DE4028490C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Bevorraten einer kleinen Menge Brauchwasser auf einem hohen Temperaturniveau - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bevorratung einer kleinen Menge Brauchwasser auf einem hohen Temperaturniveau zur Vermeidung der Legionellengefahr sowie auf eine Vorrichtung hierfür, bestehend aus einem, von mindestens einer ersten Wärmequelle beheizbaren Durchlaufspeicher für ei­ nen Kombi-Wasserheizer mit Brauchwasseraufbereitung und Raumbe­ heizung, insbesondere für ein Gaswandheizgerät, mit einem Se­ kundärwärmetauscher, durch den das Brauchwasser vom Heizwasser erwärmt wird, mit einer Zapfarmatur mit Wasserschalter sowie mit einem Dreiwegeventil für das Umschalten von Heiz- auf Brauchwasserbetrieb über eine Regeleinheit. Ein solcher Kombi- Wasserheizer mit einer Wärmequelle ist bekannt aus der EP 00 98 450 B1.

Weiterhin ist bekannt, einen Fluidspeicher, beispielsweise ei­ nen Brauchwasserspeicher, mittels zweier Wärmequellen zu behei­ zen. Hierzu werden häufig Solaranlagen benutzt, die den Spei­ cher mit einer Grundlast vorheizen, wobei die Endaufheizung durch eine elektrische Heizpatrone oder durch eine brennstoff­ beheizte Wärmequelle vorgenommen wird.

Es ist weiterhin bekannt, bei rein elektrisch beheizten Brauch­ wasserspeichern mehrere Heizregister vorzusehen, um eine Auf­ heizung von Teilvolumina des Speichers zu ermöglichen.

Bekannt ist darüber hinaus ein in der DE 37 16 430 A1 beschrie­ bener Wärmetauscher mit einem zylindrischen Behälter für Brauchwasser und einer darin untergebrachten Rohrschlange, die von einer Umlaufheizungsanlage mit Warmwasser versorgt wird. Zusätzlich ist innerhalb des zylindrischen Behälters ein Heiz­ stab angeordnet, der ebenfalls zur Temperierung des Brauchwas­ sers beiträgt. Nachteilig hierbei ist vor allem die Speicherung des Brauchwassers innerhalb eines großvolumigen zylindrischen Behälters, obwohl nur relativ wenig Brauchwasser einer mög­ lichst konstanten Temperatur benötigt wird.

Die eingangs genannten Kombi-Wasserheizer werden jedoch für Brauchwasserbereitung und Etagenheizung gebaut. Diese Ausfüh­ rung ist deswegen möglich, da der Wärmebedarf für die Brauch­ wassererwärmung nur in einer verhältnismäßig kurzen Zeit auf­ tritt, während der die Heizung unbedenklich abgeschaltet werden kann.

Bei derartigen Anlagen mit Durchlaufspeichern kann man drei Be­ triebsphasen unterscheiden:

Den Anlaufbetrieb, der bei Zapfbeginn mit der Mindestzapfmenge startet und mit Erreichen der vollen Wärmetauscherleistung en­ det, den Durchlaufbetrieb, der sich dem thermischen Anlauf an­ schließt und eine zeitlich unbegrenzte Wasserentnahme gewähr­ leistet, und den Nachladebetrieb, der den Speicherinhalt inner­ halb vorgegebener Schranken thermisch in Bereitschaft hält, um bei Zapfbeginn die noch fehlende Leistung des Wärmetauschers auszugleichen.

Bei diesen Geräten ging man bisher von einer Bevorratung des Brauchwassers und einer Nachladung der Speicherverluste durch Inbetriebnahme des angeschlossenen Heizgerätes aus. Dies be­ dingte nun einerseits eine trinkwassergemäße Ausführung des Speichers und der notwendigen Schaltorgane sowie einen nicht unerheblichen Mehraufwand an Regelungstechnik, da zwischen den angeführten Betriebsarten Anlauf, Durchlauf und Nachladen un­ terschieden werden mußte, zum anderen konnte die Legionellenge­ fahr nicht ganz ausgeschlossen werden.

Aus der DE 36 18 186 A1 ist ein Wasserverteilersystem für eine mobile oder stationäre Dekonterminationsanlage bekannt, bei der das zu entkeimende Wasser durch eine im Innern eines Durchlauf­ erhitzers angeordnete Rohrschlange hindurchgeleitet wird. Die­ ses Wasser ist aber keinesfalls als Trinkwasser, sondern be­ stenfalls als Duschwasser verwendbar.

Die Temperatur- und Entnahmevoluminabereiche unterscheiden sich dementsprechend.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und bei einer einfachen Rege­ lung ein sicheres und sparsames Verfahren zur Brauchwasserbe­ reitung sowie eine Vorrichtung hierfür zu entwickeln.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei einem Verfahren gemäß dem einleitenden Teil durch die Schritte, daß zuerst das Heizwasser mittels einer ersten Wärmequelle erhitzt und gespeichert wird, daß dann das in einem kleinvolumigen System des Sekundärwärme­ tauschers geführte Brauchwasser erwärmt wird und daß die Spei­ cherverluste ausschließlich durch Nachheizen von einer von der ersten Wärmequelle und deren Regelung unabhängige zweite Wärme­ quelle ausgeglichen werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bei einem Kom­ bi-Wasserheizer der eingangs genannten Gattung besteht darin, daß der Speicherraum des Durchlaufspeichers mit Heizwasser ge­ füllt ist, welches dort bevorratet wird, daß das Brauchwasser in dem als Glattrohrschlange gestalteten Sekundärwärmetauscher ge­ führt ist und daß für das Ausgleichen der Speicherverluste ein von der Regeleinheit unabhängig einschaltbarer Elektroheizstab vorgesehen ist.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme kann die Bevorratung einer kleinen Menge Trinkwasser auf ausreichend hohem Temperaturni­ veau bei einem Minimum an Sensoren, Stellgliedern und Steuer­ elementen erreicht werden. Weiter hat die elektrische Nachla­ dung insbesondere im Sommerbetrieb Vorteile, da hier für eine Nachladezeit von ca. zwei Minuten nicht das gesamte Gerät auf Betriebstemperatur gebracht werden muß.

Aber auch im Winterbetrieb, vor allem bei einer witterungsge­ führten Vorlauftemperaturregelung, bietet die unabhängige Vor­ heizung des Speicherraumes entscheidende Vorteile. Vor allem dann, wenn im Heizkreis sehr niedrige Temperaturen gefahren werden (Niedertemperaturkessel, Brennwertgeräte, stark abge­ senkter Nachtbetrieb). Hier entfällt das periodische Aufheizen des Gerätes auf Speichertemperatur und die anschließende uner­ wünschte Temperaturerhöhung im Heizkreis.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, bei der sowohl für den Heiz- als auch für den Brauchwasserbetrieb zur Überbrückung der Anfangsverzögerung sowie zur Dämpfung der Tem­ peraturschwingungen der Heizwasservorrat im Speicherraum als Pufferung vorgesehen ist, mündet die Vorlaufleitung in den un­ teren Bereich des Speichers, und das Vorlaufwasser wird durch Umlenkbleche schraubenförmig um ein um den Sekundärwärmetau­ scher am Behälterboden koaxial angeordnetes, vertikales Füh­ rungsrohr geleitet. Der Anschluß für die Rücklaufleitung ist im Behälterboden innerhalb des Führungsrohres vorgesehen. Durch diese Strömungsführung des Heizwassers im Speicher wird eine wirksame Glättung der Temperaturwelligkeit erreicht.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß der Elektroheizstab über eine an sich bekannte Thermostatschaltung, bestehend aus Temperaturfühler und Regelschalter, bei Unterschreiten einer Grenztemperatur des Heizwassers im Speicher unabhängig von der Regeleinheit betätigbar ist. Dadurch können die Speicherverlu­ ste schnell und sparsam ausgeglichen werden.

Eine besonders wirksame Anordnung gegen Legionellengefahr er­ gibt sich dadurch, daß der Elektroheizstab innerhalb der Glattrohrschlange des Sekundärwärmetauschers angeordnet ist.

Die Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug­ nahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Kombi-Was­ serheizers.

Der Kombi-Wasserheizer weist einen von einem Brenner 1 beheizten Primärwärmetauscher, beispielsweise einen Edelstahl-Lamellenwärmetauscher 2 auf, der an eine mit einer Umwälzpumpe 3 versehene Rücklaufleitung 4 und eine Vorlaufleitung 5 angeschlossen ist, wobei letztere einen Vorlauftemperaturfühler 6 aufweist, der an eine Meßlei­ tung 7 angeschlossen ist, die zu einem Eingang einer Re­ geleinheit 8 führt. In der Rücklaufleitung 4 ist weiter eine Dreiwegeventil 9 angeordnet, welches über einen No­ torantrieb 10 betätigbar ist. Der Motorantrieb 10 des Dreiwegeventiles 9 bezieht seine Stellenenergie über eine Leitung 11 von der Regeleinheit 8. Im Dreiwegeventil 9 münden die Heizwasser-Rücklaufleitung 12, die von einem nicht dargestellten Heizungssystem, zum Beispiel von Heizkörpern, kommt und die Speicherrücklaufleitung 13, welche vom Durchlaufspeicher 14 zum Wasserheizer zurück­ führt. Die Vorlaufleitung 5 teilt sich in einem T-Stück in die Heizungsvorlaufleitung 15 und die Speichervor­ laufleitung 16, die in den Durchlaufspeicher 14 führt, auf.

Im Speicher 14, der als Heizwasserspeicher mit entspre­ chender Isolation ausgebildet ist, ist ein Sekundärwärme­ tauscher 17, beispielsweise in Form einer Glattrohr­ schlange aus Kupferrohren, angeordnet. Koaxial um die Glattrohrschlange ist ein Führungsrohr 18 am Deckel 19 befestigt. Um dieses Führungsrohr 18 wird das Heizwasser aus der Vorlaufleitung 16 mit Hilfe von Leitblechen 20 schraubenförmig geführt. Der Anschluß für die Rücklauf­ leitung 13 ist innerhalb des Führungsrohres 18 am Deckel 19 vorgesehen.

An die Rohre des Sekundärwärmetauschers 17 ist ein Was­ serschalter 21 mit Temperaturwähler 22 und Mikroschalter 23 angeschlossen. Bei Zapfbetrieb, das heißt wenn über eine Zapfarmatur der Brauchwasserleitung 24 Warmwasser entnommen wird, strömt Kaltwasser durch die Kaltwasser­ leitung 25 über den Wasserschalter 21 nach. Durch den Druckunterschied löst der Mikroschalter 23 des Wasser­ schalters 21 durch Signale über die Leitung 26 an die Re­ geleinheit 8 den Brauchwasserbetrieb aus.

Der Brenner 1 wird über eine Gasleitung 27, über ein Gas­ ventil 28, das durch einen Magnetantrieb 29 gesteuert wird, sowie über eine Gasregeleinrichtung mit Gas ver­ sorgt. Der Magnetantrieb 29 ist durch eine Stelleitung 31, ein Gebläse 30 durch eine Leitung 32 mit der Regel­ einheit 8 verbunden. Weiter sind dem Brenner 1 noch nicht näher dargestellte Einrichtungen, wie Zündeinrichtung, Flammenmeldeeinrichtung und so weiter, zugeordnet.

Im Durchlaufspeicher 14 ist ein weiteres Heizgerät, ein Elektroheizstab 33, angeordnet. Ein Temperaturfühler 34 ist über eine Kapillarleitung 35 mit einem Regelschalter 36 verbunden. Unterschreitet durch die Speicherverluste das Heizwasser im Speicher 14 eine bestimmte Temperatur, so wird der Heizstab 33 über den Regelschalter 36 durch Schließen der Kontakte 38 an das Netz 37 angeschlossen, und der etwa eine Leistung von 0,5 bis 1 kW aufweisende Heizstab 33 kompensiert die Speicherverluste. Um die ge­ samte Anlage vom Netz trennen zu können, sind Hauptschal­ ter 39 und 40 vorgesehen.

Der Durchlaufspeicherbetrieb mit heizwasserseitiger Ener­ giebevorratung und elektrischer Nachladung funktioniert wie folgt:

Es wird davon ausgegangen, daß sich der Speicher 14 in aufgeheiztem Zustand befindet, das heißt, die beiden Kon­ takte 38 sind geöffnet. Aufgrund der Speicherverluste wird nach einiger Zeit die Thermostatschaltung aus Tempe­ raturfühler 34 und Regelschalter 36 die Kontakte 38 schließen. Der Speicherinhalt wird kurzzeitig aufgeheizt, und nach Erreichen der Soll-Temperatur öffnet der Tempe­ raturfühler 34 über den Regelschalter 36 wieder die Kon­ takte 38, und der Heizstab 33 geht außer Betrieb.

Diese Art des Nachladens der Speicherverluste ausschließ­ lich über den Elektroheizstab 33 ist wesentlich kosten­ günstiger als ein Nachladen durch den Brenner 1. Ein solches würde bedeuten, daß das gesamte Heizgerät ein­ schließlich der Leitungssysteme auf Betriebstemperatur gebracht werden müßte. Auch die Pumpe 3 müßte hierbei in Betrieb gehen. Die Wärmemenge, die dabei in den Kreislauf hineingesteckt werden muß, kann um ein Vielfaches größer sein, als die Wärmemenge, welche benötigt wird, um den Speicher 14 auf Betriebstemperatur zu halten.

Bei einem Zapfbetrieb wird über den Mikroschalter 23 des Wasserschalters 21 der Brauchwasserbetrieb ausgelöst. Das Dreiwegeventil 9 wird über die Regeleinheit 8 vom Motor 10 auf den Ladekreis umgesteuert. Gleichzeitig wird über die Regeleinheit 8 das Brennergebläse 30 und nach Ablauf der Spülzeit das Gasventil 28 sowie die Zündeinrichtung angesteuert, und der Brenner 1 geht in Betrieb. Für die Überbrückung dieser Anfangsverzögerung sowie zur Dämpfung der Temperaturschwingungen bei Taktbetrieb des Brenners steht der Heizwasservorrat zur Verfügung. Die Führung des Brenners 1 erfolgt über den Vorlauftemperaturfühler 6 mit kleinstmöglicher Hysterese. Nach Beendigung eines Zapf­ vorganges schaltet der Mikroschalter 23 am Wasserschalter 21 den Brennerbetrieb ab. Die Umwälzpumpe 3 läuft noch eine kurze Zeit nach, um die Restwärme aus der Brennkam­ mer und dem Wärmetauscher 2 abzuführen. Danach geht das Heizgerät in Bereitschaftsstellung (bei Sommerbetrieb), oder das Dreiwegeventil 9 wird über die Regeleinheit 8 wieder in den Heizkreis umgesteuert, und das Heizgerät läuft im Heizmodus (bei Winterbetrieb).

Claims (4)

1. Verfahren zur Bevorratung einer kleinen Menge Brauchwasser auf einem hohen Temperaturniveau zur Vermeidung der Legionellengefahr, bei dem Heizwasser von einer ersten Wärmequelle er­ hitzt und in einem Durchlaufspeicher gespei­ chert wird, welcher einen Sekundärwärmetau­ scher aufweist zum Erwärmen des Brauchwassers durch das Heizwasser, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherverluste ausschließlich durch Nachheizen von einer von der ersten Wärme­ quelle und deren Regelung unabhängig-zweite Wärmequelle ausgeglichen werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer ersten Wärmequelle mit einem Primärwärmetauscher zum Erhitzen von Heizwasser für die Brauchwasseraufberei­ tung und die Raumbeheizung, wobei die Vor­ richtung ein Gaswandheizgerät ist, mit einem Durchlaufspeicher, der einen Sekundärwärme­ tauscher enthält, durch den das Brauchwasser vom Heizwasser erwärmt wird, mit einer Zapfarmatur mit Wasserschalter sowie mit ei­ nem Dreiwegeventil für das Umschalten von Heiz- auf Brauchwasserbetrieb über eine Re­ geleinheit, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherraum des Durchlaufspeichers (14) mit Heizwasser gefüllt ist, welches dort bevorra­ tet wird, daß das Brauchwasser in dem als Glattrohrschlange gestalteten Sekundärwärme­ tauscher (17) geführt ist und daß für das Ausgleichen der Speicherverluste ein von der Regeleinheit (8) unabhängig einschaltbarer Elektroheizstab (33) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sowohl für den Heiz- als auch für den Brauchwasserbetrieb zur Überbrückung der Anfangsverzögerung sowie zur Dämpfung der Temperaturschwingungen der Heizwasservorrat im Speicherraum als Pufferung vorgesehen ist,
daß die Vorlaufleitung (16) in den unteren Bereich des Speichers (14) mündet, wobei das Vorlaufwasser durch Umlenkbleche schrauben­ förmig um ein um den Sekundärwärmetauscher (17) am Behälterboden (19) koaxial angeordne­ tes, vertikales Führungsrohr (18) geführt ist
und daß die Rücklaufleitung (13) im Behälter­ boden innerhalb des Führungsrohres (18) ange­ schlossen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektro­ heizstab (33) innerhalb der Glattrohrschlange des Sekundärwärmetauschers (17) angeordnet ist.