DE4121953A1 - Beheizungssystem zum kombinierten betrieb einer niedertemperatur-heizungsanlage und eines speicherbehaelters fuer warmes brauchwasser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Beheizungssystem zum kom­ binierten Betrieb einer Niedertemperatur-Heizungsanlage und eines Speicherbehälters für warmes Brauchwasser mit einem brennstoffbefeuerten Wärmeerzeuger, mit einem in dessen Ab­ gasweg angeordneten, von Brauchwasser durchströmten, Haupt­ wärmetauscher, der über ein Wasserkreislaufsystem an den Speicherbehälter angeschlossen ist, mit einer Wasserumwälz­ pumpe in dem Wasserkreislaufsystem, mit einer Regelein­ richtung sowie mit einem Heizungswärmetauscher für die Hei­ zungsanlage.

Ein Beheizungssystem dieser Art ist aus der EP-0 1 48 988 bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung wird das Abgas eines brennstoffbefeuerten Wärmeerzeugers zur indirekten Beheizung von in einem Speicherbehälter befindlichem Brauchwasser und zur Erwärmung der Zuluft für ein Warmluftbeheizungssystem genutzt. Das Abgas durchströmt zunächst einen Abgas/Wasser- Wärmetauscher. Diesem ist stromab im Abgasweg ein Wärme­ tauscher nachgeschaltet, der als zweistufiger Kreuz- oder Gegenstromwärmetauscher ausgebildet ist. Das die zweite Stufe dieses Wärmetauschers verlassende Abgas und die die erste Stufe verlassende Abluft werden zusammengeführt und gemeinsam mittels Gebläse ausgetragen. In der ersten Stufe des Kreuz-/ Gegenstromwärmetauschers findet ein Wärmeaus­ tausch zwischen der von außen angesogenen Frischluft und der abgesogenen Abluft statt. In der im Frischluftweg stromab angeordneten zweiten Stufe wird die vorgewärmte Frischluft vom Abgas des Wärmeerzeugers aufgeheizt und anschließend den zu beheizenden Räumen als Zuluft zugeführt.

Dem Abgas/Wasser-Wärmetauscher wird primärseitig Wasser aus dem unteren Teil des Speicherbehälters zugeführt. Das den Abgas/Wasser-Wärmetauscher verlassende erwärmte Brauchwasser wird von oben in den Speicherbehälter eingebracht. Innerhalb des Speicherbehälters befindet sich ein Brauchwasser-Wärme­ tauscher, der an einen Sekundärheizkreis angeschlossen ist und zur Übernahme von Heizspitzen dient, wenn die Raumbe­ heizung mit erwärmter Zuluft nicht ausreichend ist.

Dieses bekannte Beheizungssystem hat den Nachteil, daß die beim kombinierten Betrieb eines Warmluftbeheizungssystems mit einem Speicherbehälter für warmes Brauchwasser mögliche Wärmeausnutzung nicht umfassend ist, da nur ein Teil der Kondensationswärme des Abgases genutzt wird. Die Installation eines Sekundärheizkreises ist aus energetischer und wirt­ schaftlicher Sicht ebenfalls von Nachteil, denn diese verur­ sacht insbesondere höhere Installationskosten sowie Ein­ schränkungen hinsichtlich der Raum- und Anlagengestaltung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Beheizungs­ system der gattungsgemäßen Art derart auszubilden, daß eine Niedertemperatur-Heizungsanlage mit einem Speicherbehälter für warmes Brauchwasser in energetisch vorteilhafter Weise kombiniert wird und wobei die Nachteile des bekannten Be­ heizungssystems vermieden werden.

Ausgehend von dem Beheizungssystem der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Heizungswärmetauscher parallel zu dem Speicherbe­ hälter in das Wasserkreislaufsystem geschaltet ist, wobei die Regelung die Verteilung des im Hauptwärmetauscher er­ wärmten Brauchwassers auf den Speicherbehälter und den Heizungswärmetauscher regelt, so daß das Brauchwasser auch als Wärmeträgerfluid für den Heizungswärmetauscher dient. Dieses hat den Vorteil, daß sowohl auf einen sekundären Heiz­ kreislauf als auf Zwischenwärmetauscher verzichtet werden kann.

In Abhängigkeit vom Ladezustand des Brauchwasserspeichers oder vom Wärmebedarf der Heizungsanlage wird der Wasserkreis­ lauf entweder wechselweise oder gleichzeitig im Teilstrom durch den Brauchwasserspeicher geleitet und dem Heizungs­ wärmetauscher vorlaufseitig zugeführt. Im Falle der Brauch­ wassererwärmung wird dem Hauptwärmetauscher beispielsweise Wasser mit einer Temperatur von etwa 15°C rücklaufseitig zugeführt. Während des Heizungsbetriebes beträgt die Rück­ lauftemperatur des Heizungswärmetauschers etwa 30°C. Diese niedrigen Rücklauftemperaturen ermöglichen, daß im Haupt­ wärmetauscher ein hoher Anteil der Kondensationswärme im Abgas genutzt werden kann. Hierdurch können im Vergleich zu den bisher bekannten kombinierten Beheizungssystemen die Bereitschaftsverluste sehr klein gehalten und damit deutlich höhere Nutzungsgrade erreicht werden.

Der Speicherbehälter für Brauchwasser ist vorteilhafterweise als ein nach dem Verdrängungsprinzip arbeitender Schichten­ speicher ausgebildet, wobei das Verhältnis von Höhe zu Durch­ messer möglichst größer 1,5 sein sollte. Zur Erzeugung warmen Brauchwassers wird dem Speicherbehälter das dem Wasserkreis­ laufsystem vorlaufseitig entnommene Wasser von oben zugeführt, während das dem Wasserkreislaufsystem rücklaufseitig zuge­ führte Wasser aus dem unteren Teil des Speicherbehälters entnommen wird. Die Kaltwasserzuführung ist im unteren Teil des Speicherbehälters angeordnet. Das zum Verbrauch bestimmte Warmwasser wird aus dem oberen Teil des Speicherbehälters entnommen. Hierdurch wird erreicht, daß eine sehr stabile Schichtung entsteht und auch im teilweise geladenen Zustand bereits warmes Brauchwasser mit nahezu Endtemperatur zur Verfügung steht. Zur Deckung eines größeren Bedarfs an warmen Brauchwassers sowie zur Verbesserung des Wirkungs­ grades, insbesondere in den Sommermonaten, können zwei und mehr Speicherbehälter parallel zusammengeschaltet werden.

Zwecks optimaler Energieausnutzung wird dem Wärmeerzeuger als Verbrennungsluft ein mit Frischluft angereicherter Ab­ luftstrom zugeführt, der aus den von der Heizungsanlage be­ heizten Räumen abgesaugt wird.

In Weiterbildung der Erfindung wird der Wärmeerzeuger in seiner Leistung gleitend geregelt, wobei als Führungsgrößen die im oberen und unteren Teil des Speicherbehälters ge­ messenen Wassertemperaturen und die im Wärmeträgermedium der Heizungsanlage gemessenen Temperaturen vor und hinter dem Heizungswärmetauscher dienen. In Abhängigkeit vom Wärmebe­ darf läßt sich der Wärmeerzeuger vorteilhafterweise in einem Bereich von 20 bis 100% der Nennbelastung regeln.

Erfindungsgemäß weist der Hauptwärmetauscher einen zwei­ stufigen Aufbau auf, wobei die im Abgasweg stromab ange­ ordnete zweite Stufe als ein Kondensationswärmetauscher aus­ gebildet ist. Dem Hauptwärmetauscher wird rücklaufseitig sowohl bei der Wärmeversorgung des Heizungswärmetauschers als auch bei der Erzeugung warmen Brauchwassers stets Wasser mit niedriger Temperatur zugeführt. Der zweistufige Aufbau des Hauptwärmetauschers sowie die Zuführung des zu erwär­ menden Wassers im Gegenstrom zur Strömungsrichtung der Ab­ gase und insbesondere die niedrigen Rücklauftemperaturen bewirken eine sehr hohe Kondensationswärmenutzung und somit einen besonders hohen Ausnutzungsgrad.

Die Erfindung ist dadurch weitergebildet, daß im Abgasweg stromab des Hauptwärmetauschers ein Frischluftwärmetauscher angeordnet ist, der vorzugsweise aus Wärmerohr-Registern gebildet wird. Hierdurch läßt sich der Anteil der Konden­ sationswärmenutzung noch steigern. Der Frischluftwärme­ tauscher wird primärseitig von Frischluft durchströmt, die beispielsweise für eine kontrollierte Raumbelüftung verwandt oder einem Warmluftbeheizungssystem zugeführt wird. Durch das besonders in der kalten Jahreszeit extrem niedrige Temperatur-Niveau der Frischluft läßt sich annähernd die gesamte Kondensationswärme des Wasserdampfes aus der Ver­ brennung nutzen. Dieses ist insbesondere dann der Fall, wenn der Frischluftwärmetauscher nach dem Wärmerohrprinzip ar­ beitet, wobei die Temperaturdifferenz zwischen Primär- und Sekundärseite des Wärmetauschers gegen Null geht und die Abgase fast bis auf Außentemperatur abgekühlt werden. Zur Vereinfachung der Rohrführung wird die Abluft erfindungs­ gemäß aus den von der Heizungsanlage beheizten Räumen ge­ meinsam mit den den Frischluftwärmetauscher verlassenden Abgasen des Wärmeerzeugers über eine dichte Abgasführung, wie sie für Brennwertgeräte üblich ist, ins Freie geführt.

Eine Ausnutzung des Restwärmeanteiles der abgesaugten Abluft kann in Weiterbildung der Erfindung dadurch erfolgen, daß im Frischluftweg stromauf des Frischluftwärmetauschers ein Abluftwärmetauscher angeordnet ist, welcher vorzugsweise aus Wärmerohr-Registern gebildet wird und primärseitig die von außen angesaugte Frischluft vorwärmt.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Heizungswärme­ tauschers als Luft/Wasser-Wärmetauscher lassen sich die ener­ getischen Vorteile eines Warmluftbeheizungssystems mit denen des Schichtenspeichers für warmes Brauchwasser in besonders vorteilhafter Weise kombinieren, so daß sich eine nahezu vollständige Wärmerückgewinnung erzielen läßt.

Um über einen großen Leistungsbereich eine stabile schad­ stoffarme Verbrennung zu erreichen, wird als Wärmerzeuger ein Gasbrenner mit überstöchiometrischer Primärluftvor­ mischung eingesetzt. Vorteilhafterweise kann der Gasbrenner als Sturzbrenner betrieben werden, so daß eine von oben nach unten verlaufende Abgasführung erreicht wird.

Als erfindungswesentlich offenbart gelten auch solche Kombi­ nationen der erfindungsgemäßen Merkmale, die von den oben diskutierten Verknüpfungen abweichen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der eine bevorzugte Ausführungsform darstellenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 in einem Funktionsschaubild den Aufbau eines erfindungsgemäßen Beheizungssystems zum kombi­ nierten Betrieb eines Warmluftbeheizungssystems und eines nach dem Verdrängungsprinzip arbeitenden Schichtenspeichers für warmes Brauchwasser, wobei von dem Warmluftbeheizungssystem nur ein Teil­ bereich dargestellt ist.

Fig. 2 in einem Funktionsschaubild einen möglichen konstruktiven Aufbau eines Beheizungssystems in einer Geräteeinheit.

In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugs­ ziffern versehen.

In dem schematischen Funktionsschaubild gemäß Fig. 1 sind die wesentlichen Komponenten des Beheizungssystems zum kom­ binierten Betrieb eines Warmluftbeheizungssystems und eines Schichtenspeichers 1 dargestellt.

Als Wärmeerzeuger für das Beheizungssystem dient ein über­ stöchiometrisch vormischender Gasbrenner 2, dem als Ver­ brennungsluft mittels eines Gebläses 3 angesaugte Frisch­ luft 4 zugeführt wird. Der Gasbrenner 2 wird in seiner Leistung modulierend geregelt. Als Führungsgrößen dienen die, im oberen und unteren Teil des Schichtenspeichers 1, gemessenen Brauchwassertemperaturen und die gemessenen Luft­ temperaturen vor und hinter einem Heizungswärmetauscher 5 für das Warmluftbeheizungssystem.

Im Abgasweg des Gasbrenners 2 ist ein Hauptwärmetauscher 6 mit zweistufigen Aufbau angeordnet. Dieser ist primärseitig über ein Wasserkreislaufsystem 7 mit dem Schichtenspeicher 1 und dem parallel dazu angeschlossenen Heizungswärmetauscher 5 verbunden.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung werden dem Hauptwärme­ tauscher 6, der in seiner zweiten Stufe 8 als ein Konden­ sationswärmetauscher ausgebildet ist, stets die minimal möglichen Wassertemperaturen angeboten, wodurch ein hoher Kondensationsgrad gewährleistet wird. Das im Hauptwärme­ tauscher 6 erwärmte Wasser verläßt diesen vorlaufseitig mit einer konstanten Temperatur von etwa 55 Grad C.

Zur umfassenenden Ausnutzung der im Abgas enthaltenden Kon­ densationswärme ist im Abgasweg stromab des Hauptwärme­ tauschers 6 ein als Wärmerohr-Register ausgebildeter Frisch­ luftwärmetauscher 9 angeordnet, der primärseitig Frisch­ luft 4 vorwärmt. Das hier und im Hauptwärmetauscher 6 an­ fallende Abgaskondensat wird über entsprechende Ein­ richtungen gesammelt und einer nicht dargestellten Neu­ tralisierungsanlage zugeführt.

Das Wasserkreislaufsystem 7 weist einen Vorlauf 10 und einen Rücklauf 11, eine im Vorlauf 10 angeordnete Wasserumwälz­ pumpe 12 sowie eine Regeleinrichtung 13 auf. In Abhängigkeit vom Ladezustand des Schichtenspeichers 1 und von der Wärme­ anforderung des Warmluftbeheizungssystems wird das im Haupt­ wärmetauscher 6 erwärmte Wasser mittels der Regelein­ richtung 13 dem Schichtenspeicher 1 und/oder dem Heizungs­ wärmetauscher 5 zugeführt, wobei der Schichtenspeicher 1 zweckmäßigerweise vorrangig versorgt wird.

Zum Laden des Schichtenspeichers 1 wird aus dessen unteren Teil kaltes Wasser entnommen. Dieses wird dem Hauptwärme­ tauscher 6 rücklaufseitig zugeführt und im Gegenstrom zur Strömungsrichtung der Abgase durch den Hauptwärmetauscher 6 geleitet. Das darin erwärmte Wasser wird anschließend über den Vorlauf 10 in den oberen Teil des Schichtenspeichers 1 geleitet. Der Schichtenspeicher 1 ist im unteren Teil mit einem Kaltwassereintrittsstutzen 14, der mit einer Kalt­ wasserleitung verbunden ist, und einem im oberen Teil ange­ ordnetem Warmwasserablauf 15 zum Anschluß an die Warmwasser­ installation versehen.

Das Wasser aus dem Hauptwärmetauscher 6 strömt im Gegenstrom zur Strömungsrichtung eines zu erwärmenden Zuluftstromes 16 durch den Heizungswärmetauscher 5, der als Luft/Wasser-Wärme­ tauscher ausgebildet ist. Die erwärmte Zuluft 16 wird den zu beheizenden Räumen mittels der nicht dargestellten Luft­ kanäle des Warmluftbeheizungssystems zugeführt, während gleichzeitig Fortluft 17 abgeführt wird.

Zwecks Reinigung der Zuluft 16 ist im Luftweg stromauf des Heizungswärmetauschers 5 ein Luftfilter 18 angeordnet. Die Zuluft 16 setzt sich aus der mittels Gebläse 19 abgesaugten Fortluft 17 und der erwärmten Frischluft 4 zusammen, wobei die Zusammenführung im Luftweg stromauf des Luftfilters 18 erfolgt.

Zur Wärmerückgewinnung ist im Frischluftweg stromauf des Frischluftwärmetauschers 9 ein Abluftwärmetauscher 20 ange­ ordnet. In diesem findet ein Wärmeaustausch zwischen einer aus den beheizten Räumen abgeführten Abluft 21 und der Frischluft 4 statt, wobei diese mittels eines Gebläses 22 von außen angesaugt wird. Die Abluft 21 wird mittels eines im Abluftweg stromauf des Abluftwärmetauschers 20 ange­ ordneten Gebläses 23 abgesaugt. Nach Verlassen des Abluft­ wärmetauschers 20 wird die Abluft 21 mit den Abgasen aus dem Frischluftwärmetauscher 9 zuammengeführt und über eine ge­ meinsame dichte Abgasleitung 24 ins Freie geleitet.

Das in Fig. 2 dargestellte Funktionsschaubild zeigt eine mögliche Ausführungsform des Beheizungssystems in einer Ge­ räteeinheit.

Über einen im unteren Teil des Gerätes angeordneten Ein­ laß 25 wird Frischluft 4 angesaugt. Diese strömt durch den Frischluftwärmetauscher 9 und wird dort vorgewärmt. Im Frischluftweg stromab des Frischluftwärmetauschers 9 ist eine Mischkammer 26 angeordnet, in der sich die durch eine Eintrittsöffnung 27 zugeführte Fortluft 17 mit der vorge­ wärmten Frischluft 4 vermischt. Das resultierende Luftge­ misch bildet die Zuluft 16 für das Warmluftbeheizungssystem. Diese wird von einem im Luftweg stromab der Mischkammer 26 angeordneten Gebläse 19 angesaugt und strömt anschließend durch den im Luftweg stromab des Gebläses 19 angeordneten Heizungswärmetauscher 5. In diesem wird die Zuluft 16 auf die Solltemperatur aufgeheizt.

Bevor die Zuluft 16 den zu beheizenden Räumen über die nicht dargestellten Luftkanäle des Warmluftbeheizungssystems zuge­ führt wird, wird sie in dem im Luftweg stromab des Heizungs­ wärmetauschers 5 angeordneten Luftfilter 18 gereinigt.

Ein Teilstrom der Zuluft 16 wird im Luftweg stromab des Luft­ filters 18 vom Gebläse 3 des Gasbrenners 2 angesaugt und diesem als Verbrennungsluft zugeführt. Die Abgase des als Sturzbrenner betriebenen Gasbrenners 2 mit Primärluftvor­ mischung werden im Abwärtsstrom zunächst durch den zwei­ stufigen Hauptwärmetauscher 6 geführt.

Nachdem das Abgas die als Kondensationswärmetauscher ausge­ bildete zweite Stufe 8 des Hauptwärmetauschers 6 verlassen hat, gelangt es in den im Abgasweg stromab angeordneten Frischluftwärmetauscher 9. Hier wird die im Abgas vorhandene Restwärme zur Vorwärmung der angesaugten Frischluft 4 ge­ nutzt, bevor das Abgas über den Abgasstutzen 28 die Geräte­ einheit verläßt und über eine nicht dargestellte Abgasleitung ins Freie abgeführt wird.

Das anfallende Abgaskondensat sammelt sich im unteren Teil der Geräteeinheit, wo eine Ablaufeinrichtung 29 angeordnet ist. Hier kann das Kondensat entnommen und einer nicht dar­ gestellten Neutralisierungsanlage zugeführt werden.

Im Rahmen der Erfindung sind ohne weiteres Abwandlungsmög­ lichkeiten gegeben. Anstelle eines Luft/Wasser-Wärmetauschers läßt sich das Beheizungssystem beispielsweise auch in Kombi­ nation mit einem Wasser/Wasser-Wärmetauscher als Heizungs­ wärmetauscher betreiben, wobei die Raumbeheizung z. B. durch eine Fußbodenheizung erfolgt. Durch die Entkopplung des Wasserkreislaufes der Fußbodenheizung vom Wasserkreislauf des Beheizungssystems lassen sich Korrosionsschäden ver­ meiden. Diese Kombination kann in vorteilhafter Weise durch ein kontrolliertes Raumbe- und Entlüftungssystem ergänzt werden, so daß eine umfassende Wärmerückgewinnung gewähr­ leistet ist.

Claims (9)

1. Beheizungssystem zum kombinierten Betrieb einer Nieder­ temperatur-Heizungsanlage und eines Speicherbehälters (1) für warmes Brauchwasser
mit einem brennstoffbefeuerten Wärmeerzeuger (2), mit einem in dessen Abgasweg angeordneten, von Brauchwasser durchströmten, Hauptwärmetauscher (6), der über ein Wasserkreislaufsystem (7) an den Spei­ cherbehälter (1) angeschlossen ist,
mit einer Wasserumwälzpumpe (12) in dem Wasserkreis­ laufsystem (7),
mit einer Regeleinrichtung (13) sowie mit einem Heizungswärmetauscher (5) für die Hei­ zungsanlage,
dadurch gekennzeichnet, daß der Heizungswärmetauscher (5) parallel zu dem Speicherbehälter (1) in das Wasserkreis­ laufsystem (7) geschaltet ist, wobei die Regelung (13) die Verteilung des im Hauptwärmetauscher (6) erwärmten Brauchwassers auf den Speicherbehälter (1) und den Hei­ zungswärmetauscher (5) regelt, so daß das Brauchwasser auch als Wärmeträgerfluid für den Heizungswärmetauscher (5) dient.

2. Beheizungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbehälter (1) als ein nach dem Verdrängungsprinzip arbeitender Schichten­ speicher ausgebildet ist.

3. Beheizungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wärmeerzeuger (2) als Verbrennungsluft mit Frischluft (4) angereicherte Fort­ luft (17) zugeführt wird.

4. Beheizungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeerzeuger (2) in sei­ ner Leistung gleitend geregelt wird und als Führungs­ größen, die im unteren und im oberen Teil des Speicherbe­ hälters (1), gemessenen Brauchwassertemperaturen und die im Wärmeträgermedium der Heizungsanlage gemessenen Tempe­ raturen vor und hinter dem Heizungswärmetauscher (5) die­ nen.

5. Beheizungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptwärmetauscher (6) einen zweistufigen Aufbau aufweist, wobei die im Abgasweg stromab angeordnete zweite Stufe (8) als ein Kondensa­ tionswärmetauscher ausgebildet ist.

6. Beheizungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgasweg stromab des Haupt­ wärmetauschers (6) ein Frischluftwärmetauscher (9) ange­ ordnet ist, der vorzugsweise aus Wärmerohr-Registern ge­ bildet wird, und daß Abluft (21) aus den von der Hei­ zungsanlage beheizten Räumen vorzugsweise gemeinsam mit dem Abgas des Wärmeerzeugers (2) ins Freie geführt wird.

7. Beheizungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Frischluftweg stromauf vor dem Frischluftwärmetauscher (9) ein Abluftwärmetauscher (20) angeordnet ist, welcher vorzugsweise aus Wärmerohr- Registern gebildet wird.

8. Beheizungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizungswärmetauscher (5) als Luft/Wasser-Wärmetauscher ausgebildet ist.

9. Beheizungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeerzeuger (2) ein Gasbrenner mit überstöchiometrischer Primärluftvormi­ schung ist.