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Heizungs- und Warmwasserbereitungseinrichtung
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Stand der 'I'echnik Steigende Heizungskosten und die zunehmende Abhängigkeit
des bisherigen Hauptenergieträgers insbesondere im Haushaltsbereich, nämlich des
Öls von willkürlichen, sachfremden Entscheidungen und Einflüssen, aber auch Gründe
eines allgemeinen Umweltschutzes machen die Gewinnung und Nutzung alternativer Energien,
aber auch den Einsatz solcher Energieformen, die teilweise in der Zwischenzeit aufgegeben
worden sind, beispielsweise Kohle- oder 11olzfeuerung, Kaminbetrieb u. dgl. zur
zusätzlichen Energie gewinnung sinnvoll und wünschenswert.
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Es ist bekannt, übliche Heizsysteme, die beispielsweise mit Öl- oder
Gasbrennern arbeiten, durch zusätzliche Anlangen, etwa zur Gewinnung von Solarenergie
oder Wärmeenergie durch den Einsatz von Wärmepumpen, zu ergänzen und auszugestalten,
wobei
sich allerdings der Nachteil ergibt, daß für alle diese zusätzlichen Systeme bisher
praktisch parallele Leistungsanlagen vorgesehen sind, die in entsprechender Kopplung
und je nach der gerade verfiigbaren und sinnvollerweise auszunutzenden Energieart,
dann auch eingesetzt wer de n.
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Es ist auch bekannt, bestimmte Energiearten, beispielsweise Solarenergie
ausschließlich für die Schwinlmbadheizung einzusetzen, während man etwa normale
Kamin- oder Kachelofenfeuerung separat und parallel zu der normalerweise stets vorhandenen
Ölheizungsanlage betreibt. Agesehen von den erheblichen zusätzlichen Mitteln, die
für die ergänzenden Wärmeeinrichtungen aufgebracht werden müssen, ergibt sich so
eine Vielzahl unterschiedlicher Systenie, deren Einsatz willkürlich ist und nicht
immer optimal erfolgt.
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Es besteht daher Bedarf nach einem einheitlichen zentralen Heizungssystem,
welches den Einsatz beliebiger Energiearten mit geringstem Aufwand ermöglicht uiid
automatisch iii der Lage ist, jeweils die Energie einzusetzen, die gerade am kostengünstigsten
verfügbar ist, beispielsweise also etwa Miolarenerffie immer dann, wenn die Sonne
scheint, wobei der (bergang von der einen Energieart zur anderen problemlos erfolgen
kann.
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Vorteile der Erfindung Diese Aufgabe löst die vorliegende Erfindung
n-lit den kennezeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs und hat gegenüber den
bekannten
Heizungs - und Warmwasserbereitungssystemen den Vorteil, daß alle verfügharen Energieträger
auf einen gemeinsalzen Kessel arbeiten, ein kostenträchtiger Parallelbetrieb bei
unterschiedlichen Energiearten daher nicht stattfindet. Dem im unteren Kesselbereich
angeordneten Koaxialkondensator, der an die Kältemittelleitung einer außerhalb des
Kessels angeordneten Wärmepumpe angeschlossen ist, ist eine sogenannte Schichtungspumpe
in der Weise zugeordnet, daß einerseits im oberen Kesselbereich, in welchem sich
die Wärmetauscheranordnungen für das Brauchwasser befinden, eine praktisch konstante
Temperatur eingehalten werden kann, während andererseits die Wärmetauscherw irk
ung des Wärmepumpen-Koaxialkondensators in der Weise von Kältemittel druckabhängig
betrieben wird, daß das Kältemittel beim Wärmepumpenbeti'ieb einen vorgegebenen
Druck im wesentlichen konstant einhalten kann.
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Ergeben sich aufgrund der Umweltbedingungen Zustände, die einen Wärmepumpenbetrieb
wegen zu geringen Nutzungsgrades nicht mehr sinnvoll erscheinen lassen, dann übernimmt,
vorzugsweise durch autoniatische Steuerung,der irn gleichen Kessel mit seiner Brennkammer
angeordnete Öl- oder Gasbrenner die Wärmeerzeugung, wobei aber eine Rückheizung
auf den Wärmepumpenbereich durch die mittlere L,age der Brennkammer bei entsprechender
Temperaturschichtung in0 gemeinsamen Kessel vernwieden wird.
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Alternativ ist es möglich, bei besonders günstigen bedingungen
Solaranlagen
zur Energiegewinnung auszunutzen und oder die Wärmegewinnung mit Hilfe eines Ilolzkessels
oder sonstiger Brennanlagen, die mit fossilen 33rer1nstoffen arbeiten, vorzunehmen,
wobei die letzteren Einrichtungen durch entsprechende Verbindungen unmittelbar an
den Wasserraum des Kessels angeschlossen sind.
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Durch die in den Unteransprüctzewl aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im hauptanspruch angegebenen Heizungs - und
Warrrlwasserbereitungseinrichtung möglich. Besonders vorteilllaft ist der Anschluß
des Heizungsvorlaufs an das Kesselwasser im Niveau unterhalb der Position der Wärmetauscheranordnungen
für das Brauchwasser, so daß mit Vorrang eine konstante Temperatur im Brauchwasserbereich
erzielt werden kann.
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Ferner ist eine sogenannte Sichichtungspumpe vorgesehen, die an einem
untersten Punkt im Kessel vergleichsweise kaltes Wasser absaugt und durch den Koaxialkondensator
der Wärmepumpe drückt und anschließend über ein Steigrohr nach oben entläßt, dabei
allerdings bezüglich der Umwälzgeschwindigkeit vom Kältemitteldruck gesteuert arbeitet,
so daß es gelingt, die Wärmepumpe im günstigsten Arbeitsbereich zu halten.
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Solange bei voller Umwälzgeschwindigkeit noch eine zu starke Abkühlung
des Wärmeinittels und damit eine zu starke Druckreduzierung erwartet werden kann,
wird die Umwälzgeschwindigkeit der Schichtungspumpe auf den Wärmemitteldruck und
insofern
auf die zu berücksichtigen(íe Funktion und Arbeitsweise der Wärmepumpe relativiert.
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Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Zeichnung
zeigt in schematischer Blockbilddarstellung den genieinsamen Kessel als zentrale
Energiestation, dem die einzelnen Energieerzeuger und Energieträger in entsprechender
Weise zuarbei ten.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele Der Grundgedanke vorliegender
Erfindung besteht darin, in einem einzigen gemeinsamen Kessel mit innerem Wasserraum
sowohl im oberen Bereich die Wärmetauscheranordnungen für die Warmwasserbereitung
des Brauchwassers, im mittleren Bereich die Brennkammer eines Cas- oder Ölbrenners
und unten den Koaxialkondensator einer Wärmepumpe anzuordnen, gegebenenfalls mit
weiteren ergänzenden Systemen, die sich problexallos in die C;rundkonzeption einer
zentralen Energiestation einordnen lassen.
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In der Zeichnung ist mit 1 der gemeinsame Kessel bezeichnet; er besteht
aus einem beispielsweise zylindrischen, tonnenförmigen
Gehäuse
2 mit einer geeigneten, wirksamen Wärmedänimung 3.
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Es versteht sich, daß der Kessel beliebige Formen aufweisen kann;
wesentlich fiir die Realisierung des erfindungsgemäßen Grundgedankens ist lediglich,
daß im oberen Teil des Kessels die Wärmetauscheranordnungen 4 für die vorzugsweise
möglichst konstante und gleichmäßige Erwärmung des Brauchwassers angeordnet sind,
mit Warmwasservorlauf am Austrittsanschluß 5a und Warmwasserrücklauf am Anschluß
Sb, wobei vorzugsweise zwei Wärmetauscherschlangen 6a und 6b übereinanderliegend
hintereinandergeschaltet sind. Im mittleren 'I'eil des Kessels, gesehen über dessen
vertikaler Höhe, befindet sich die 13rennkammer 7 eines geeigneten Öl- oder Gasbrenners
von beliebigem, auch konventionellem Aufbau, wobei vorzugsweise solche Brennkammern
verwendet sind, die es neben optimaler Wirtschaftlichkeit auch erlauben, die Anlage
als Niederteniperatur-, vorzugsweise sogar als Tieftemperaturkessel zu fahren. Der
Rauchgasaustritt befindet sich bei 7a; die eigentliche Brennereinrichtung ist mit
7b bezeichnet. Die Brennkammer ist als zylindrische Rohrwandung 8 ausgebildet und
vom Kesselwasser umspült.
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Schließlich befindet sich im unteren Teil des Kessels 1 der Wärmetauscher
9 einer an geeigneter Stelle außerhalh des Kessels angeordneten Wärmepumpe 10; der
Wärmetauscher 9 ist gebildet unmittelbar von dem in Koaxialausführung ausgebildeten
Kondensator der Wärmepumpe. Über die Zu- und Ruckleitungen 11a, 11b von der Wärmepumpe
10 zum Koaxialkondensatur
9 der Wärmepumpe ini unteren Teild es
Kessels 1 fließt daher das wärmepumpeneigene Kältemittel, beispielsweise Frigen
mit der Fachbezeichnung R 22.
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Die Wärniepuinpe kann beliebig ausgebildet sein; es kann sich um eine
Luft-Wasser-Wärmepumpe handeln in der sogenannten Split-Bauweise mit großer Verdampferfläche,
Aufstellung gegebenenfalls ini Freien. Es versteht sich, daß der Wärmepumpenbereich
entsprechende Kontroll- und Regeleinrichtungen, Abtauautomatik, isolierte Kältemittelleitung
u. dgl. umfaßt.
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Von Bedeutung ist ferner entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung
vorliegender Erfindung, daß, erfaßt beispielsweise an einem Meßpunkt 12 der Wärmemittelhinleitung
Druck- und Temperaturangaben des Kältemittels erfaßt und über geeignete Verbindungsleitungen
13 einer Anzeige- und Regeleinrichtung 14 zugeführt werden, auf die weiter unten
noch eingegangen wird.
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Zur Realisierung einer wünschenswerten, temperaturabhängigen Vertikalschichtung
des Kesselwassers ist nämlich eine Umwälzpumpe 15 vorgesehen, die auch als Schichtungspumpe
bezeichnet wird und die so ausgebildet ist, daß sie an einem unteren Punkt 15a in
Kessel über eine Leitung 16 kaltes oder kühles Kesselwasser entnimmt und über die
Leitung 17 dem Koaxialrohr des Koaxialkondensators 9 der Wärmepumpe 10, vorzugsweise
im im Gegenstrom zuführt, so daß auf diese Weise ein besondei's guter ärne Warnleübergang
zwischen ciem Kältemittel und dem
Kesselwasser ergibt. Nach Austritt
des durch die Schichtungspumpe 15 erzeugten Kesselwasserdurchlaufs durch den Koaxialkondensator
9 wird das so optimal erwärmte und bei l5a abgezogene Kesselwasser über eine Steigleitung
18 einem oberen Auslaßanschluß 19 im Kessel zugeführt, wodurch sichergestellt ist,
daß sich eine günstige und konstante Temperatur jedenfalls ini Brauchwasserbereich
ergibt, wo dann ausreichend erwärmtes Wasser in entsprechender Menge zur Verfügung
steht.
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Es ist eine weitere Ausgestaltung vorliegender Erfindung, die Schichtungspumpe
15 in ihrer Umwälzgeschwindigkeit, also bezüglich der Menge des durch den Koaxialkondensator
gepumpten, zu erwärmenden Wassers druckabhängig zu steuern, und zwar abhängig vom
Druck des Kältemittels der Wärmepumpe 10 in den Kältemittelleitungen 11a, 11b; diese
druckabhängige Ansteuerung ist durch die gestrichelte Verbindungslinie 20 voni Druckregler
14 zur Schichtungspumpe 15 angegeben. I)er Druckregler 14 kann beispielsweise so
ausgebildet sein, daß er die Stromzufuhr zur Schichtungspumpe 15 so lange unterbricht
bzw. auf geringeren Werten hält, bis der Kältemitteldampf einen bestimmten Druckwert
erreicht hat, beispielsweise 20 bar; der Druekregler 14 regelt dann um diesen gewünschten
Druck von 20 bar des Rtiltemitteldampfs den Betrieb der Schichtungspumpe 15 ein,
so daß bei Überschreiten des Dampfdrucks eine schnellere Gangart der Schichtungspumpe
15 angesteuert wird, wodurch mit stärkerer Abkühlung eine entsprechende Druckabsenkung
im Kältemittel erzielt wird. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, die Wärmepumpe
jeweils im günstigsten Bereich zu betreiben und
außerdem sicherzustellen,
daß sich optimale Temperaturwerte in der Kesselwasserschichtung und eine schnelle
Erwärmung erzielen lassen.
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Stellvertretend sind in der Zeichnung für alle anderen Heiz-oder Warmwasserentnahmestellen
der Vorlaufanschluß 21 und der Rücklaufanschluß 22 einer bei 23 gezeigten, aus Radiatoren
bestehenden Heizung angegeben; vervollständigt durch die Heizungsumwälzpumpe 54
und einen Mischer 55. An den Entnahmeanschluß 21 mit Rücklauf 22 kijnnen auch Mittel
zur Schwimmbadheizung, für eine Fußbodenheizung, sonstige Warmwasserbedarfsstellen
u. dgl. angeschlossen werden; ein wesentliches Teilmerkmal vorliegender Erfindung
besteht jedoch darin, daß die Vorlaufentnahniestelie 21 für zwecke" oberhalb der
Brennkammer 7, jedoch unterhalb der Wärme. tauscheranordnung 4 für das Brauchwasser
angeordnet ist, so daß sichergestellt ist, daß sich eine konstante Temperaturvorgabe
für den Brauchwasserbereich erzielen läßt.
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Es versteht sich, daß die bisher erläuterte Konzeption einer zentralen
Energiestation in beliebiger Weise durch weitere energieerzeugende Mittel ergänzt
werden kann; so ist es eine bevorzugte Ausgestaltung vorliegender Erfindung, eine
Solaranlage, die schematisch bei 26 dargestellt ist, mittels einer eigenen Wärmetauscherschlange
27 und geigneten Zu- und Ableitungen 28a, 28b in Verbindung mit einer eigenen Umwälzpumpe
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an den Kessel 1 anzuschließen; ferner ist es möglich, beliebige andere Energieträger
zur W ärnleerzeugung allgemein einzusetzen; stellvertretend für alle ist bei 30
ein fIolzfeuerkessel angeordnet, der über eine untere Verbindungsleitung 31a mit
einem unteren Einlaufanschluß 32a und über eine obere Verbindungsleitung 31b mit
einem Auslaßanschluß 32b am Kessel verbunden ist derart, daß das Kesselwasser unmittelbar
durch Umwälzung, gegebenenfalls veranlaßt durch eine weitere Umwälzpumpe 33 von
der ergänzend extern vorgesehenen zusätzlichen Heizungsquelle erwärmt wird. Diese
Ileizungsquelle kann selbstverständlich auch ein Kessel mit Tpeststoffeuerung, ein
Kaniin mit Mitteln zur Warsnwassererhitzung o. . dgl. sein.
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Der ein Wärmepumpeninnenteil, nämlich den Koaxialkondensator 9 enthaltende
Kessel dient gleichzeitig als Wärmepufferspeicher und als Verteilerstation für die
einzelnen Anschlüsse, wobei es sich versteht, daß geeignete Regelungsmittel vorhanden
sind, auf die aber nicht im einzelnen eingegangen wird, damit die zentrale Energiestation
so betrieben werden kann, daß sich geringster Energieaufwand ergibt. So ist es empfehlenswert,
mit Vorrang über die Solaranlage 36 Solarwärme auszunutzen; bei Erfassung entsprechender
Temperaturwerte von der Solaranlage läßt sich ein Umschalten auf die Wärmepumpeneinrichtung
auto matisch durchführen, wobei wahlweise auch die Befeuerung über den beliebigen
Heizungskessel 30 erfolgen kann. Dabei kaiiti eine Regelung so ausgebildet sein,
daß die Kesseltemperatur abgefragt und bei ausreichender Temperatur eine entsprechende
optische
Anzeige am Ileizungskessel 30 für Feststoffe, Kohle, holz
u. dgl.
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vorgenommen wird, um die rnanuelle Zufuhr an Heizmitteln zu verringern
oder zu beschleunigen.
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Es ist ferner möglich, die für sich gesehen bekannten Maßnahmen7 wie
die schon erwähnte Auswahl des günstigsten Energieangebots, eine bedarfsabhängige
Wärmeabgabe, insbesondere im Brauchwasserbereich, eine Betrie bskostenüberwachung
durch Betriebs -standszähler und Anzeige der Betriebszustände, eine bedarfsaD-hängige
Warmwasserbereitung in Verbindung mit einer einstellbaren, zeitabhängigen Warmwasserversorgung
und die Steuerung aller Kesseltemperaturen durch die Regelung vorzunehmen, wobei
bevorzugt auch eine Zirkulationspumpensteuerung mit Schaltuhr im Brauchwasserbereich
sinnvoll ist. Schließlich können entsprechend programmierte, witterungsabhänkig
geführte Heizkreisregelungen mit Schaltuhr vorgesehen sein.