-
Die Erfindung betrifft eine Heizungsanlage.
-
Zum Heizen von Räumen bzw. Gebäuden und zur Warmwasserbereitung kommen verschiedenste Wärmegeräte wie beispielsweise Ölheizungen, Gasheizungen, Holzheizungen, Pelletheizungen, Wärmepumpen oder ggf. auch elektrische Heizungen zum Einsatz.
-
Bei den erst genannten Heizungen werden fossile Brennstoffe oder nachwachsende Rohstoffe (Biomasse) verfeuert.
-
Am gebräuchlichsten sind Warmwasserheizungen, bei denen Wasser als Wärmeträgermedium verwendet wird. Ein zentraler Wärmeerzeuger erwärmt das Wasser, das in den Heizkreis gefördert wird.
-
Üblicherweise geben die eingangs genannten Wärmegeräte ihre Wärme über eine Bodenheizung, über Radiatoren oder über einen Kombination von beiden an die Raumluft ab.
-
Ebenso ist es üblich, dass die eingangs genannten Wärmegeräte auch zur Warmwasserbereitung (Brauchwasser) verwendet werden.
-
Als zentrale Wärmeerzeuger sind Heizkessel bekannt, die chemische gebundene Energie in thermische Energie umwandeln.
-
Unterschieden wird dabei zwischen Heizwert- und Brennwertkesseln. Der Heizwert ist die Energie, die bei einer vollständigen Verbrennung frei wird, wenn der Wasserdampf in den Rauch- oder Abgasen nicht kondensiert. Der aus der Verbrennung entstandene Wasserdampf bleibt gasförmig.
-
Der Brennwert ist die Energie, die bei einer vollständigen Verbrennung frei wird und beinhaltet zusätzlich zum Heizwert die durch Kondensation des entstandenen Wasserdampfes freiwerdende Energie, die Kondensationswärme.
-
Bei Brennwertkesseln wird das Abgas mittels eines Abgaswärmetauschers abgekühlt, wodurch auch die Kondensationswärme des im Rauchgas enthaltenen Wasserdampfes zur Wärmebereitstellung genutzt werden kann. Je nach Brennstoffart, Verbrennungstemperatur, Sauerstoffanteil und sonstiger Faktoren entstehen bei einer Verbrennung unterschiedliche Substanzen. Wird das Abgas unter den Taupunkt abgekühlt, beginnen dessen kondensierbare Stoffe zu kondensieren. Das bei der Verbrennung anfallende Kondensat ist sauer und greift deshalb unedle Werkstoffe an. Daher muss ein alter Kamin beim Einbau eines Brennwertkessels umgebaut werden, wobei ein säurebeständiges Rohr in den Kamin eingezogen wird, durch das die Abgase nach außen geleitet werden. Bei Neubauten werden auch Kaminrohre mit säurefester Keramikbeschichtung verwendet.
-
Wegen der niedrigeren Abgastemperaturen ist der Kamineffekt im Abzug nur schwach. Deshalb haben Brennwertgeräte üblicherweise einen Ventilator eingebaut. Dieser soll den sicheren Abzug des Abgases gewährleisten. Allerdings muss dabei die in den Abgasen enthaltene Restwärme als Verlust verbucht werden, zumal die Abgase aktiv in einem säurefesten separaten Rohr mit geringem Wärmetausch durch den Kamin abgeblasen werden.
-
Für die wärmeren Abgase einer Heizwertanlage gilt das zwar nur teilweise, weil diese beim Aufsteigen im Schornsteinzug abkühlen und dabei Wärme an das Mauerwerk abgeben. Allerdings ist das Mauerwerk ein schlechter Wärmeleiter, so dass diese Wärme nur teilweise zum Heizen der anliegenden Räume beiträgt. Bei herkömmlichen Heizanlagen für Wohnhäuser mit Öl- oder Gasfeuerung gehen während der Heizperiode bis zu 20% der eingesetzten Energie über die Abgase verloren.
-
Daher wurde im Stand der Technik versucht, nach weiteren Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung zu suchen.
-
Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, die unter Aufwendung von technischer Arbeit thermische Energie in Form von Wärme aus einer Wärmequelle mit niedrigerer Temperatur aufnimmt und zusammen mit der Antriebsenergie des Kompressors als Abwärme an eine Wärmesenke mit höherer Temperatur abgibt. Innerhalb einer Wärmepumpe wird ein Fluid in einem Kreisprozess geführt. Beim Fluid handelt es sich üblicherweise um ein Kältemittel, das in Rohren z.B. durch den Boden geleitet wird. Es entsteht dabei ein Kreislauf, in dem das Kältemittel zunächst die Wärme der Umgebung (z.B. Erdwärme) aufnimmt. Da das Mittel schon bei niedrigen Temperaturen verdampft, entsteht Gas, welches dann verdichtet wird. Dabei entsteht Wärme, die zum Heizen des Hauses verwendet wird. Anschließend wird das Gas wieder entspannt, kühlt weiter ab und kann dann erneut die Umgebungswärme aufnehmen.
-
DE 3103549 A1 offenbart eine energiesparende Gebäudebeheizung mit einer Wärmepumpe des Systems Luft-Luft oder Luft-Wasser, dadurch gekennzeichnet, dass die als Wärmequelle dienende Außenluft über Spalte zwischen Gebäudewand und Fassade sowie durch Spalt zwischen Dachschalung und Dachabdeckung vom Gebläse angesaugt und über den Verdampfer ins Freie gefördert wird. Die als Heizmedium dienende Luft wird am Kondensator der Wärmepumpe aufgeheizt und zur indirekten Raumbeheizung benutzt, indem sie durch Spalte zwischen Fußboden und Fußbodenabdeckung sowie durch Spalte zwischen Wand und Abdeckung und zwischen Decke und Deckenverkleidung gefördert wird. Die als Heizmedium dienende erwärmte Luft kann jedoch auch zur direkten Beheizung der Räume verwendet werden.
-
EP 0 001 272 A1 offenbart eine Heizungsanlage mit einem Brenner für flüssige oder gasförmige Brennstoffe in Kombination mit einer Wärmepumpe, deren abzugebende Wärme über Wärmetauscher dem Rücklauf der Heizung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel in einem Wärmetauscher durch das Abgas des Brenners aufgeheizt wird. Durch die damit verbundene Abkühlung der Kesselabgase kommt es zu einem Kondensieren des im Abgas enthaltenen Wassers, indem sich die bei der Verbrennung entstandenen Schwefeloxyde als Schwefelsäure gelöst haben. Das Kondensat kann nach dem Niederschlag durch basische Zusätze neutralisiert werden, so dass das Kondensat anschließend in die Abwasserleitungen abgeleitet werden kann.
-
EP 0 094 652 A2 offenbart eine Heizeinrichtung mit einem Heizkessel, insbesondere für Öl- oder Gasbefeuerung, und mit einer Abgas-Wärmepumpe, der die Abgase des Heizkessels zuführbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wärmepumpe gebildetes säurehaltiges Kondensat durch einen Neutralisations-Behälter mit (fester) organischer Base, insbesondere wenigstens einem Erdalkalimetalloxid als Neutralisationsmittel, hindurchleitbar ist.
-
Die sich bei den bekannten Abgas-Wärmepumpen bildenden Kondensate müssen also aufwändig neutralisiert werden.
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Heizungsanlage bereitzustellen, die die vorgenannten Probleme löst, und insbesondere eine bessere Wirtschaftlichkeit und eine verbesserte Energiebilanz ermöglicht.
-
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch
eine Heizungsanlage umfassend
einen zentralen Wärmeerzeuger zur Erzeugung thermischer Energie aus der Verbrennung von fossilen oder Biomasse-Brennstoffen, wobei bei der Verbrennung Abgas entsteht;
einen Verdampfer zum Verdampfen eines Kältemittels, wobei der Verdampfer kommunikativ mit einer Abgasleitung des zentralen Wärmeerzeugers verbunden ist, so dass die zum Verdampfen des Kältemittels benötigte Energie dem Abgas des zentralen Wärmeerzeugers entnommen werden kann;
einen Verdichter zum Verdichten des dampfförmigen Kältemittels;
einen Verflüssiger zur Verflüssigung des verdichteten Kältemittels, der so konfiguriert ist, dass das Kältemittel seine Energie an Brauch- oder Heizungswasser abgeben kann, bevor es zum Verdampfer geführt wird.
-
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind der nachfolgenden Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
-
Beim zentralen Wärmeerzeuger kann es sich um eine Ölheizung, eine Gasheizung, eine Holzheizung oder um eine Pelletheizung handeln.
-
Der zentrale Wärmeerzeuger umfasst vorzugweise einen Heizkessel oder einen Brennwertkessel.
-
Der Brennstoff wird im Brenner mit (Luft-)Sauerstoff in einer kontinuierlichen Reaktion unter Wärmeabgabe verbrannt. Die Brennkammer des Kessels wird erwärmt. Rund um die Kesselkammer befinden sich Rohrleitungen, in denen Wasser die thermische Energie der Verbrennung aufnimmt und in das Heizsystem einspeist.
-
Eine Umwälzpumpe transportiert das im Heizkessel erwärmte Wasser zu den Heizkörpern. Dort gibt das heiße Wasser Wärmeenergie an die Umgebung ab und fließt nun abgekühlt zurück in den Heizkessel, wo es wieder erwärmt wird.
-
Der Weg vom Heizkessel zu den Heizkörpern wird dabei als Vorlauf bezeichnet; der Weg von den Heizkörpern zum Kessel als Rücklauf. Das darin befindliche Wasser wird als Vorlaufwasser bzw. als Rücklaufwasser bezeichnet.
-
Brauchwasser kann über einen Wärmetauscher durch Wasser des Heizkessels und/oder solarthermisch erwärmt werden.
-
Vorzugweise kommt ein Warmwasserspeicher mit integriertem (z.B. eingeschweißtem) Wärmetauscher zum Einsatz. Während der Heizperiode wird das Warmwasser mit Vorrangschaltung gegenüber der Heizung erzeugt. Im Sommer heizt der Heizkessel nur den Warmwasserspeicher.
-
Ebenso ist es bevorzugt, Brauchwasser durch eine mittels eines Sonnenkollektors erhitze Wärmeträgerflüssigkeit zu erwärmen. Die erhitzte Flüssigkeit wird vorzugweise mittels einer Pumpe an den Wärmetauscher geleitet. Dieser heizt das kalte Brauchwasser im Warmwasserspeicher auf. So kann das nun warme Wasser im Wasserspeicher aufsteigen und an den Zapfstellen abgerufen werden, während das kalte absinkt und bei Bedarf wieder durch den Wärmetauscher erwärmt werden kann.
-
Die heißen Abgase der Kessels werden über einen Auslass abgegeben und durchlaufen vorzugweise einen Abgaswärmetauscher, der wie eingangs beschrieben zur Wärmerückgewinnung genutzt werden kann (Brennwertheizung). Die Abgase werden dabei abgekühlt. Die Abgastemperatur kann beispielsweise –4°C bis +12 °C betragen. Die Abgase werden anschließend vorzugweise über ein Gebläse bzw. einen Ventilator angesaugt und gelangen zum Verdampfer, der in einen Abgaswärmetauscher integriert ist. Der Ventilator ist vorzugweise an ein Abgasrohr bzw. den Kamin angeschlossen.
-
Der Abgaswärmetauscher wird vom Abgas durchströmt. Das im Verdampfer enthaltene Kältemittel entzieht dem Abgas Energie und heizt sich dadurch auf, bis es seinen Siedepunkt erreicht und verdampft.
-
Anschließend wird das Abgas über das Abgasrohr bzw. den Kamin in die freie Umgebung abgeben.
-
Der Verdichter komprimiert das dampfförmige Kältemittel, wodurch sich dessen Temperatur zusätzlich erhöht.
-
Anschließend wird das Kältemittel im Verflüssiger kondensiert, wobei es seine Energie an das Brauchwasser oder an das Heizungswasser, insbesondere an das Heizungsrücklaufwasser, weitergibt. Der Verflüssiger ist zu diesem Zweck in einen Flüssigkeit-Flüssigkeit-Wärmetauscher integriert.
-
Dadurch wird die Abgaswärme über den Rücklauf dem Heizkessel unmittelbar wieder zugeführt. Die Erwärmung des Heizwassers im Heizkessel auf die erforderliche Vorlauftemperatur erfordert dadurch einen geringeren Energieaufwand und erfolgt relativ schnell.
-
Das abgekühlte Kältemittel wird über eine Leitung mit Expansionsventil zurück zum Verdampfer transportiert, wo der Kreislauf von neuem beginnt.
-
Die im Rahmen der Erfindung zum Einsatz kommenden Wärmetauscher können aus Rippen, Lamellen oder aus parallelen Kühlflächen aufgebaut sein.
-
In einer Ausführungsform ist die Heizungsanlage mit einer Photovoltaikanlage verbunden, so dass Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Gebläse / Ventilator mit Solarstrom der Photovoltaikanlage betrieben werden können.
-
Die bezüglich der vorstehend aufgeführten Ausführungsformen, Ausführungsbeispiele bzw. Ausführungsvarianten, etc. der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegebenen Merkmale können entweder separat oder in Kombination als Ausführungsformen der Erfindung verwirklicht werden.
-
Die vorstehenden sowie weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung veranschaulicht.
-
Kurzbeschreibung der Figur
-
1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Heizungsanlage.
-
Sinken die Temperaturen im Brauchwasserspeicher und/oder im Vorlauf des Heizkreises unter definierte Grenzwerte ab, so wird der Heiz- oder Brennwertkessel durch die Brennersteuerung in Betrieb gesetzt.
-
Bei Wärmeanforderung startet der zentrale Wärmeerzeuger 1. Der zentrale Wärmeerzeuger umfasst einen Abgaswärmetauscher 7 zur Wärmerückgewinnung. Das Abgas wird bei diesem Vorgang abgekühlt. Der Abgaswärmetauscher 7 kann an alle Systeme angeschlossen werden, die über Heißwasservorratsbehälter, sogenannte Pufferspeicher, verfügen.
-
Der zentrale Wärmeerzeuger bzw. das Brennwertgerät 1 ist mit Vor- und Rücklauf 6 der Heizung verbunden, nämlich mit dem Heizungsvorlauf 8 und dem Heizungsrücklauf 9.
-
Das gekühlte Abgas wird von einem Gebläse 5 durch den Verdampfer 4 gezogen und dient als Primärenergiequelle für die Wärmepumpeneinheit 4.
-
Durch das Wärmepumpenprinzip wird die im Abgas enthaltene Restwärme diesem entzogen, hochkomprimiert und über den Verflüssiger 7 dem Heizungsrücklauf 9 zugeführt.
-
Die zum Verdampfen des Kältemittels benötigte Energie wird dabei dem Abgas entzogen.
-
Ein Verdichter 10 dient zum Verdichten des dampfförmigen Kältemittels.
-
Ein Verflüssiger 11 dient zur Verflüssigung des verdichteten Kältemittels.
-
Das Kältemittel gibt seine Energie an das Brauch- oder Heizungswasser, insbesondere über den Heizungsrücklauf 9 ab, bevor es zurück zum Verdampfer 2 geführt wird.
-
Die Wärmepumpe ist vorzugweise unmittelbar hinter einem Heizkessel angeordnet. Die Nachrüstung bestehender Anlagen ist somit problemlos möglich.
-
In den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen bzw. Ausführungsformen oder Ausführungsvarianten sind funktionell oder strukturell einander ähnliche Elemente soweit wie möglich mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Daher sollte zum Verständnis der Merkmale der einzelnen Elemente eines bestimmten Ausführungsbeispiels auf die Beschreibung anderer Ausführungsbeispiele oder die allgemeine Beschreibung der Erfindung Bezug genommen werden.
-
Im Sommerbetrieb kann die Anlage dadurch betrieben werden, dass über einen Ventilator oder ein Gebläse warme Außenluft angesaugt wird. In diesem Fall wird die warme Außenluft zum Verdampfer geführt und gibt die Energie an das Kältemittel ab. Selbstverständlich kann die Anlage im Notbetrieb auch ohne Nutzung der Abgaswärme betreiben werden. In diesem Fall liefert nur die Heizung die benötigte Energie.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist die Anlage mit einem Sonnenkollektor sowie einem zusätzlichen Wärmetauscher verbunden.
-
Die durch eine Glasplatte des Sonnenkollektors einfallenden Sonnenstrahlen treffen auf einen Solarabsorber. Beim Auftreffen der Sonnenstrahlen wird nahezu der gesamte Spektralbereich des Lichtes absorbiert. Vorzugweise ist der Kollektor allseitig wärmegedämmt.
-
Der erhitzte Absorber überträgt die Wärme auf die vorzugweise in fest mit dem Absorber verbundenen Kupfer- oder Aluminiumrohren fließende Wärmeträgerflüssigkeit.
-
Die Wärmeträgerflüssigkeit transportiert die Wärmeleistung zu einem Wärmetauscher und gibt diese an die Außenluft der Anlage ab.
-
Die erwärmte Außenluft dient dann als Energiequelle für den Verdampfer.
-
Die vorstehende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen ist exemplarisch zu verstehen. Die damit erfolgte Offenbarung ermöglicht es dem Fachmann einerseits, die vorliegende Erfindung und die damit verbundenen Vorteile zu verstehen, und umfasst andererseits im Verständnis des Fachmanns auch offensichtliche Abänderungen und Modifikationen der beschriebenen Strukturen und Verfahren. Daher sollen alle derartigen Abänderungen und Modifikationen, insoweit sie in den Rahmen der Erfindung gemäß der Definition in den beigefügten Ansprüchen fallen, sowie Äquivalente vom Schutz der Ansprüche abgedeckt sein.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Zentraler Wärmeerzeuger / Brennwertgerät
- 2
- Verdampfer (in Abgaswärmetauscher integriert)
- 3
- Kamin
- 4
- Wärmepumpeneinheit
- 5
- Gebläse
- 6
- Vor- und Rücklauf Heizung
- 7
- Abgaswärmetauscher Brennwertgerät
- 8
- Heizungsvorlauf
- 9
- Heizungsrücklauf
- 10
- Verdichter
- 11
- Verflüssiger (in Verflüssiger-Wärmetauscher integriert)
-
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 3103549 A1 [0015]
- EP 0001272 A1 [0016]
- EP 0094652 A2 [0017]
