DE4206074C2 - Vorrichtung zur Regelung der Entnahmetemperatur von Brauchwasser mit Trinkwasserqualität - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der Entnahmetemperatur von warmen oder heißem Brauchwasser mit Trinkwasserqualität.

Eine solche Vorrichtung ist in der DE 40 35 115 A1 beschrieben. Dort wird eine Heizanlage mit einer oder mehreren Heizquellen und mit einem Heißwasserspeicher begrenzter Temperatur (dort 60°) vorgesehen, der über einen ersten Umwälzkreis einen Wäremetauscher speist (vgl. dortige Fig. 2). Um bei einem solchen System - in seiner Temperatur geregeltes - Brauchwasser in Trinkwasserqualität entnehmen zu können, ist der Heißwasserspeicher über eine steuerbare Umwälzpumpe mit der Primärseite des Wäremetauschers verbunden. Sekundärseitig steht der Wärmetauscher mit einem Anschluß für unter Druck stehendes frisches (kaltes) Wasser in ständig offener Verbindung. Die Ausgangsseite der Sekundärseite des Wärmetauschers (dort 58) dient der Entnahme des erwärmten Brauchwassers mit Trinkwasserqualität. Die Steuerung übernimmt im Stand der Technik ein Steuerkreis, der auf das Signal eines Strömungsmelders (dort 57) in der Brauchwasser-Entnahmeleitung anspricht und die Umwälzpumpe im Primärkreis des Wärmetauschers in Abhängigkeit von einem Brauchwasser-Sollwert und in Abhängigkeit von der Temperatur innerhalb des letzten Drittels des Wärmetauschers einschaltet, ausschaltet oder ihre volumetrische Leistung regelt.

Trotz der begrenzten Vorlauftemperatur des Heißwassers für den Primärkreis des Wärmetauschers wird mit dieser Anordnung eine vernünftige Regelgenauigkeit und Regelgüte der Ausgangstemperatur des Brauchwassers erreicht. Diese Regelgenauigkeit hängt allerdings davon ab, daß ein außerordentlich rasch ansprechender, empfindlicher Temperaturfühler im letzten Drittel des Wärmetauschers angeordnet ist. Sobald größere Schwankungen der Entnahmemenge entstehen, ist die Regelung nicht mehr in der Lage, mit ihrer begrenzten Temperatur-Stellgröße im Wärmetauscher-Primärkreis und der erfaßten Temperaturgröße im Wärmetauscher eine zufriedenstellende Regelgüte zur Verfügung zu stellen.

Ausgangspunkt der Erfindung (Aufgabe) ist deshalb der Wunsch eine Vorrichtung zu schaffen, bei der eine genauere Einhaltung der Ausgangstemperatur bei starken Schwankungen der Entnahmevolumen/Zeit enthalten wird, obwohl die Primärtemperatur des Wärmetauschers nur begrenzt ist; gleichzeitig soll der Wirkungsgrad der Vorrichtung (im Betrieb) gesteigert werden.

Das wird mit der Erfindung gemäß Anspruch 1 erreicht. Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung wird für jeden Moment der Entnahme aus der aktuellen Temperatur des entnommenen Brauchwassers (Ist- Temperatur) und der pro Zeiteinheit entnommenen Menge des Brauchwassers (gemessene Brauchwasser-Entnahmemenge) sowie aus der Zulauftemperatur des Frischwassers zum Sekundärkreis des Wärmetauschers die jeweils für die Konstanthaltung der Ausgangs- Temperatur des Brauchwassers notwendige Wärmemenge errechnet, die über die Umwälzpumpe dem Heißwasserspeicher entnehmbar und dem Wärmetauscher zuführbar ist. Der Heißwasser-Umwälzkreis wird dabei entsprechend der errechneten Wärmemenge für den Wärmetauscher so gesteuert, daß das durchlaufende Frischwasser die per Sollwert vorgegebene Temperatur aufweist, mithin kein Regelfehler und keine starken Temperaturschwankungen bei plötzlichen Entnahmemengen-Schwankungen entstehen.

Ein besonders schnell ansprechender Temperaturfühler im Wärmetauscher ist damit entbehrlich. Die Temperatur des entnommenen Brauchwassers kann gemäß der Erfindung an irgendeiner geeigneten Stelle am Ausgang des Wärmetauschers oder im Bereich der Entnahmeleitung gemessen werden. Die Genauigkeit der Temperaturregelung wird auch nicht dadurch beeinträchtigt, daß eine oder mehr als eine Entnahmestelle in unterschiedlicher oder sich verändernder Weise (auch plötzlich) geöffnet werden. Die Steuereinrichtung ist stets über die gesamte pro Zeiteinheit entnommene Brauchwassermenge informiert und regelt die zugehörige Speisepumpe des Wärmetauscher-Primärkreises entsprechend.

Obwohl die Vorlauftemperatur des Heißwasserspeichers begrenzt ist, ist der Wirkungsgrad hoch, da die Regelung auch die Rücklauftemperatur des Primärkreises des Wärmetauschers berücksichtigt und sie auf niedrigem Niveau halten zu vermag.

Mit der Erfindung entstehen weniger oder ruhigere Stellbewegungen der Umwälzpumpe des Primär-Umwälzkreises zur Einhaltung der Ausgangs-Temperatur des Brauchwassers.

Die Entnahmeleitung ist über eine weitere Umwälzpumpe mit der Frischwasser-Zulaufleitung zu einem Sekundär-Umwälzkreis zusammmengeschlossen, der mit Beginn der Brauchwasserentnahme eingeschaltet wird und dadurch die von der Brauchwasser-Mengenmessung angezeigte, pro Zeiteinheit entnommene Brauchwassermenge vorübergehend erhöht, um die Steuereinrichtung zu veranlassen, bei Beginn der Brauchwasserentnahme eine entsprechend erhöhte Wärmemenge für den Wärmetauscher zur Verfügung zu stellen. Das Wasser kann so rasch aufgeheizt werden. Dies wird dadurch noch gefördert, daß vorübergehend über diesen Umwälzkreis die Temperatur des dem Wärmetauscher zugeführten (an sich auf niedrigem Temperaturniveau liegenden) Frischwassers erhöht wird. Die Wirkung dieses zweiten Umwälzkreises kann nach einer vorbestimmten Zeit ab Beginn der Brauchwasserentnahme über die Steuereinrichtung abgeschaltet werden (Anspruch 2).

Bei dieser Ausbildung hat ein Benutzer die Möglichkeit, durch kurzes Antippen eines Entnahmeventils die zeitbegrenzte Wirkung des Sekundär-Umwälzkreises auszulösen (Anspruch 2), so daß beim Öffnen der Entnahmestelle kurz danach das Brauchwasser bereits mit der gewünschten und eingestellten Soll-Temperatur entnommen werden kann.

Eine mit letzterer zeitbegrenzten Wirkung eines Sekundär- Umwälzkreises vergleichbare Lösung ist in der DE 36 28 986 A1 beschrieben; dort wird durch einen Strömungsschalter zeitbegrenzt eine Zirkulationspumpe aktiviert, um das im Wasser Versorgungsrohr befindliche abgekühlte Wasser in den Boiler- Heizkessel zurückzuführen.

Bei einem Durchlauferhitzer mit Elektro-Heizung ist mit DE 33 06 807 A1 eine regelungstechnisch Variante beschrieben, bei der in einem Wasser-Aufwärmrohr ein ohmscher Verbraucher eingeschaltet ist, der über ein Steuergerät kontinuierlich in seiner Heizleistung steuerbar ist. Vor dem "Heizblock" ist ein Temperatursensor angeordnet, ebenso ist nach dem Heizblock ein Temperatursensor vorgesehen. Ein Durchfluß- Meßgeber ist vor dem ersten Temperatursensor vorgesehen. Alle drei Sensoren führen ihre Signale auf das Steuergerät, das abhängig von den Meßwerten die Steuerung der Heizleistung übernimmt.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Beispiel anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.

Die Anordnung gemäß dem Beispiel der Erfindung kann sowohl in Verbindung mit einem Raumheizsystem als auch als selbständige Einheit eingesetzt werden. Bei dem dargestellten Beispiel wird von einer von einem Heizungssystem unabhängigen selbständigen Anordnung ausgegangen.

Die Anordnung umfaßt einen Heißwasserspeicher 1, der an eine oder mehrere, ggf. voneinander unabhängige Heizquellen 3 über eine Umwälzpumpe 4 und Leitungen 2, 5 angeschlossen ist.

Dem Heißwasserspeicher 1 ist ein Heißwasser-Um­ wälzkreis 12 zugeordnet. Dieser taucht mit einer Ent­ nahmeleitung in den heißen Bereich des Speichers 1 und ist an dessen unterem Ende über eine Rücklaufleitung 8 angeschlossen. Die Umwälzung des Heißwassers erfolgt durch eine ein- und ausschaltbare sowie in ihrer volume­ trischen Leistung regelbare Umwälzpumpe 9 Die Ent­ nahmeleitung 6 führt das heiße Wasser in den Primärteil eines hochwirksamen, raumsparenden Wärmetauschers 7, z. B. eines Plattenwärmetauschers. Die Temperatur des entnommenen Wassers wird in dem Heißwasserbe­ reich des Speichers 1 durch Temperaturfühler 25 lau­ fend gemessen und der Meßwert wird einer zentralen Steuereinrichtung 30 zugeführt. Zweckmäßigerweise ist auch in der Rücklaufleitung 8 ein Temperaturfühler 11 angeordnet, der die Rücklauftemperaturwerte laufend an die Steuereinrichtung 30 leitet. In der Rücklauflei­ tung 8 ist ein normalerweise geschlossenes und durch einen Befehl der Steuereinrichtung 30 öffnendes Ma­ gnetventil 10 angeordnet. Dies wird von der Steuerein­ richtung 30 so gesteuert, daß der Heißwasserumwälz­ kreis 12 für den Wasserdurchlauf dadurch freigegeben wird, wenn mit der Entnahme von Brauchwasser Wär­ mebedarf im Wärmetauscher 7 auftritt.

Der wärmeaufnehmende Sekundärteil des Wärme­ tauschers 7 ist eingangsseitig mit einem Anschluß 15 für z. B. aus der üblichen Versorgungsleitung entnommenes kaltes frisches Wasser verbunden, während seine Aus­ gangsleitung 16 zu einer oder vorzugsweise mehreren Entnahmestellen 17a, 17b und 17c führt. In der Entnah­ meleitung 16 ist ein Temperaturfühler 18 und ein das durch die Leitung 16 pro Zeiteinheit fließende Wasser erfassendes Meßgerät 19 angeordnet. Beide Geräte sind an die Steuereinrichtung 30 angeschlossen.

In der Anschlußleitung 15 ist vor dem Wärmetauscher 7 ein Temperaturfühler 23 vorgesehen, der mit der Steuereinrichtung 30 verbun­ den ist.

Im dargestellten Beispiel sind die Entnahmeleitung 16 mit den Entnahmestellen 17a bis 17c zusammen mit ei­ ner durch die Steuereinrichtung 30 ein- und ausschaltba­ ren Umwälzpumpe an die Zulaufleitung 15 angeschlos­ sen und bilden somit einen den Temperaturfühler 23 und den Wärmetauscher 7 enthaltenden Umwälzkreis, der gegenüber der Zulaufleitung 15 durch ein Rückschlag­ ventil 22 abgesichert sein kann.

Die Steuereinrichtung 30 weist einen Rechner 30a und einen Zeitgeber 31 auf.

Die Steuereinrichtung 30 reagiert auf das Ansprechen des Mengenmeßgerätes 19 in der Leitung 16, das zu arbeiten beginnt, wenn an einer der Entnahmestellen 17a bis 17c warmes Wasser entnommen wird. Aus der Temperatur (23) des zulaufenden Frischwassers, der Temperatur (18) des Wassers nach Durchlauf durch den Wärmetauscher 7 und aus den vom Meßgerät 19 gelie­ ferten Mengenwerten ermittelt die Steuereinrichtung 30 die Wärmemenge, die im Wärmetauscher 7 dem zu­ laufenden Frischwasser zugeführt werden muß, damit das entnommene Brauchwasser eine vorgegebene Soll- Temperatur aufweist. Die jeweils ermittelte benötigte Wärmemenge veranlaßt die Steuereinrichtung 30 den Heißwasserumwälzkreis 12 über die regelbare Pumpe 9 so zu steuern, daß im Wärmetauscher 7 die erforderliche Wärmemenge zur Verfügung steht und abgegeben wird. Dazu schaltet die Steuereinrichtung 30 bei Ansprechen des Meßgerätes 19 das Ventil 10 in Öffnungsstellung und die Pumpe 9 ein. Die zur Anlieferung der benötigten Wärmemenge erforderliche volumetrische Leistung der Pumpe 9 wird in Abhängigkeit der bei 25 gemessenen Heißwassertemperatur und der Rücklauftemperatur (11) eingesteuert.

Das Ventil 10 verhindert einen Durchfluß durch den Umwälzkreis 12, wenn alle Entnahmestellen geschlos­ sen sind, jedoch der die Heizquelle 3 enthaltende Um­ wälzkreis in Betrieb ist.

Der Umwälzkreis kann so eingestellt werden, daß die Rücklauftemperatur in der Leitung 8 im wesentlichen konstant auf einem relativ niedrigen Wert liegt.

Im Umwälzkreis 20 ist der Temperaturfühler 23. Dieser Um­ wälzkreis 20 wird in dem Augenblick wirksam, an dem das Meßgerät 19 eine Strömung in der Entnahmeleitung 16 signalisiert und die Steuereinrichtung 30 anspricht und in diesem Augenblick die Umwälzpumpe 21 ein­ schaltet. Das bedeutet, daß die in der Entnahmeleitung 16 pro Zeiteinheit fließende Wassermenge um den durch den Umwälzkreis 20 der Anschlußleitung 15 wie­ der zugeführten Wasseranteil größer ist als der aus der Versorgungsleitung zufließende Frischwasseranteil und entsprechend höher auch als der an den Entnahmestel­ len 17a bis 17c tatsächlich entnommene Wasseranteil. Diese Erhöhung der Durchflußmenge führt zu einer rechnerischen Erhöhung der am Wärmetauscher 7 be­ nötigten Wärmemenge. Bei Beginn der Wasserentnah­ me wird somit das Wasser außerordentlich schnell er­ wärmt, so daß in kürzester Zeit nach Beginn des Entnah­ mevorganges das entnommene Wasser mit der einge­ stellten Soll-Temperatur zur Verfügung steht. Die Um­ wälzpumpe 21 wird von der Steuereinrichtung 30 in Abhängigkeit von dem Zeitgeber 31 nach vorbestimm­ ter kurzer Zeit wieder abgeschaltet. Die Laufdauer der Umwälzpumpe 21 ist unabhängig von der Entnahme­ dauer. Die Pumpe läuft ihre vorgegebene Zeit auch dann, wenn an einer Entnahmestelle nur momentan Wasser entnommen wird. Der Verbraucher hat es also in der Hand, durch momentanes Öffnen eines Hahnes die Aufheizung des Frischwassers in Gang zu setzen, so daß er nach wenigen Augenblicken, wenn er erneut den Hahn öffnet, das Wasser mit der gewünschten Tempera­ tur entnehmen kann.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Regelung der Entnahmetemperatur von warmem oder heißem Brauchwasser mit Trinkwasserqualität, bei der

• a) ein - von einer oder mehreren Heizquellen (3) gespeister und in seiner Wasser-Entnahmetemperatur (25) begrenzter - Heißwasserspeicher (1) die Wärmeabgabeseite eines Wärmetauschers (7) über eine steuerbare Umwälzpumpe (9) in einem Heißwasser- Umwälzkreis (12) versorgt;
• b) die Wärmeaufnahmeseite des Wärmetauschers (7) mit einem Anschluß (15) für unter Druck stehendes Frischwasser in ständig offener Verbindung steht und über eine Brauchwasser-Entnahmeleitung (16) zumindest eine Entnahmestelle (17a bis 17c) mit heißem Brauchwasser versorgt;
• c) eine Steuereinrichtung (30) mit einem Rechner bei Entnahme von Brauchwasser an der zumindest einen Entnahmestelle (17a bis 17c)
  • 1. aus der dem Wärmetauscher (7) entnommenen Brauchwassermenge (19) pro Zeiteinheit,
  • 2. aus der Zulauftemperatur (23) des Frischwassers sowie
  • 3. aus der (gemessenen) Temperatur (18) in der Entnahmeleitung (16)
  den Wärmebedarf für den Wärmetauscher (7) errechnet;
• d) unter Berücksichtigung von Entnahmetemperatur (25) und Rücklauftemperatur (11) die volumetrische Leistung der Umwälzpumpe (9) gemäß Merkmal (a) während der Entnahme des Brauchwassers zur Regelung der Entnahmetemperatur (18) von der Steuereinrichtung (30) gesteuert wird und
• e) die Entnahmeleitung (16) des Wärmetauschers (7) über eine weitere Umwälzpumpe (21) und ein Rückschlagventil (22) an den Frischwasser-Anschluß (15) angeschlossen ist und abhängig von der Brauchwasser-Entnahme (17a bis 17c) eingeschaltet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Umwälzpumpe (21) über eine Steuereinrichtung (30) eingeschaltet und über einen einstellbaren Zeitgeber (31) ausgeschaltet wird.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Heißwasser-Umwälzkreis (12) ein öffnendes Sperrventil (10) zugeordnet ist, das abhängig von der Brauchwasser-Entnahme (17a bis 17c) gesteuert wird.