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Schaltung zum Steuern der Wärmeabgabe einer
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brennstoffbeheizten Wärmequelle Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Schaltung zum Steuern der Wärmeabgabe einer brennstoffbeheizten Wärmequelle
gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Solche brennstoffbeheizten Wärmequellen bestanden bislang in der Regel
aus Umlauf-Wasserheizern oder Kesseln, denen zwei Kreisläufe nachgeschaltet waren,
wobei der eine zur Speisung einer Heizungsanlage diente, die ihrerseits aus einer
Vielzahl parallel oder in Serie geschalteter Radiatoren oder Konvektoren bestehen
konnte oder aus einer Fußbodenheizungsanlage bestand. Der zweite Heizkreis hatte
einen Brauchwasserbereiter zum Inhalt, der einerseits nach dem Durchflußverfahren,
andererseits nach dem Speicherverfahren arbeiten konnte. Hierbei war es möglich,
die beiden Kreise durch Vorrangschalter umzusteuern, beispielsweise veranlaßte ein
Unterschreiten der Temperatur des im Speicher gespeicherten Brauchwassers ein Umsteuern
des Heizkessels von der Heizungsanlage auf
den Brauchwasserspeicher.
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Es ist weiterhin bekanntgeworden, zur Regelung eines Umlauf-Wasserheizers
einen Raumthermostaten zu verwenden.
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Hierzu war an der Wand eines der von dem Umlauf-Wasserheizer über
dessen Heizkreis zu beheizenden Räume ein Raumtemperaturfühler zugeordnet, der den
Raumtemperatur-Istwert für eine Steuer- und Regelschaltung bildete. Je nach der
Abweichung des an der Steuer- und Regelschaltung eingestellten Sollwertes wurde
die Wärmemenge zu allen Heizkörpern oder der Heizungsanlage variiert. Die Temperaturregelung
arbeitete demgemäß über einen Testraum für alle anderen Räume mit. Ober normale
Radiator-Stel lventile bzw. Thermostatventile war hier eine Abschaltung bzw. Drosselung
einzelner Heizkörper des Heizkreises möglich. Der eben beschriebene Raumtemperaturfühler
konnte sowohl dazu dienen, den Brenner des Umlauf-Wasserheizers ein- und auszuschalten,
es war auch möglich, zusätzlich die Umwälzpumpe des Heizkreises zu schalten.
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Bei Kesseln und Umlauf-Wasserheizern, die über mit Thermostatventilen
versehene Heizkörper das Gebäude beheizen ist weiterhin üblich, die Vorlauftemperatur
in Abhängigkeit von der Außentemperatur zu steuern. In diese zentrale Steuerung
greifen dann die einzelnen Thermostatventile mit je einem Regelkreis für die ihrem
Raum zugeordnete
Temperatur ein.
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Diese Verhältnisse ändern sich aber grundlegend, wenn als brennstoffbeheizte
Wärmequelle eine Speicherkonstruktion dient. So ist es in letzter Zeit bekanntgeworden,
daß man einen eigentlich für eine Brauchwasserspeicherung vorgesehenen gasbeheizten
Brauchwasserspeicher auch für eine Heizungsanlage als Wärmequelle in Betracht ziehen
kann, wenn die im gespeicherten Brauchwasser ihrerseits gespeicherte Wärme mittels
einer in den Wasserraum des Brauchwasserspeichers ragenden Rohrschlange auf einen
Heizkreis übertragen werden kann. Die Temperatur des Heizkreises kann demgemäß nie
höher als die des gespeicherten Brauchwassers sein. Dieses System hat generell den
Nachteil, daß bei großer Wärmenachfrage aus dem Heizkreis die Brauchwassertemperatur
auf niedrige Werte sinkt. Weiterhin ist der Nachteil vorhanden, daß beim Hochheizen
der Räume des Gebäudes durch den Heizkreis und bei Erreichung des Raumtemperatur-Sollwertes
den Räumen immer noch Wärme zugeführt wird, obwohl dies eigentlich gar nicht notwendig
ist. Diese Betriebsweise verhindert ein schnelles Hochhei2en des Brauchwassers,
oder, anders formuliert, es führt zu einem zu hohen Aufheizen des Heizkreises und
damit zu einer Brennstoffverschwenung.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine
Schaltung anzugeben, mit der bei der Verwendung eines Speichers als Wärmequelle
sowohl zur Brauchwasserbereitung als auch zur Speisung eines Heizkreises eine optimale
Energieausnutzung möglich ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Hauptanspruchs.
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Weitere Ausgestaltungen und besonderes vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche beziehungsweise gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, die Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren eins
bis vier der Zeichnung näher erläutert.
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Die Figuren eins bis vier zeigen Schaltungen für eine Zentralheizungsanlage
unter der Verwendung eines Speichers als Wärmequelle mit der zugehörigen Regel-
beziehungsweise Steuerschaltung.
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In allen vier Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen
Einzelheiten.
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In der Figur eins ist ein von einen Gasbrenner 2 beheizter Wasserspeicher
3 vorgesehen, der über eine Zapfleitung 4 einen oder mehrere nicht dargestellte
Brauchwasserverbraucher speist. Oas Brauchwasser wird dem Speicher über eine Netzzuleitung
5 kalt zugeführt. Der
Speicher ist von zylindrischer Bauart und
weist einen Außenmantel 6 mit einem innenliegenden Flammrohr 7 auf, so daß zwischen
beiden ein ringförmiger Speicherraum 8 entsteht, der unten von einem Boden 9 und
oben von einem Deckel 10 begrenzt ist, durch den das Flammrohr 7 nach oben hindurchragt.
Die Zapfleitung 4 endet im obersten Bereich des Ringraums 8, die Kaltwasserzulaufleitung
5 hingegen im untersten Bereich des Ringraums 8. In diesem Bereich ist das Flammrohr
7 , zum Brenner nach Art eines Brennraumes mit Kegelgestalt öffnend, ausgebildet.
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In den Ringraum 8 taucht eine Wärmetauscher-Rohrschlange 11, die an
eine Rücklaufleitung 12 und eine Vorlaufleitung 13 angeschlossen ist. Die Vorlaufleitung
13 führt über ein mit einem Antriebsmagneten 14 versehenes Magnetventil 15 zu einem
Verzweigungspunkt 16 und von dort als Heizkreis-Vorlaufleitung 17 zu einer Vielzahl
parallel und/oder in Serie geschalteter Radiatoren oder Konvektoren 18.
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Von den Radiatoren geht die mit einer Umwälzpumpe 19 versehen Heizkreis-Rücklaufleitung
20 aus und führt zu einem Verzweigungpunkt 21, an den eine Bypaßleitung 22 angeschlossen
ist, die unter Zwischenschaltung eines weiteren Magnetventils 23, das mit einem
Antriebsmagneten 24 versehen ist, mit dem Verzweigungspunkt 16 verbunden ist.
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An den Verzweigungspunkt 21 ist die mit einer Rückschlagklappe 25
versehene Rücklaufleitung 12 zur Wärmetauscherrohrschlange 11 angeschlossen.
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Die beiden Magnete 14 und 24 der Magnetventile 15 und 23 sind über
je eine Stelleitung 26 beziehungsweise 27 an die Steuer- und Regelvorrichtung 28
angeschlossen, die einen Sollwert-Geber 29 aufweist und über eine Meßleitung 30
mit einem Raumtemperaturfühler 31 verbunden ist, der die Raumtemperatur eines ausgewählten
Raumes abfühlt, der über einen Heizkörper 18 des Heizkreises 32 beheizt ist.
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Der Heizkreis schließt hierbei die Elemente 16 bis 23 ein.
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Es muß noch erwähnt werden, daß der Speicher 3 selbst über einen eigenen
Temperaturregelkreis verfügt. So ist im Innenraum 8 ein Temperaturfühler 33 vorgesehen,
der über eine Meßleitung 34 mit einem Temperaturregler 35 verbunden ist, der seinerseits
einen Sollwert-Geber 36 besitzt. Der Temperaturregler 35 beinhaltet ein Stellglied
in Form eines Gasventil 37, das im Zuge einer den Brenner 2 speisenden Gaszuleitung
38 angeordnet ist.
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Dieses Gasventil 37 kann seinen Querschnitt stetig ändern, es ist
auch ein Betrieb in einem Pulspausenverhältnis möglich.
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Für die Funktion der in der Figur eins dargestellten Heizungsanlage
wird
zunächst davon ausgegangen, daß sich die gesamte Heizungsanlage im kalten Zustand
befindet. Wird sie eingeschaltet, registriert der Temperaturfühler 33 eine erhebliche
Regelabweichung für den Wasserinhalt des Speichers 3. Der Brenner 2 wird eingeschaltet,
und der Brauchwasserinhalt des Speichers 3 wird aufgeheizt. Bei Annäherung der vom
Temperaturfühler 33 abgefühlten Speicher-Ist-Temperatur an den am Sollwert-Geber
36 eingestellten Sollwert wird das Gasventil 37 geschlossen und die Beheizung des
Speichers 3 durch den Brenner 2 beendet.
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Eine Wasserzapfung durch Offenen eines im Zuge der Zapfleitung 4 liegendes
Zapfventil führt zu einem Nachströmen kalten Gebrauchwassers und damit zu einem
Unterschreiten des Temperatur-Sollwertes und somit zu einer Nachheizung des Speicherinhalts.
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Der Heizkreis 32 ist so ausgebildet, daß im Ruhezustand das Magnetventil
15 geschlossen, das Magnetventil 23 geöffnet ist. Verlangt nun der Heizkreis 32
Wärme, weil der Raumtemperaturfühler 31 einen vom am Sollwert-Geber 29 eingestellten
Raumtemperatursollwert abweichenden Istwert registriert, so resultiert ein Einschaltbefehl
für die Umwälzpumpe 19 und ein Umschaltbefehl zu einer Stellungsänderung der beiden
Magnetventile durch die Steuervorrichtung 28. Das Magnetventil 15 wird geöffnet,
das Magnetventil 23 geschlossen. Nunmehr wird das im
Heizkreis
befindliche Wasser durch die Wärmetauscherrohrschlange 11 umgewälzt, und es beginnt
eine Aufheizung der Räume durch die Heizungsanlage. Der Raumtemperaturfühler 31
wird in dem Raum des vom Heizkreis beheizten Gebäudes angebracht, der thermisch
am schnellsten reagiert.
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Erreicht die Raumtemperatur in diesem Raum den Sollwert, so findet
eine Umschaltung der Magnetventile in den Ruhezustand statt. Das heißt, mit dem
Erreichen der Raumtemperatur im Testraum findet ein Abkoppeln des Heizkreises 32
vom speisenden Speicher 3 statt. Die Folge hiervon ist, daß der Inhalt des Speichers
entweder schneller hochgeheizt werden kann, um für weitere Brauchwasserzapfung zur
Verfügung zu stehen, da die Belastung durch den Heizkreis fehlt oder der Brenner
wird außer Betrieb genommen, weil die Speicher-Istwert-Temperatur die Speicher-Sollwert-Temperatur
alsbald erreicht hat.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur zwei ist der Gasbrenner durch
einen Ulbrenner ersetzt worden und die beiden Magnetventile 15 und 23 durch einen
stetiq sich verstellenden Drei-Wege-Mischer 40. Dieser Drei-Wege-Mischer 40 ist
mit seinem einen Ausgang an die Bypaßleitung 22, mit seinem zweiten Ausgang an die
Wärmetauscher-Rohrschlange 11 über die Leitung 13 und mit seinem dritten Ausgang
an die Leitung 17 angeschlossen, in der die
Pumpe 19 angeordnet
ist. Der Drei-Wege-Mischer 40 weist einen Antriebsmotor 41 auf, der über eine Stelleitung
42 mit der Steuervorrichtung 28 in Verbindung steht.
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Die Wärmetauscher-Rohrschlange 11 ist insoweit abgewandelt, als daß
sie unmittelbar auf den Außenmantel des Flammrohrs 7 aufgewickelt und mit ihm thermisch
gut leitend verbunden ist. Dies kann durch Aufwickeln unter Vorspannung, Aufschweißen
oder Auflöten geschehen. Gegebenenfalls kann im übrigen die gesamte dem Wasserringraum
8 zugewandte Fläche der Bauteile 6, 7, 9, 10 und 11 emailliert sein.
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Der Brenner 43 ist als Ulgebläsebrenner ausgestaltet, der über eine
Umleitung 44 von einem Ultank gespeist ist.
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Bezüglich der Funktion ergibt sich kein allzu großer Unterschied zu
dem Ausführungsbeispiel der Figur eins.
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Bei steigender Raumtemperatur im Testraum wird von der Steuer- und
Regelvorrichtung 28 auf die Stelleitung 42 ein Befehl zum Betätigen des Stellmotors
41 gegeben, der den Drei-Wege-Mischer so verstellt, daß die Bypaßleitung 22 auf
die Vorlaufleitung 17 geschaltet wird. Hierbei sind Zwischenstellungen möglich.
Dies führt zu einem mehr oder weniger starken Abkoppeln des Heizkreises 32 vom speisenden
Brauchwasserspeicher 3. Beim Unterschreiten der Raumtemperatur wird der Mischer
wieder geöffnet, so
daß die Wärmetauscher-Rohrschlange 11 wieder
mehr oder weniger stark an den Heizkreis 32 angeschlossen wird.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur drei besteht der wesentliche
Unterschied darin, daß die Wärmetauscher-Rohrschlange 11 nicht mehr unmittelbar
in den Wasserraum 8 des Speichers 3 gelegt ist, sondern Teil eines gesonderten Obergabe-Wärmetauschers
50 ist. Dieser Obergabe-Wärmetauschers 50 weist in seinem Innenraum zwei thermisch
miteinander verbundene Rohrschlangen auf, von denen die Wärmetauscher-Rohrschlange
11 über die Vorlauf- und Rücklaufleitungen 12 und 13 an den Speicherwasserraum 8
des Wasserspeichers 3 angeschlossen ist, während die andere Rohrschlange 51 unmittelbar
mit den Heizkreisvor- und Rücklaufleitungen 17 und 20 verbunden ist.
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Die Ausbildung kann auch so getroffen sein, daß eine der beiden Rohrschlangen
11 oder 51 entfällt und statt dessen nur eine Rohrschlange vorgesehen ist, die unmittelbar
vom Fluid entweder des Heizkreises oder der Vor- und Rücklaufleitungen 12 und 13
umspült ist.
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Die Stelleitung 26 der Steuervorrichtung 28 arbeitet auf den Antriebsmotor
52 einer Pumpe 53, die Wasser des Wasserspeichers 3 durch die Rohrschlange 11 über
die beiden Leitungen 12 und 13 umwälzt.
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Wenn der Raumtemperatur-Istwert, gemessen vom Raumtemperaturfühler
31, sich dem am Sollwert-Geber 29 eingestellten Sollwert annähert und ihn erreicht,
wird Uber die Stelleitung 26 über ein Signal der Steuervorrichtung 28 der Antriebsmotor
52 der Pumpe stillgesetzt. Damit ist der Heizkreis 32 vom Speicher abgekoppelt,
obwohl die Pumpe 19 weiterlaufen kann oder ihrerseits auch stillgesetzt werden kann.
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Ein Einschalten der Pumpe 53 und der Pumpe 19 geschieht dann wieder,
wenn der Sollwert der Raumtemperatur um einen gewissen Wert unterschritten wird.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur vier ist die Wärmetauscher-Rohrschlange
11 wieder unmittelbar auf dem Flammrohr 7 befestigt, sie erstreckt sich allerdings
nur im oberen Bereich des Flammrohres und mündet auf etwa dessen halber Höhe rücklaufseitig
in den Ringraum 8 des Speichers 3. Somit strömt nicht mehr das Wasser der obersten
Schichten, wie beim Ausführungsbeipiel gemäß Figur drei, in den Obergabe-Wärmetauscher
50, sondern nur noch das Wasser aus einer mittleren Höhe des Speicherbehälters 3.
Das im obersten Teil des Wasserspeichers angesammelte Brauchwasser bleibt in Ruhestellung
und wird hierbei nicht mehr durchmischt. Die Folge davon ist eine höhere
erzielbare
Brauchwassertemperatur bei verbesserter Zapfcharakteristik.