DE2803649A1 - Heizungsanlage - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE.

Econotherm Gerätebau GmbH Ernst-Ludwig-Str. 53 6140 Bensheim

A. GRUNECKER

DIPL-ING

H. KlNKELDEY

Dd-IMO.

W. STOCKMAIR

DR - INa · AeE ICALTECHI

K. SCHUMANN

OR BER NAT. - DtPL-PHYS

P. H. JAKOB

D1PU-1W3.

G. BEZOLD

OR R£R NAt- DlFL-CHB*

8 MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE 43

P 12 386

27. Jan. 1978

Heizungsanlage

Die Erfindung "bezieht sich auf eine Raumiieizungs anlage gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine große Anzahl von Feuerungszyklen ergibt insbesondere bei in Zonen unterteilten Heizungsanlagen eine Verkohlung der hitzeübertragenden Oberflächen der Kessel oder Boiler. Mit dem Herannahen der Heizperiode steigt der Ausstoß von Verunreinigungen wesentlich an, während die Temperatur des Eauchabzugs ansteigt und den Wirkungsgrad des Kessels reduziert.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, beim Heizen und bei der Warmwasserbereitung für Gebäude, wobei Öl oder Gas

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als Brennstoffe verwendet werden und Warmwasser als Heizmediuia zum Einsatz kommt, eine Energieeinsparung von 15 bis % zu erreichen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, die Emission von Verunreinigungen aus solchen Heizungsanlagen bis zu 90 % zu reduzieren.

Diese Ziele werden wie folgt erreicht:

1. Es werden Einrichtungen geschaffen, die kurze Feuerungszyklen bei für die Heizungsanlage benötigten Kesseln verhindern: der erzielte Wirkungsgrad soll dem bei Dauerbetrieb erreichbaren Wirkungsgrad nahekommen und wesentlich besser sein als der geringe Wirkungsgrad bei intermittierendem Betrieb. Hierdurch wird ebenfalls die Emission von Verunreinigungen, die eine Funktion der Anzahl von Eeuerungsz7/klen ist, reduziert.

2. Es werden Einrichtungen geschaffen, die Brennstoffenergie dem Heizmediuin in mininialem Haum sit minimaler Hasse (geringe Trägheit) zuzuführen, wodurch die benötigte Gesamtenergie zum Aufheizen vermindert wird und Ablcühlungaverluste geringgehalten werden.

3- Es werden Einrichtungen geschaffen zum Aufheizen von Warmwasser, xvelches für den Gebrauch bestimmt ist: dieses Warmwasser wird vom selben Boiler oder Kessel geliefert, x^elcher die Heizv/ärme liefert, ohne daß die Notwendigkeit besteht, die Boilertemperatur das gptnze Jahr über aufrechtzuerhalten und ohne daß ein separat befeuerter Warmwasserbereiter benötigt wird. Hierdurch werden Rauchabsugsveriuste und Verluste durch ITichtoenutsung reduziert und eine separate Sänd-

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flamme überflüssig gemacht.

4. Es werden Einrichtungen geschaffen für die wirksame Übertragung und Steuerung von Energie in den zu heizenden Raum: diese umfassen individuelle Zonenventile, die durch Temperaturfühler betätigt werden, sowie Durchfluß-Steuerventile und Radiatoren mit geringem Vasserinhalt.

Automatisch befeuerte Öl- oder Gasboiler arbeiten im wesentlichen im intermittierenden Betrieb, wobei die Anzahl der Peuerungszyklen abhängt von der Größe des Boilers, von klimatischen Bedingungen und von den verwendeten Temperatursteuerungseinrichtungen. Haben auch energiesparende Zonen-Steuereinrichtungen in der Technik weite Verbreitung gefunden, so führt ihre Verwendung doch zu einen beträchtlichen Anwachsen der 3?euerungszyklen, wodurch einige ihrer Vorbeile aufgehoben werden. Eine moderne Zonen- oder bereichsgesteuerte w'armwasser-Heisungsanlage für Wohngebäude in eines 5000-G-rad-Tag-Bereich (pOOO Degree day area) kann zwischen 20.000 und 30.000 Feuerungszyklen 'während einer Heizperiode durchlaufen und noch beträchtlich sehr, falls, wie es häufig der Fall ist, der Boiler für die Gesatabanlage überdimensioniert ist» Sino derartige intermittierende Befeuerung vermindert die Kessel-Wirksankeit von 10 bis 40 %. Bei "Ein-"Zyklen von weniger als 4 Minuten arbeiten Ölbrenner bei einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von lediglich 45 bis 50 % im Vergleich zu ihrezi Dauerbetrieb-Wirkungsgrad von 75 bis 80 %.

Abgesehen von der Verminderung der Wärmeausbeute fördern kurze Feuerungszyklen dsn Ausstoß von Verunreinigungen, insbesondere bei Ölfeuerung, was wiederum eine Verkohlung der Hitae-Übertragungsflachen der Kessel zur Folge hat, wodurch deren Wirkungsgrad beim Heranrücken der Eeizsaison abfällt.

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Eine durch, das National Air Pollution Control Administration durchgeführte Untersuchung hat gezeigt, daß die meisten schwerwiegenden Luftverunreinigungen, die durch stationäre Quellen verursacht werden, auf Boiler und Heizkessel zurückzuführen sind ,welche fossile Brennstoffe verbrennen: man gelangte zu dem Schluß, daß der intermittierende Betrieb von Heizungsanlagen in Gebäuden und vieler kommerzieller Anlagen zyklische Spitzenwerte von Kohlenstoffpartikel-, Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxydgemisehen erzeugt. Diese Spitzenwerte können das Doppelte des Gesamtausstoßes von Ter-Tinreinigungsstoffen überschreiten, mit denen bei kontinuierlicher Betriebsweise zu rechnen wäre. -·

Obschon die nachteiligen Effekte kurzer Feuerungszyklen seit langem bekannt waren, konnte bisher keine zufriedenstellende Abhilfe in dieser Hinsicht gefunden werden.

Große Heizungsanlagen verwenden häufig eine Modulation der Teuerungsrate der Boiler oder ein modulares Konzept schrittweiser Befeuerung einer Anzahl kleinerer Boiler, um den schwankenden Heizbedürfnissen Rechnung zu tragen. Derartige Anlagen enthalten komplizierte Einrichtungen und sind nur teilweise effektiv; sie eignen sich nicht für Anlagen in Wohngebäuden.

Ein anderer Weg, kurze Zykluszeiten zu vermeiden, besteht darin, die Wassermenge des Boilers selbst zu erhöhen:.hierdurch wird ermöglicht, kurzes Heizen ohne Befeuerung zu erreichen. Sine derartige Anordnung bringt jedoch wesentlich höhere Kaminverluste mit sich, sowie die Notwendigkeit, die Wassertemperatur des Boilers innerhalb der gesamten Heizperiode aufrechtzuerhalten.

Durch die vorliegende Erfindung wird das Problem dadurch gelöst, daß eine zusätzliche Speicherung von heißem Wasser in

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einem separaten, gut isolierten Tank außerhalb des Boilers selbst vorgesehen wird; der Tank ist parallel mit den Heisbereichen verbunden und fungiert als Belastungsausgleicher (im folgenden als "Wärmespeicher" oder "Wärmebank" (heat bank) bezeichnet) für die Heizungsanlage- Er nimmt die von dem Boiler empfangene Hitze gleichsam wie eine "Bank" auf, und die Hitze kann von irgendeiner der Heizbereiche bei Bedarf durch die temperaturgesteuerten Zonenventile abgerufen werden: diese Zonenventile steuern im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen nur die Umwälzeinrichtung, um aus der "Wärmebank" aufgeheiztes Wasser zu entnehmen. Ist auf diese Weise 30 % der Hitze aus der "Wärmebank" oder dem "Wärmespeicher" entnommen, aktiviert ein · Differenzial-Temperaturfühler, der einen großen Bereich aufweist und in der Wärmebank angeordnet ist, den Boiler, der nun die der Wärmebank entnommene Wärme wieder "auffüllt" und gleichzeitig die Heizungsanlage selbst versorgt. Auf diese Weise werden für den Boiler lange Betriebszyklen mit Dauerbetrieb-Wirkungsgrad erreicht.

Durch Vermindern der Kurzzyklen bei Boilern auf weniger als 1/10 bezüglich herkömmlicher Anlagen, vermindert die vorliegende Erfindung - zusätzlich zu dem Erhöhen des Wirkungsgrades der Heizanlage - die Luftverschmutzung auf weniger als 10 % im Vergleich zu herkömmlichen Systemen.

Erfindungsgemäß wird ein Wärmespeicher ("Wärmebank") verwendet, der vorzugsweise eng gekoppelt ist mit einem Heißwasserboiler geringer Trägheit, der einen geringen Wasserinhalt und einen Wärme aus tauscher hoher Kapazität aufweist. Durch das enge Verbinden des Boilers mit dem Wärmespeicher und das Anordnen der Umwälzleitungen in einem gemeinsamen, gut isolierten Gehäuse können die "Bereitschaftsverluste" der gesamten Einrichtung unter einem Prozent der Boiler-Eingangsmenge gehalten werden.

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Der Wärmespeicher der erfindungsgemäßen Anlage ist somit ein nicht befeuerter, isolierter Biederdruck-Speichertank, der direkt mit dem Heizungssystem verbunden ist, welcb.es (für Wohngebäude) 76 bis 114- Liter Boilerwasser bei annähernd 200° Έ (93,3° C) enthält: für kommerzielle Anlagen werden entsprechend größere Mengen verwendet. Diese gespeicherte Wärme wird entweder dem Heizungssystem durch Mischen mit dem Rücklaufwasser oder mit dem Gebrauchs-Warmwasser durch einen eingebauten Kupfer-Warmeaustauscher hoher Leistung übertragen. Sind etwa 30 % der gespeicherten Wärme entzogen, wird der Boiler betrieben, bis die gesamte dein Wärmespeicher entzogene Wärme wieder aufgefüllt ist. Auf diese Weise werden lange Betriebszyklen mit maximalem Wirkungsgrad für den Heizkessel erreicht im Gegensatz zu anderen Systemen, in denen der Boiler entweder durch Raumtheriaostate betätigt wird oder während der gesamten Heizperiode auf Betriebstemperatur gehalten wird. Bei dem erfindungsgemäßen System wird der Boiler stets durch eine Steuerung betätigt, welche die Temperatur des Wärmespeiehers fühlt.

Das Speichern der Wärme in der "V/ärmebank" beseitigt unnütae Kurzzyklen, und das Steuerungssystem stellt somit "Boiler an"-Zyklen von 8 Minuten oder mehr sicher. Weiterhin werden dadurch, daß die Temperatur des Boilers selbst nicht aufrechterhalten wird, sondern statt dessen das heiße Wasser von dem Wärmespeicher verwendet wird, die Kaminverluste in großem Umfang reduziert. Indem die gespeicherte Wärme verwendet wird, für den Hausgebrauch bestimmtes Warmwasser zu liefern, sind separate Wassererhitzer nicht nötig. Hierdurch wird weiterhin Energie eingespart, indem Kaminverluste und Leerlaufoder Bereitschaf tsver lus te , sowie Verluste durch Zündflammen beseitigt werden.

Bei weniger Feuerungszyklen wird die Verkohlung der hitzeübertragenden Oberflächen in Ölfeuerungsboilern durch Ver-

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brennungsrückstände weitestgehend reduziert, wodurch maximale jahreszeitliche Wirksamkeit sichergestellt wird. Die Brennstoffeinsparung reicht von mindestens 10 % bei Ersetzen von Gas-Warmwassererhitzern bis 30 % bei Ersetzen tanksloser Rohrschlangen in Ölbrennern.

Der Hitzespeicher kann im Zusammenhang mit bereits vorhandenen Heizungsanlagen verwendet werden und benötigt keine speziellen Steuerungseinrichtungen mit Ausnahme jener Zonenoder Bereichsventile, die möglicherweise schon in der Anlage vorhanden sind; es sind auch keine gesonderten Umwälζeinrichtungen oder Überdruckventile notwendig.'

Die Verwendung dieses Wärmespeichers ermöglicht auch eine Verminderung der Boilerkapazität um 10 %, da keine Aufnahmeoder Anfangsverluste hingenommen zu werden brauchen und zwar einfach deshalb, weil das aufgeheizte Wasser bereits in dem Wärmespeicher gespeichert ist. Die Überdimensionierung von ölbrennern und Boilern mit tanklosen Rohrschlangen zur Deckung des Warmwasserbedarfs ist nicht mehr notwendig. Indem lediglich nicht aktives Boilerwasser unterhalb eines liaxisialdrucks von yO pound gespeichert wird, treten keine Korosionsprobleiae auf, und es brauchen keine 100-pound-ASME-Tanks verwendet werden. Da für zum Gebrauch bestimmtes Warmwasser die Feuerungsausrüstung der herkömmlichen Wassererhitzer überflüssig wird, werden weiterhin mögliche Störungsquellen beseitigt. Im Falle eines zeitweiligen Heizkesselausfalls kann die gesamte Wärme des Wärmespeichers dem Heizungssystem zugeführt werden, wodurch ein weitgehender Schutz vor Frostschäden gewährleistet ist.

Das vornehmliche Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen zusätzlichen Wärmespeicherbehälter oder eine "Wärmabank" hoher Trägheit für ein Heizungssystem zusätzlich zu dem Boiler zu schaffen, v/ob ei das aufgeheizte Wasser für das Heisungssystem dem Wärmespeicher oder in Korabination dem Wärmespeicher

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und dem Boiler entnommen wird und wobei der Betrieb des Systems nur abhängig ist von der Temperatur des Wassers in dem Wärmespeicher, und nicht von den Erfordernissen der Raumaufheizung.

In einer herkömmlichen Heißwasser-Heizungsanlage bestimmt die Raumtemperatur die Betätigung der Umwälaeinrichtung und dös Boilers, um genügend heißes Wasser zu liefern, damit dem Heizbedarf entsprochen wird. Demzufolge wird der Heizkessel i&'sein? zahlreichen Intervallen an- und abgeschaltet; in einem normalen Heizungssystem können in einer Heizsaison mehr als 20.000 Feuerungszyklen stattfinden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht deshalb darin, eine Anordnung für ein Heizsystem anzugeben, bei dem die Wärmefühler in einem bestimmten Bereich die Betätigung der Umwäl ζ einrichtung bestimmt, welche dem Wärmespeicher Wasser entzieht: der Wärmespeicher funktioniert somit wie ein Schwungrad. Wenn die Wassertemperatur in dem Wärmespeicher einen vorbestimmten Wert unterschreitet, wird der Boiler angeschaltet, um zu der Raumaufheizung beizutragen und um den Wärmeverlust in dem Wärmespeicher auszugleichen.

Auf diese Weise ersetzen lange, effiziente Betriebszyklen die nicht effizienten kurzen Zyklen, die dadurch entstehen, daß der Boiler direkt von Raumtemperaturfühlern gesteuert wird.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine scheniatische Ansicht entsprechend Fig. 1. jedoch ein vollständiges Heisungssystem darstellend,

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Fig. 3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer kombinierten Anordnung "bestehend aus Heizkessel, Boiler, Wärmespeicher und Wärmeaustauscher für eine v/ohngebäude-Warmwasserversorgung in einem Einzelhaus,

Fig. 4A eine graphische Darstellung, in der die zyklische Betriebsweise eines Boilers aufgezeichnet ist, welcher nicht die vorliegende Erfindung verwendet,

Fig.· 4-B eine Darstellung entsprechend Fig. 4-A, in der die zyklische Betriebsweise eines Boilers unter Verwendung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht ist,

Fig. 5 eine zusammengesetzte graphische Darstellung zum Veranschaulichen des Vergleichs der Warmwasserversorgung eines kleinen 152-Liter-Wassererhitzers mit einer Leistung von 5 kW und einem kleinen 91-Liter-Wärmespeicher gemäß der Erfindung,

Fig. 6 eine graphische Darstellung, die zeigt, wie die Entnahme von für den Gebrauch bestimmtem Warmwasser aus dem System rasch die Tiefentemperatur des Wärmespeichers vermindert und ein "Ein"-Signal für den Boiler und die Umwälzeinrichtung erzeugt,

F±g. 7 eine schematische Ansicht einer Schaltung, die verwendet werden kann, wenn eine Sonnenenergieheizung vorgesehen ist, wie in Fig. 1 durch gestrichelte Linien angedeutet ist.

Fig. 1 zeigt in diagrammähnlicher Darstellung die Struktur der vorliegenden Erfindung. Der Wärmespeicher 10 ist über das Rohr 11 mit dem Rücklauf 12 des Heizungssystems verbunden. Der Rücklauf 12 wiederum steht in Verbindung mit der Umwälzeinrichtung 1J. Der Umwälzer 13 ist durch

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ein Rohr 14- über den Boiler 15 geringer Trägheit mit der Boiler-Steigleitung 16 verbunden. Der Boiler 15 geringer Trägheit kann mit einem entsprechenden Gas- oder Ölbrenner 20 und Betätigungs-Steuereinrichtungen, ausgestattet sein, um das Wasser in dem Boiler 15 geringer Trägheit aufzuheizen. In der Steigleitung 16 wird dann das aus dem Boiler 15 kommende Wasser aufgeteilt in eine Steigleitung 22 für das Heizungssystem und ein Rohr 23, welches zu dem Wärmespeicher 10 führt. Das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Rohres 23 und den Durchfluß Steuerungen 3? ist so gewählt, daß der Druckabfall im Rohr 23 einen Durchfluß durch das Heizungssystem ermöglicht. Beispielsweise kann das Rohr ausgelegt sein, um pro Minute 19 bis 22,8 Liter durchströmen zu lassen. Die Durchfluß-Steuerventile S¹ können so eingestellt^ werden, daß sie pro Minute 7,3 bis 11,4- Liter durchlassen.

Das durch die Leitung 23 in den Wärmespeicher 10 eingegebene Wasser ist durch den Boiler erwärmtes Wasser. Befindet sich der Boiler in Betrieb, bringt der in Betrieb befindliche Umwälzer 13 das Wasser oben in den Wärmespeicher 14-, während gleichzeitig ein unter Druck erfolgender Abwärtsfluß an der Heißwasser-Wärmeaustauscher-Rohrleitung und den dazugehörigen Elementen stattfindet. Diese werden weiter unten beschrieben.

Die Steigleitung 22 ist über verschiedene Zonenventile Z mit verschiedenen Zonen-Steigleitungen 32 und 33 > sowie über Durchfluß-Regulatoren F mit den Radiatoren 4-0 verbunden.

Der Betrieb der Umwälzeinrichtung wird vornehmlich durch temperaturempfindliche Einrichtungen gesteuert, welche in verschiedenen Bereichen angeordnet sind, welchen die verschiedenen Radiatoren 4-0 zugeordnet sind.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen werden der Brenner und der Boiler 15 nicht direkt durch temperaturempfindliche

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Einrichtungen gesteuert, welche den Radiatoren 40 oder dem Raum oder Bereich zugeordnet sind, in welchem die Radiatoren angeordnet sind. Die Rückleitungsrohre 41 der verschiedenen Zonen sind sämtlich an ihrem ausgangsseitigen Ende mit der Rückleitung 12 verbunden, die, wie oben bereits erwähnt wurde, über die Umwälzeinrichtung 13 mit dem System in Verbindung steht.

Der Umwälzer 13 treibt Wasser durch den Boiler 15 und das Rohr 23 in. den Wärmespeicher 10. Sind die Zonenventile geöffnet, so wird ebenfalls durch die Steigleitung 23 Wasser in das Heizungssystem getrieben. Der Brenner 20 und der Umwälzer 13 arbeiten unter Steuerung der wärmeempfindlichen Betriebssteuerung 50, die am unteren Ende des Wärmespeiehers 10 angeordnet ist. Diese Steuerung kann nach Wunsch außerhalb des Wärmespeichers 10 angeordnet x»rerden und mit diesem in leitendem Eontakt stehen; andererseits ist auch ein Anordnen innerhalb des WärmeSpeichers 10 möglich. Ist beispielsweise eine vorbestimmte Temperatur von 93° ^c erreicht, und besteht keine Heizanforderung seitens der RauntemperaturSensoren, öffnet die Steuerung 50 einen nachfolgend beschriebenen Schaltkreis zu dem Umwälzer 13 und dem Brenner ir.it der Steuerung 20, um den Betrieb des Brenners und des ürrwälsers anzuhalten. Liegt eine Heiznachfrage aus einem Bereich vor, in dem einer der Radiatoren 40 angeordnet ist, werden das Zonenventil Z und der Umwälzer 13 erregt, um zu dieser Zone aus dem in dem Wärmespeicher 10 gespeicherten V/asser Wärme zu liefern. Fällt das Wasser am unteren Ende des Wärraespeichers 10 unter die Temperatur von 77° ab, schließt die Betriebssteuerung 50 den Kreis zu dem Brenner 20 und dem Umwälzer 13, deren Betrieb nun Wärme zu der genannten Zone und dem Wärmespeicher 10 liefert, bis im unteren Bereich des Wärmespeichers 10 wiederum die Temperatur von 93° C erreicht ist. Man sieht, daß, wenn der untere Bereich des Wärmespeichers 10 eine Temperatur von 93° C aufweist, in einem höheren Bereich eine Temperatur in der Größenordnung von 104° ΰ vorherrscht. Die Steuerung 52 ist vorgesehen, um den Brenner

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abzuschalten, falls die Temperatur der Boiler-Steigleitung einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt.

Für heißes Wasser, welches für den Verbrauch im Haushalt bestimmt ist, tritt das kalte V/asser durch das Tor 60 in den Wärmeaustauscher 30, der in den Wärmespeicher 10 eingetaucht ist, ein. Das erhitzte Wasser verläßt den Wärmeaustauscher durch das Rohr 62, von wo aus es den Zapfstellen zugeführt wird. Das wärmeempfindliche Steuerungselement B in der Heißwasserleitung 62 schließt die Zonenventile Z, wenn die Temperatur des abgegebenen Wassers unter beispielsweise 60° C abfällt, wobei der Wasserversorgung für den Haushalt der Vorrang eingeräumt wird. Die gesamte Heizungsanlage und die Radiatoren 40 besitzen genügend Trägheit, so daß dieser Vorrang sich nicht spürbar in Form eines Nachlassens der Raumheizung auswirkt. Die Heißwasser-Steuerung C erregt den Boiler und den Umwälzer bei langer anhaltendem Bedarf an heißem Wasser, bevor die Steuerung 50 wirksam wird, um die Temperatur des für den Verbrauch bestimmten V/assers aufrechtzuerhalten.

Bei durchschnittlichen Wohngebäudeanlagen begrenzen die Durchflußregulatoren F den Wasserdurchfluß in jeder Zone in der Größenordnung von 7,6 bis 11,4- Litern pro Minute und stellen hierdurch sicher, daß genug Pumpenwärme für die Zirkulation durch das Rohr 23 in den Wärmespeicher 10 zur Verfügung steht. In diesem Fall kann die Durchflußrate durch das Rohr 23 in der Größenordnung zwischen 15,2 und 22,8 Litern pro Minute liegen.

Fig. 2 zeigt ein vollständigeres Flußdiagramm für eine für Wohngebäude bestimmte Heizungsanlage, die erfindungsgemäß ausgebildet ist. Das Wasser in dem System wird durch den , Brenner 20 und den Boiler 15 aufgeheizt, und es wird der Boiler-Steigleitung 16 aufgeheiztes Wassex zugeführt. Das Rohr 23 ist mit einem Rückwärtsdurchfluß-Sperrventil 24 ausgestattet und führt dem oberen Bereich des Wärmespeichers

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heißes Wasser zu. Der Wärmespeicher 10 beinhaltet den Wasservors?at in der oben beschriebenen Weise. Die Steigleitung 16 ist mit einem Zonenventil syst em 16a verbunden. Letzteres umfaßt eine Mehrzahl von Zonenventilen Z für jeweils eine spezielle Zone und individuelle Steigleitungen 32 und 33 für die verschiedenen Zonen. Die Zonenventile Z sprechen auf thermische Bedingungen in dem speziellen Zonenbereich auf bekannte Weise an, indem die Zonenventile geöffnet oder geschlossen werden, um die Wärme: zu liefern. Wie angedeutet ist, ist ein Raumthermostat 70 mit einer Niederspannungsleitung 71 verbunden, um das entsprechende Zonenventil Z für die jeweilige Zone zu betätigen. Sämtliche Elemente in Fig. 2 weisen die gleichen Bezugszeichen auf wie in Fig. 1, um anzudeuten, daß es sich bei der Darstellung um dieselbe Einrichtung handelt.

Wie zuvor in Zusammenhang mit Pig. 1 beschrieben wurde, ist in dem Wärmespeicher 10 ein Wärmeaustauscher 30 für die Versorgung mit warmem Wasser vorgesehen, welches im Haushalt verbraucht wird. Der Einlaß für kaltes Wasser erfolgt durch das Rohr 60. Das aufgeheizte Wasser tritt durch das Rohr aus. Ein entsprechendes Mischventil 73 kann zwischen dem Rohr 60 und dem Rohr 62 vorgesehen sein und so eingestellt sein, daß entsprechende Anteile von kaltem und heißem Wasser in den Rohren 62 vermengt werden.

Die Leitungen 71 sind weiterhin so verschaltet, daß die Umwälz einrichtung 13 in Abhängigkeit von einer Wärmeanforderung aus einer speziellen Zone betätigt wird. Das Steuerelement 50, das auf die Temperatur im unteren Bereich des Wärmespeichers 10 anspricht, wird bei einer vorbestimmten niedrigen Temperatur betrieben, um den Brenner und die Um— wälzeinrichtung zu erregen und somit das Wasser in dem Boiler aufzuheizen, wenn eine niedrige Temperatur erreicht ist. Auf ähnliche Weise spricht die wärmeempfindliche Einrichtung B, wie anhand von Fig. 1 erläutert wurde, an, um die Zonenventile Z zu schließen, wenn die Temperatur des Haushaltswassers unter

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einen vorbestimmten Grenzwert abfällt. Die Steuerung C erregt den Brenner 20 und die Umwälz einrichtung 13 Td ei länger anhaltendem Warmwasserverbrauch.

Es wird noch einmal Bezug genommen auf Fig. 1. Die Wärmeaustauscher-Rohrschlange 30 ist in. dem Wärmespeicher 10 so angeordnet, daß sie das heißeste Wasser, was von dem Boiler 15 durch das Rohr 23 strömt, aufnimmt. Sie kann sogar von. einem Stahlrohr 75 ummantelt sein, um sicherzustellen» daß das in den Wärmespeicher 10 eintretende Wasser zwangsläufig über den Wärmeaustauscher oder die Rohrleitungsschlange 30 geleitet wird, um einen maximalen Wärmetransfer zu erreichen.

In den 3?ig. 1 und 2 wurde das System in IOrm eines Diagramms veranschaulicht.

3?ig. 3 zeigt eine Anordnung, in der die grundsätzlichen Elemente eines Ölfeuerungssystems vorgesehen sein können. Der Boiler 15 geringer Trägheit ist eine Rohrschlange um die Brennerdüse und die Brennkammer 10J. Die Brennerdüse 102 der Brennkammer 20 spritzt einen Strom entzündeten Brennstoffs in das Innere der Brennkammer 103. Die heißen Verbrennungsgase werden auf einen keramischen Deflektor 104 gelenkt und nach oben an der Rohrschlange 15 vorbei abgelenkt, welche den Boiler "bis zu dem Abzug 18 bildet. Der Boiler 15 ist ein Boiler geringer Trägheit, v/eil er ein relativ kleines Volumen hat, welches in diesem Fall die Gestalt einer Rohrschlange aufweist, die sich um die Brennkammer 103 windet. Die Wendung der Brennkammer 103 wird selbst durch den Brennstoff aufgeheizt, so daß sie Hitze auf die Oberfläche der Windungen des Boilers 15 durch direkte Strahlung abgibt, während die aufgeheisten Gase, die von dem Deflektor 104· abgelenkt werden, aufsteigen und somit die Rohrschlange 1p durcfe Wärmeleitung aufheizen. Die aufgeheizten Gase ziehen durch den Abzug 18 ab.

Der Boiler 15 ist mit der Boiler-Steigleitung 16 verbunden.

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Diese weist weiterhin die in Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschriebenen Verbindungswege zu den verschiedenen Elementen der Anlage auf. Die Boiler-Steigleitung 16 kann auch mit einem Manometer 105· und einem Sicherheitsventil 52 verbunden sein. Die Umwälzeinrichtung 1J ist mit dem Rohr 14 verbunden, welches zu dem Einlaß des Boilers 15 an dessen unterem Ende führt. DruckSchwankungen können durch den Expansionstank 103 ausgeglichen werden. Der Ausgang der Boiler-Steigleitung 16 ist weiterhin durch das Rohr 23 tait dem Eingang 23a des Wärmespeichers 10 verbunden. Ein in die Rohrleitung eingesetztes Hückschlagventil 24 verhindert die Zirkulation zwischen dem Wärmespeicher 10 und dem Boiler 15 aufgrund der Schwerkraft.

Das Betriebsverhalten dieser Anlage wurde über große Zeiträume in einem drei Schlafräume aufweisenden Wohnhaus mit sechs Zonenventilen und Fußleistenheizung getestet. Das für den Haushalt bestimmte heiße Wasser wurde von einem 152—Liter-Elektrowassererhitzer geliefert und alternativ durch das hier dargestellte System, in dem der Wärmespeicher mit einer Speicherkapazität von 114 Litern ausgestattet wurde. Eine herkömmliche Umwälζeinrichtung 13 besorgte die Zirkulation durch die Heizungsanlage. Für die experimentellen Zwecke vorgesehene Wärmccpcichcr-Schließ ventil β, die zwischen äars. Boiler und dem Wärmespeicher 10 angeordnet wurden, ermöglichten es, daß die Anlage entweder auf herkömmliche Weise oder alternativ mit dem Wärmespeicher 10 betrieben werden konnte, um einen direkten Vergleich der Boilerleistung unter im wesentlichen gleicher Wärmebelastung zu ermöglichen.

Die graphische Darstellung 4A stellt die Einschaltzeit des Boilers und der Umwälζeinrichtung dar, wobei eine Zone eine Heizaufforderung bei einer Außentemperatur von 4,5° G abgibt. Bei der hier verwendeten Anlage wurde das herkömmliche Steuerverfahren angewendet, bei dem der Thermostat das Zonenventil, den Boiler und die Umwälzeinrichtung erregt. Die Heizlast stellt weniger als 10 % der Boilerkapazität dar. Der kleine

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Boiler erreichte die obere Grenze der Thermostat-Einstellung von 93° C durchschnittlich innerhalb von 2 Minuten, während die Umwäl ζ einrichtung in Betrieb war, solange in der Zone Heizleistung benötigt wurde.

Während der Testdauer von 62 Minuten (s. graphische Darstellung in Fig. 4&) durchlief der Boiler 15 Zyklen bei einer durchschnittlichen Zykluszeit von 2 bis 3 Minuten und einer Gesamt-Einschaltzeit von 35 Minuten.

Anschließend wurde das System mit dem Wärmespeicher betrieben und so gesteuert, daß der Raumthermostat lediglich die Umwälzeinrichtung erregte. Der Brenner wurde durch ein Thermostat gesteuert,welches dicht an der unteren Kante des Wärmespeichers 10 angeordnet war. Das Wärmespeicher-Thermostat besaß einen weiten Differenzbereich, bei dem bei 170° F (77° C) der Kontakt geschlossen und bei 200° F (93° C) geöffnet wurde. Der Boiler-Thermostat wurde so eingestellt, daß er bei 220° F (104-,5° C) öffnete.

Die graphische Darstellung in Fig. 4-B zeigt den einstündigen Betriebsablauf unter den genannten Bedingungen. Als das Zonenthermostat Heizleistung anforderte, wurde die Uinwälzeinrichtung erregt und entzog dem Wärmespeicher 10 für 4-1 Minuten (Periode A-B) Wärme, wodurch die Temperatur des Wärmespeichers 10 von 200° F (93° C) auf 170° F (77° C) abfiel, was einer an die Zone abgegebenen Wärmemenge von 7200 BTTJ (7596,43 KJ) entspricht, ohne daß der Boiler befeuert wurde. Als die Temperatur in dem Wärmespeicher 170° F (77° C) erreichte, erregte das Thermostat den Brenner bei Punkt C und veranlaßte das System, aufzuheizen. Bei dem in der graphischen Darstellung nach Fig. 4· B markierten Punkt D war der Wärmebedarf für die Zone gedeckt, jedoch fuhr der Boiler fort, den Wärmespeicher 10 zu "laden", bis bei Punkt E die Temperatur von 200° F (93° C) erreicht war. Es zeigt sich, daß das Wärmespeicher- oder "Wärmebank"-System denselben

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Heizvorgang mit einem einzigen Betriebszyklus des Boilers und einer Gesamt-Einschaltzeit von 21 Minuten ausführt. Dies entspricht einer Brennstoffersparnis von 40 % während der Testdauer.

Das oben erläuterte Experiment zeigt, daß bei kurzen Zykluszeiten der Wirkungsgrad des Boilers auf 45 % abfällt, verglichen mit dem wesentlich günstiger liegenden Dauerbetriebszustand-Wirkungsgrad, der durch die vorliegende Erfindung erreicht wird.

Der Wärmetransfer von dem in dem Wärmespeicher 10 enthaltenen Wasser zu dem für den Verbrauch bestimmten Wasser wird bewirkt durch eine in Fig. 3 gezeigte gerippte Kupferrohrleitung 30, die von einem langen zylindrischen Rohr 75 ummantelt wird, welches sich in der vollen Länge des Tanks erstreckt. Die Umwälzeinrichtung wird dazu verwendet, das Boilerwasser über die Rohrschlange 30 zu treiben, wodurch ein maximaler Wärmetransfer zu dem System sichergestellt wird, welches das für den Gebrauch liefert.

Bei Wasserentnahmen von weniger als 11,6 bis 30,4 Litern wird weder eine Betätigung des Boilers noch der TJmwälzeinrichtung ausgelöst. Danach schließt ein steiler Temperaturabfall in der Nähe des Bodens des Wärmespeichers das Thermostat 50 und erregt den Brenner 20 und den Umwälzer 13. Das System arbeitet dann als Warmvrass erver sorgung mit erzwungenem Durchfluß, um über einen längeren Zeitraum für den Verbrauch bestimmtes Heißwasser bei relativ stabiler Temperatur zu liefern.

Der Vorgang ist allgemein in Fig. 5 dargestellt, welche einen Vergleich zeigt zwischen einer Warmwasserversorgung eines 152 Liter umfassenden Tanks mit einem Elektroerhitzer, der eine Leistung von 5 Kilowatt besitzt und einem kleinen, 91,2 Liter aufnehmenden Wärmespeicher.

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Man sieht, daß der Wärmespeicher die ersten 22,8 Liter bei einem raschen Temperaturabfall von 65,5° ^c auf 40,5° C (auf der linken Seite in Fig. 5 aufgetragen) liefert, wenn der Umwälzer und der Boiler angestoßen werden. Dann findet erzwungene Wärmeübertragung statt, und die Wassertemperatur erreicht schnell wieder den Bereich von 65,5 C. Die Anlage wurde experimentell betrieben ohne ein Mischventil, welches für den Ausgleich der Temperatur nützlich gewesen wäre; jedoch zeigt die graphische Darstellung nach Fig. 5 die Ergebnisse, die bei der Verwendung einer gespeicherten Menge heißen Wassers in dem Wärmespeicher 10 und alternativ bei ^Verwendung eines separaten elektrischen Heizgerätes erzielt werden.

Fig. 6 zeigt, wie eine Heißwasserentnahme im Haushalt sehr schnell die Bodentemperaturen des Wärmespeichers vermindert und das "Ein"-Signal für den Brenner und die Umvrä.1ζeinrichtung erzeugt. In diesem Fall schließt das Oberflächenthermostat 50 am unteren Ende des Wärmespeichers 10 eine Minute nach der Entnahme von Wasser bei anfänglich 65,5 ^. Innerhalb einer Minute betätigt der Abfall der Temperatur des abgegebenen Wassers auf 4-0,5° ^c den Sensor C, um den Heizkessel und Boiler anzustoßen, kontinuierlich aufgeheiztes Wasser zu dem Wärmespeicher 10 zu liefern, bis der Pegel des abgegebenen verbrauchten warmen Wassers wieder erreicht ist.

Wurden bisher ein Boiler und ein Wärmespeicher, der durch den Boiler wieder "aufgefüllt" wird, wenn die Temperatur im „ntsren Bereich des Wärmespaichers unter einen vorbestimmten Wert abfällt, beschrieben, so eignet sich die Anlage ebenfalls in Zusammenhang mit Sonnenenergiezuführung, die vornehmlich als Zusatz eingesetzt x^erden kann. Der Eingang von durch Sonnenenergie aufgeheiztem Wasser in den Wärmespeicher 10 vermindert die für den Heizkessel und Boiler benötigte Energie und somit die Anzahl der erforderlichen

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Feuerung3syklen, soweit hierdurch zusätzliches aufgeheiztes Wasser in den Wärmespeicher 10 eingegeben wird.

Daher kann, wie in B¹Xg. 1 durch strichpunktierte Linien angedeutet ist, ein·Sonnenenergiekollektor 200 üblicher Bauart vorgesehen sein, der eine Rohrleitung 201 aufweist, die sich von dem Kollektor 200 bis zu einem Bereich am Boden des Wärmespeichers 10 erstreckt, während eine weitere Rohrleitung 202 vorgesehen ist, die sich bis in den oberen Bereich des Wärmespeichers 10 erstreckt. Somit ist die Leitung 201 mit dem Bereich geringerer Temperatur des Wärmespeichers 10 verbunden, während die Leitung 202 mit dem Bereich höherer Temperatur des Wärmespeichers 10 in Verbindung steht.

Die Umwälzeinrichtung 204 für durch Sonnenenergie aufgeheiztes Wasser kann dann in der Leitung 201 angeordnet werden. Das Wasser in dem Wärmespeicher 10 stellt zusammen mit dem Wasser in den Leitungen 201 und 202 und dem Sonnenenergiekollektor 200 ein kontinuierliches, geschlossenes System dar, welches parallel zu dem geschlossenen Heißwasser-Umlauxsystem angeordnet ist, welches die Rohrleitung 23 von dem Boiler 15 zu dem WärmeSpeicher 10 umfaßt, und viel ehe s parallel zu dem Heizungssystem angeordnet ist.

Verlangt der Sensor 50 am unteren Ende des Wärmespeichers 10 den Zustrom aufgeheizten V/assers, und ist der Sensor 206 der Sonnsnenergieheizung in der Lage, dieses aufgeheizte Wasser zur Verfügung zu stellen, wird die Uinwälzeinrichtung 2Q^£r veranlaßt, so lange zu arbeiten, bis des aufgeheizte Wasser in dem Wärmespeicher 10 wieder aufgefüllt ist, was durch d.an Sensor 50 festgelegt wird. Wenn jedoch während des Betriebs der Sensor 206 einen Teinperaturabfall des Wassers in der Solarheizung 200 anzeigen ^T.;ürde, wird, der Betrieb von der ümv;äl ζ einrichtung 20m- auf

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- 20 -

die Umwälzeinrichtung 13 übertragen, während gleichzeitig an den Brenner 20 ein Signal abgegeben wird, damit dieser mit der Feuerung beginnt. Der Sensor 206 (s. auch Fig. 7) ist ein Relais, das, wenn es in der Solarheizung eine hinreichend große Wärme aufweist, einen Schaltkreis aktiviert, der zum Betätigen der Umwälzeinrichtung 204 in Abhängigkeit von dem Sensor 50 dient. Ist jedoch in der Solarheizung 200 zu wenig aufgeheiztes Wasser vorhanden, öffnet der Sensor 206 den aktivierten Schaltkreis zu der Umwälζeinrichtung 204 und schließt den Schaltkreis zu dem Brenner 20 und der Umwälζeinrichtung 13. Der Umwälzer 13 und der Brenner 20 des Boilers 15 arbeiten danach nur, wenn der Sensor 50 im unteren Bereich des Tanks 10 anzeigt, daß zusätzlich heißes Wasserin den Tank 10 eingelassen werden soll. Hat demnach das Wasser in der Solarheizung einehinreichend hohe Temperatur, werden der Um- \rälzer 13 und der Brenner 20 von dem Schaltkreis, der durch den Sensor 50 gesteuert wird, abgetrennt. Hat das Wasser der Solarheizung 200 eine geringere Temperatur, wird der Sensor 206 betätigt, so daß der Umwälzer 204 von dem Schaltkreis abgetrennt wird, während der Umwälzer 13 und der Brenner 20 mit dem Sensor 50 verbunden werden.

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Leerse ite

Claims (8)

1. PATENTANWÄLTE A. GPUNECKER

   D!Pt_ :MG.

   H. KINKELDEY

   28Ü3649

   W. STOCKMAIR

   DR ■ ING ■ AjE iCALTECHj

   K. SCHUMANN

   DH HErt NA' ■ DPU-I=HYS

   P. H. JAKOB

   DiPL-IN(I

   ©. BEZOLD

   DR PER NAT ■ D)PL-OEM.

   8 MÜNCHEN

   MAXIMILIANSTRASSE

   P 12 386 27. 01. 1978

   Patentansprüche

   /1.) Raumheizungsanlage, mit einem Boiler zum Aufheizen von Wasser, einer Hitzequelle für den Boiler, mehreren in einer Gruppe von Zonen angeordneten Raum-Wärmeaustauschern, einer Zuleitung von dem Boiler zu den Warmes.ustausch.ern, Einrichtungen zum Steuern der Zuleitung zwischen dem Boiler und den Raum-Wärneaustaxischern zum Versorgen der Raum-Wärmeaustauscher mit heißem Wasser und zum Absperren dieser Versorgung, sowie einen Rücklauf von den Raum-Wärmeaustauschern, gekennze ichnet durch einen Wärmespeicher (lO), einen mit dem Wärmespeicher (1O) verbundenen Rücklauf (12), eine Ausgangsverbindung von dem Wärmespeicher (10) zu der Heizungsanlage, eine Eingangsverbindung (23) von dem Boiler (15) zu dem Wärmespeicher (lO), dessen Volumen wesentlich größei ist als das des Boilers, eine Umwäl2einrichtung (13) und einen Durchfluß regulator (1?) in den Kreislauf von dem Boiler (15) über die Raum-Wärmeaustauscher (40) zu dem Wärmespeicher (1O), wobei der Durchfluß zu der Raumheiaungsanlage kleiner ist als der Durchfluß zu dem Wärmespeicher (1O), und letzterer eine Versorgungsqualle für das heiße Wasser der Anlage darstellt, wenn die Hitzequelle (20) für den Boiler (15) abgescheitet ist, Wärmefühler an jedes Raum-Wärmeaustauscher,

   8 O 9 8 3 1 / O 3 7 3

   TEi-EPCK J-|3S> CSE372 TSt-EX t)ö-D9£8O TELEGRAMME MONAPAT TELEKOPIERER

   OBiGiNAL INSPECTED

   2803643

   die mit der Unwälζeinrichtung (13) ^2um Steuern derselben verbunden sind, Wärmefühler (50) an dem Wärme speicher ("IQ) zum Steuern des Betriebs der Hitzequelle (20) für den Boiler (15) eine in dem Wärmespeicher (1O) geführte Wärmeaustausch-Rohrschlange (JO) für Haushalts-Warmwasser, wobei die Verbindung vom Boiler zu dem Wärmespeicher (1O) im oberen Bereich des Wärmespeichers angeordnet ist und die Eingangs- und Ausgangsverbindungen der Wärmeaustausch-Rohrschlange (30) am oberen Ende des WärmeSpeichers (10) befindlich sind, und eine innerhalb des Wämespeichers (1O) vorgesehene, die Rohrschlange (JO) umgebende Ummantelung, deren Unterteil geöffnet ist und deren Oberteil den Eingang der Verbindung von dem Boiler (15) ^zu <3-^eE1 Wärmespeicher (1O) aufnimmt.
2. 2. Heizungsanlage nach Anspruch 1, dadurch g e k e n η zeichne b , daß die dem Wärmespeicher (1O) zugeordnete Wärmefühleinrichtung (50) zum Steuern des Betriebs der Hitzequelle (20) für den Boiler (15) verschaltet ist, da3 die Wärme fühl einrichtung im unteren Bereich des Wär-aespeichers (1O) angeordnet ist, und daß der Rückfluß von dem Wärmespeicher (1O) zu dem Boiler (15) blockiert ist.
3. 3. Heizungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Alternativ-Heizquelle (200), sowie Eingangs- und Ausgangsverbindungen von der Alternativ-Heizquelle zu dem Wärmespeicher (1O) vorgesehen sind, und daß die Eingangs- und Ausgangsverbindungen von der Alterna tiv-Heizquelle zu dem Wärmespeicher (1O) zusätzlich su den Eingangs- .und Ausgangsverbindungen der übrigen Anlage zu dem Wärmespeicher (1O) vorgesehen sind.
4. H-. Heizungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Frequenz der Feuerungszyklen und somit die Bildung \^ron Verunreinigungen reduziere sind im Vergleich zu einem System, welches keinen Wärmespeicher auf-
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6. 2^03649
7. v/eist, und daß die verminderte Frequenz der F eue rungs Zyklen eine erhöhte Brennstoffausbeute ermöglicht, indem für jeden Zyklus eine längere Betriebsperiode vorgesehen wird.
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