauf vom zweiten Wärmetauscher Heizwasser (alternativ)Connection flow from the second heat exchanger heating water (alternative)
- 3131
- Verbrennungsluftzuführung zum BrennerCombustion air supply to the burner
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-
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R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20121026 |
|
R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years | ||
R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years | ||
R071 | Expiry of right |