-
Die Erfindung betrifft einen Niedertemperatur Herizkessel zur Erzeugung von Wärmeenergie für Raumheizung und/oder Trinkwarmwasserbereitung mit einer Ausnutzung der Wärmeenergie der Rauchgase bis unterhalb des Taupunkts.
-
Heizungsanlagen dieser Art an dem die Neuerung ausgebildet ist, sind nach dem Stand der Technik bekannt und bestehen aus einem im Heizungskessel angeordneten Heizwert-Wärmeaübertrager und einem nachgeschalteten Brennwert-Wärmeübertrager.
-
Ein Heizungskessel dieser Gattung ist nach den technischen Informationen der Kernforschungsanlage Jülich seit 1980 bekannt. Dieser bekannte Heizungskessel weist einen oben angeordneten keramischen Gasbrenner auf, dessen Rauchgase nach unten durch zwei hintereinander geschaltete keramische Rauchgas-Wärmeübertrager strömen. Der obere dem Brenner nächste Wärmeübertrager wird von Heizwasser durchströmt, während der nachgeordnete untere Wärmeübertrager zur Brauchwasserbereitung von Brauchwasser durchströmt wird. Die unten aus dem Wärmeübertrager austretenden Rauchgase werden über ein Sauggebläse abgesaugt. Am unteren Wärmeübertrager gebildetes Kondensat wird über einen Kondensatablaß abgeführt.
-
Der Wirkungsgrad des bekannten Heizungskessels mit Ausnutzung der Abgaswärme in den Rauchgasen ist ungünstig, da der nachgeschaltete zweite Wärmeübertrager als Durchlauferhitzer für die Brauchwasserbereitung nur dann in Funktion tritt, wenn Brauchwasser entnommen wird. Der Brenner muß jeweils gezündet werden, wenn ein Wärmebedarf, z. B. bei Brauchwasserentnahme, vorhanden ist. Besteht kein Wärmebedarf, so wird der Brenner abgeschaltet. Das Abschalten des Brenners führt jedesmal zu einem Abkühlen der Wärmeübertrager, das ein erneutes Aufheizen der Wärmeübertrager beim nächsten Zünden des Brenners notwendig macht. Dies bedeutet einen Energieverlust und macht den Heizungskessel insbesondere für die Brauchwasserbereitung träge.
-
Der Gasbrenner ist ein atmosphärischer Brenner, weshalb die Rauchgase unten am Heizungskessel mittels eines Sauggebläses abgesaugt werden müssen. Um das Absaugen der Rauchgase zu ermöglichen, muß der Heizungskessel möglichst luftdicht ausgeführt sein, was bauaufwendig ist. Außerdem verringert durch Undichtigkeiten eindringende kalte Nebenluft den Wirkungsgrad. Schließlich erzeugt das Sauggebläse unterhalb der Wärmeübertrager einen Unterdruck, der der Kondensation der Rauchgase entgegenwirkt, die im Hinblick auf eine Reduzierung der Schadstoffemission erwünscht ist.
-
Weiter sind Heizungskessel bekannt, die mit einem Gebläsebrenner betrieben werden. Der mit Überdruck betriebene Gebläsebrenner macht ein Sauggebläse zum Absaugen der Rauchgase überflüssig.
-
Die mit einem Gebläsebrenner betriebenen Heizungskessel weisen jedoch nur einen einzigen Rauchgas-Wärmeübertrager auf, der zur Heizwasserbereitung dient. Zur Brauchwasserbereitung ist ein Brauchwasserbehälter vorgesehen, der durch das im Wärmetauscher erhitzte Heizwasser erwärmt wird. Die Nachteile bestehen im ungünstigen Wirkungsgrad. Die relativ hohe Rücklauftemperatur des Heizwassers läßt eine stärkere Abkühlung der Rauchgase nicht zu, so daß einerseits die Rauchgasenergie nur teilweise ausgenützt werden kann und andererseits ein Abkühlen der Rauchgase bis zur Kondensation nicht möglich ist.
-
Nach dem weiteren bekannten Stand der Technik erfolgt die Wärmeerzeugung zumeist in einem Heizkessel auf Basis von Verbrennung gasförmiger, flüssiger oder fester Brennstoffe. Die Wärmeenergie der heißen Verbrennungsabgase wird in einem Heizgas/Wasser Wärmeübertrager auf das Kessel- bzw. Heizungswasser übertragen. In einem Vorlaufstrang wird das heiße aus dem Heizkessel kommende Vorlaufwasser den Wärmeverbrauchern zugeführt. In einem Rücklaufstrang wird das kühlere von den Wärmeübertragern zurückströmende Rücklaufwasser zurück zum Heizkessel geführt. Eine Umwälzpumpe fördert das Heizungswasser im Kreis durch die Heizungsanlage. Zwischen Vorlaufstrang und Rücklaufstrang kann eine BypassLeitung mit Dreiwege-Mischer geschaltet sein. Je nach Stellung des Dreiwege-Mischers ermöglicht das eine Umwälzung des Heizungswassers entweder nur durch die Anlage und am Heizkessel vorbei oder auch eine Umwälzung des Heizungswassers nur durch den Heizkessel oder eine Umwälzung mit Beimischung aus dem Rücklauf.
-
Moderne Heizkessel nutzen seit etwa den 1980er Jahren vielfach das Brennwertprinzip. Im Vergleich zum konventionellen Heizwertprinzip liegen die Wirkungsgrade um etwa 10% höher. Dafür werden die Verbrennungsabgase im Heizgas/Wasser-Wärmeübertrager bis unter ihre Taupunkttemperatur von etwa 55°C bei Erdghas abgekühlt, sodass die den Abgasen eigene Abgasfeuchte kondens-iert. Bei der Kondensation wird die Verdampfungsenthalpie freigesetzt und dieser Energieanteil auf das Heizungswasser im Vorlauf übertragen und somit nutzbar gemacht. In der Nähe des Brenners sind die Verbrennungsabgase und der Wärmeübertrager noch sehr heiß, eine Kondensation der Abgase ist hier noch nicht möglich. Auf ihrem weiteren Strömungsweg durch den Wärmeübertrager kühlen die Abgase jedoch immer mehr ab. Bei üblicher Wärmeübnertragerauslegung erreicht und unterschreitet die Abgastemperatur nach etwa drei Viertel des Strömungsweges den Taupunkt.
-
Die Voraussetzung für die Unterschreitung der Taupunkttemperatur, die für die Kondensation und damit für die Brennwertnutzung Voraussetzung ist, ist, dass die Temperatur des Rücklaufwasser entsprechend niedrig ist.
-
Gemäß dem Kondensationsgrad kann ein Heizgas/Wasser-Wärmeübertrager im Heizungskessel in zwei Einsatzbereiche im Heizungskessel unterteilt werden. Den Einsatzbereich im brennernahen und trockenen Heizwertbereich und den im kühleren und kondensatfeuchten Brennwertbereich.
-
Bezüglich der vorgenannten Einsatzbereiche sind hier zwischen zwei grundlegenden Kesselbauweisen zu unterscheiden, die integrierte Anordnung eines Wärmeübertragers und die baulich getrennte Anordnung von mit Abgasen durchströmten Wärmeübertragern. Bei einem integrierten Wärmeübertrager sind der Heizwert- und der Brennwertbereich zu einer baulichen Einheit zusammengefasst, während bei der baulich getrennten Variante sich ein separater, hydraulisch nachgeschalteter Brennwert-Wärmeübertrager an den Heizwertwärmeübertrager anschließt.
-
Nach der
DE 33 25 200 C1 ist ein Heizkessel bekannt, in dem zur Rauchgaswärmeausnutzung zwei oder mehrere Wärmeübertrager in Strömungsrichtung der Rauchgase hintereinander angeordent sind, die unabhängig von einander anschließbar sind und parallel zu einander mit getrennt einstellbaren Wassermengen beschickt werden können. Vorzugsweise wird der letzte Wärmeüberttrager an eine Wärmepumpe angeschlossen, so dass die Rauchgase an diesem Wärmeübertrager kondensieren können. Diese Wärmepumpe ist direkt mit dem Abgaswärmeübertrager auf der Kühlseite und mit einem Trinkwasserspeicher auf der Heizseite verbunden. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass es praktisch nicht möglich ist, einen Kaltwasservolumenstrom so einzustellen, das er sowohl im Verdampfer der Wärmepumpe, als auch auch im Abgaswärmeübertrager optimal strömt. Beide Seiten stellen unterschiedliche und wechselnde Anforderungen an den Kaltwasserstrom. Ein weiterer Nachteil liegt darin begründet, dass die Heizseite der Wärmepumpe nur Wärme abgeben kann, wenn sich der mittlere Bereich im Trinkwasser WW-Speicher permanent abkühlt. Das ist in der Praxis kaum gegeben. Die Wärmepumpe wäre dann nur wenig im Betrieb. Außerdem muss dann bei einer Leistungsanforderung aus dem WW-Speicher auch gleichzeitig ein adäquater Abgasstrom am Heizkessel vorhanden sein. Das sind zu viele Abhängigkeiten, die bei dem Einsatz einer Wärmepumpe zu beachten sind. Das ist in der Praxis nicht beherrschbar.
-
Nach der
DE 20 2007 011 120 U1 ist eine Heizungsanlage mit zwei Wärmeübertragern bekannnt geworden, von denen der eine im Heizwerttbereich und der zweite im Brennwertbereich angeordnet ist und wobei ein Rücklauf zum Heizwert-Wärmeübertrager und ein zweiter Rücklauf zum Brennwert-Wärmeübertrager vorgesehen ist. Zur Erzeugung einer hohen Rücklauftemperatur ist zwischenn den beiden Rücklaufkreisen, d. h. zwischen dem Rücklauf zum Heizwert-Wärmeübertrager und zum Brennwert-Wärmeübertrager eine Wärmepumpe mit einem Wärme aufnehmenden Verdampfer und einem Wärme abgebenden Kondenstor vorgesehen, womit dem Rücklauf zum Brennwert-Wärmeübertrager Wärme entzogen und dem Rücklauf zum Heizwert-Wärmeübertrager Wärme zugeführt werden kann. Mit dieser Lösung soll sich eine Erhöhung des Kessel-Nutzungsgrad einstellen.
-
Der Nachteil dieser Lössung besteht darin, dass in der Praxis der notwendige Teilstrom für den Brennwertbereich relativ hoch ist um eine effiziente Abgasauskühlung zu erreichen und diese Lösung zum Abkühlen des Rücklaufes zum Weinwert-Wärmeübertrager ist verfahrenstechnisch unwirtschaftlich. Um diesen relativ hohen Teilstrom signifikant abzukühlen, wären elektrisch betriebene Kompressionswärmepumpen mit hohen Kühlleistungen notwendig. Diese Lösung findet deshalb keine Anwendung weil der investive Aufwand und der elektrische Hilfsenergiebedarf in der Praxis sehr hoch und daher unwirtschaftlich ist.
-
Das Ziel der Neuerung ist zur Erhöhung des Kessel-Nutzungsgrades eine mögliche vollständige Ausnützung der Energie der Rauchgase zu erreichen und dazu die gewünschte Abgaskühlung im Kondensatbereich bei Brennwert-Heizungskessel zu erreichen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde für eine Heizungskesselanlage mit einem Heizwert-Wärmeübertrager und einem nachgeschalteten Brennwert-Wärmeübertrager durch mindestens einen weiteren nachgeschalteten Wärmeübertragerkreislauf eine mehrstufige Abkühlung des Heizgasstromes bis zur vollständigen Kondensation des bei der Verbrennung des Heizgases entstehenden und im Abgasstromes enthaltenen dampfförmigen Wassers zu realisieren und damit die Freisetzung der Verdampfungsenthalpie des Wassers, d. h. die aus dem Abgasstrom entnehmbare innere Energie des verdampfgten Wassers, vollständig wirtschaftlich zu nutzen.
-
Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß mit den Mittel der unabhängigen Ansprüche gelöst.
-
Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
-
1 ein Schaltungsschema einer erfindungsgemäß ausgebildeten Heizungsanlage mit einer einen Heizwert-Wärmeübertrager aufweisenden Kesselanlage, die zusätzlich mit einem externen ersten Brennwert-Wärmeübertrager und mit einem zweiten Brennwert-Wärmeübertrager versehen ist, wobei dieser einen Versorgungskreis mit einem Pufferspeicher aufweist,
-
2 ein Schaltungsschema einer erfindungsgemäß ausgebildeten Heizungsanlage mit einer einen Heizwert-Wärmeübertrager aufweisenden Kesselanlage, die zusätzlich mit einem externen ersten Brennwert-Wärmeübertrager und mit einem zusätzlichen externen zweiten Brennwert-Wärmeübertrager versehen ist, wobei dieser zweite Brennwert-Wärmeübertrager einen Versorgungskreis mit einem Wärmeübertrager aufweist,
-
3 ein Schaltungsschema einer erfindungsgemäß ausgebildeten Heizungsanlage mit einer einen Heizwert-Wärmeübertrager und einen internen nachgeschalteten Brennwert-Wärmeübertzrager aufweisenden Kesselanlage, die zusätzlich mit einem externen zweiten Brennwert-Wärmeübertrager ausgerüstet versehen ist, wobei dieser zweite Brennwert-Wärmeaustauscher einen Versorgungskreis mit einem Pufferspeicher aufweist.
-
Eine Heizungsanlage 1, die nach 1 und 2 erfindungsgemäß ausgestaltet ist, verfügt über einen durch den Abgasstrom von den nicht dargestellten Verbrennungsgasen beaufschlagten, angeordneten und nicht dargestellten internen Heizwert-Wärmeübertrager und über einen zusätzlichen Brennwert-Wärmeübertrager 2, der dem nicht dargestellten internen Heizwert-Wärmeübertrager extern nachgeschaltet angeordnet ist. Mit diesem Brennwert-Wärmeübertrager 2 wird das Abgas nach dem nicht dargestellten Heizwert-Wärmeübertrager in einer ersten Nachheizstufe der erfindungsgemäß ausgebildeten Heizungsanlage 1 nach 1 und 2 weiter ausgekühlt.
-
Diesem externen Brennwert-Wärmeübertrager 2 ist ein weiterer Brennwert-Wärmeübertrager 3 im Abgasstrom der Verbrennungsgase angeordnet nachgeschaltet. In dieser zweiten Nachheizstufe der erfindungsgemäß ausgebildeten Heizungsanlage 1 wird die Abgastemperatur der Verbrennungsgase weiter, und zwar bis unter Taupunkt des im Abgasstrom enthaltenen Wasserdampfes ausgekühlt.
-
In der ersten Nachheizstufe wird durch den Brennwert-Wärmeübertrager 2 ein Teilstrom aus dem Rücklauf 4 des Heizwert-Wärmeübertragerkreislaufes 5 über einen Teilstrom-Vorlauf 6 zum Brennwert-Wärmeübertrager 2 entnommen und dieser durch den Brennwert-Wärmeübertrager 2 aufgeheizt. Über einen Rücklauf 7 von dem Brennwert-Wärmeübertrager 2 wird dann dieser aufgeheizte Teilstrom wieder in den Heizwert-Wärmeübertragerkreislauf 5 eingespeist. Hierdurch wird die Rücklauf-Temperatur im Heizwert-Wärmeübertragerkreislauf 5 angehoben.
-
In der zweiten, erfindungsgemäß gestalten Nachheizstufe wird mit dem zweiten vorgesehenen Brennwert-Wärmeübertrager 3 die Temperatur im Rücklauf 4 zum Heizwert-Wärmeübertrager 1 gleichfalls, aber zusätzlich zur ersten Nachheizstufe mittels des Brennwert-Wärmeübertragers 2 angehoben, indem ein Teilstrom über einen Vorlauf 8 aus dem Rücklauf 4 des Heizkreis-Wärmeübertragerkreislauf 5 vor der Entnahme eines Teilstromes über den Teilstrom-Vorlauf 6 zum Brennwert-Wärmeübertrager 2 zur Aufheizung in der ersten Nachheizstufe entnommen wird.
-
Dieser aus dem Rücklauf 4 zum Heizwert-Wärmeübertrager 1 über einen Teilstrom-Vorlauf 8 entnommene Teilstrom wird erfindungsgemäß durch mindestens eine Wärmepumpe 9 bzw. 10 von mehreren parallelgeschalteten Wärmepumpen 9, 10 aufgeheizt, indem das Abgas durch den Brennwert-Wärmeübertrager 3 weiter ausgekühlt wird. Zum Einsatz von mindestens einer Wärmepumpe 9, 10 ist ein primärer und ein sekundärer Versorgungskreis 11, 12 vorgesehen, die durch einen Pufferspeicher 13 getrennt sind. Mit Beginn des Betriebes des Heizungskessels 1 wird durch Wärmeentzug aus den Abgasstrom über den Brennwert-Wärmeübertrager 3 eine Heizkreis-/Umwälzpumpe 14 in Betrieb gesetzt. Damit wird der Pufferspeicher 13 beaufschlagt und die Temperatur im Pufferspeicher 13 erhöht sich. Sobald der Temperaturfühler 15 im Pufferspeicher 13 einen definierten Temperaturwert erreicht hat, wird eine Kühlkreis-Umwälzpumpe 16.1 im Vorlauf 17 zum Verdampfer 18 beaufschlagt und eine Heizkreis-/Umwälzpumpe 16.2 im Vorlauf 8 zum Kondensator 19 der Wärmepumpe 9 zugeschaltet.
-
Erreicht ein im sekundären Versorgungskreis 12 vorgesehener Temperaturfühler 20 die vom Hersteller der Wärmepumpen 9, 10 vorgegebene, maximal zulässige Wärmequellentemperatur von 25 bis 35°C dann wird über ein im Versorgungskreis 12 vorgesehenes Dreiwege-/Mischventil 21 abgekühltes Wasser aus einen Rücklauf 22 in einen Vorlauf 23 des Versorgungskreises 12 zur Vermeidung einer Temperaturüberschreitung in denselben eingespeist.
-
Erhöht sich die Temperatur im Pufferspeicher 13 dann wird gesteuert vom Temperaturfühler 24 im Pufferspeicher 13 eine parallel zur Wärmepumpe 9 vorgesehene zweite Wärmepumpe 10 gemeinsam mit der Kühlkreis-/Umwälzpumpe 25.1 und der Heizkreis-Umwälzpumpe 25.2 zugeschaltet. Fällt die Temperatur im Pufferspeicher 13 wieder ab, dann wird gesteuert vom Temperaturfühler 15 die Wärmepumpe 10 und die Kühlkreis-/Umwälzpumpe 25.1 und die Heizkreis-Umwälzpumpe 25.2 abgeschaltet und bei einem weiteren Absinken der Temperatur unter 20°C im Pufferspeicher 13 wird dann gesteuert vom Temperaturfühler 15 im Pufferspeicher 13 auch die Wärmepumpe 9 und die Kühlkreis-/Umwälzpumpe 16.1 und die Heizkreis-/Umwälzpumpe 16.2 abgeschaltet.
-
Erfindungsgemäß ist nach einer Ausführungsvarante der in 1 dargestellte Pufferspeicher 13 durch einen Rekuperator 26 (Wärmeübertrager in Platten- oder Rohrbündelbauart) mit der gleichen Wirkung gemäß 2 ersetzt worden. Der Unterschied zur in 1 dargestellten Lösung besteht in Folge des Einsatzes des Rekuperators 26 darin, dass die Anlagensteuerung über einen einzigen Temperaturfühler 27 statt über zwei mit dem Pufferspeicher 13 verbundenen Temperaturfühlern 15, 24 erfolgt.
-
In 3 ist eine weitere Ausführungsvariante der Neuerung, und zwar eine unter Verwendung eines Kessels 28 mit einem nicht dargestellten integrierten Brennwert-Wärmeübertrager, der zwei Rücklaufanschlüsse 29, 30, wobei der untere Rücklauf 30 mit dem integrierten Brennwert-Wärmeübertrager verbunden ist, aufweist, offenbart. Ein Anheben der Temperatur zum mit dem Heizwert-Wärmeübertrager im Kessel 28 verbundenen Rücklauf 29 erfolgt über die Wärmepumpe 9 und ein Anheben der Temperatur im Rücklauf 30 erfolgt nach einem stufenweise Zuschalten der Wärmepumpe 10 mittels dieser. Die Schaltfolge erfolgt nach dem gleichen Ablauf mittels Temperaturfühler wie dieser in 1 offenbart worden ist.
-
Die Leistungsanpassung im Teillastbereich an dem jeweiligen Bedarfsfall kann durch eine Anordnung von mehreren Wärmepumpen zu einer Kaskade im Parallelbetrieb verbessert werden.
-
Mit der vorgeschlagenen Neuerung kann die mögliche energetische Brennstoffausnutzung, d. h. die maximale theoretisch Grenze und der Nutzungsgrad von 112% bei Erdgas erreicht werden.
-
Es werden vorzugsweise gasbetriebene Absorptions-Wärmepumpen eingesetzt, da somit nur ein Primärenergieträger (z. B. Erdgas) für die gesamte Kesselanlage erforderlich ist. Der Verbrauch dieses Primärenergieträgers reduziert sich ohne das dazu eine nennenswerte Menge von elektrischer Hilfsenergie notwendig ist, wie das bei der Verwendung von elektrisch betriebenen Kompressions-Wärmepumpen eintreten würde.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Heizungsanlage
- 2
- Brennwert-Wärmeübertrager
- 3
- Brennwert-Wärmeübertrager
- 4
- Rücklauf zum Heizwert-Wärmeübertrager
- 5
- Heizwert-Wärmeübertrager-Kreislauf
- 6
- Teilstrom-Vorlauf zum Brennwert-Wärmeübertrager 2
- 7
- Rücklauf vom Brennwert-Wärmeübertrager 2
- 8
- Vorlauf zum Brennwert-Wärmeübertrager 3
- 9
- Wärmepumpe
- 10
- Wärmepumpe
- 11
- primärer Versorgungskreislauf
- 12
- sekundärer Versorgungskreislauf
- 13
- Pufferspeicher
- 14
- Heizkreis-/Umwälzpumpe
- 15
- Temperaturfühler im Pufferspeicher 13
- 16.1
- Kühlkreis-/Umwälzpumpe
- 16.2
- Heizkreis-/Umwälzpumpe
- 17
- Vorlauf zum Verdampfer 18
- 18
- Verdampfer Wärmepumpe 9
- 19
- Kondensator Wärmepumpe 9
- 20
- Temperaturfühler
- 21
- Dreiwegemischventil
- 22
- Rücklauf aus Versorgungskreis 12
- 23
- Vorlauf Versorgungskreis 12
- 24
- Temperaturfühler am Pufferspeicher 13
- 25.1
- Kühlkreis-/Umwälzpumpe
- 25.2
- Heizkreis-/Umwälzpumpe
- 26
- Rekuperator
- 27
- Temperaturfühler am Rekuperator 26
- 28
- Heizungskessel mit integriertem Brennwert-Wärmeübertrager
- 29
- Rücklauf Heizwert-Wärmeübertrager
- 30
- Rücklauf zum integrierten Brennwertübertrager
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 3325200 C1 [0013]
- DE 202007011120 U1 [0014]
