DE4231621A1 - Doppelmantel-rauchgasableitungsrohr als rauchgasheizflaeche mit brennwerttechnik und warmwasserboiler, waermetauscher sowie integrierter universal-heizkesselanlage - Google Patents

Description

Der Erfindung liegt der Zweck zugrunde, in einfacher Weise und möglichst ohne den Verbraucher mit Mehrkosten gegenüber herkömmlicher Bauweise zu belasten, Energie zu sparen und die Umwelt zu schützen. Zu diesem Zweck wurde das Doppelmantel-Rauchgasableitungsrohr mit integrierter Heizkesselanlage, Brennwerttechnik und Wärmerückgewinnung entwickelt mit generellem Funktionsprinzip wie folgt.

Der Heizkessel kann für Heizöl, Gas oder Festbrennstoffe ausgelegt sein. Der Heizkessel wärmt das Heizungswasser auf ca. 70°C und fördert es mittels der Heizungsumwälzpumpe kontinuierlich in den Heizungsvorlauf (siehe Fig. 7). Die Heizungsumwälzpumpe bewirkt eine Zirkulation des Wassers im Kessel-Heizungsvorlauf-Heizungsrücklauf-Kessel, wobei das ankommende abgekühlte Wasser im Kessel immer wieder auf ca. 70°C aufgewärmt wird (je nach Einstellung). Der Rauchgasstutzen des Heizkessels mündet in das Doppelmantel- Rauchgasableitungsrohr. Die heißen Rauchgase geben bei der Strömung nach oben durch das Doppelmantelrauchgasableitungsrohr den größten Teil ihres Wärmeinhaltes an das im Doppelmantel des Doppelmantel-Rauchgasableitungsrohres befindliche Wasser ab. Dieses Wasser im Doppelmantel ist gleichzeitig der Heizungsrücklauf, so daß der Heizkessel hierbei über das Thermostat gesteuert, der Brenner abschaltet, wenn das Wasser somit schneller seine Vorlauftemeperatur von ca. 70°C erreicht hat.

Energie-Einsparung der dadurch erreichten längeren Stillstandszeiten des Brenners.

Durch die Wärmeabgabe der Rauchgase im Doppelmantel wird die Temperatur der Rauchgase (Abgase) gesenkt und erreichen an der Mündung nur noch 30°-50°C. Die Einregulierung des Brenners erfolgt unter diesem Gesichtspunkt. Der Heizöl- oder Gasbrenner wird im Betrieb so eingestellt, daß die Mündungstemperatur zwischen 30° und 50°C liegt. Diese Temperaturen liegen deutlich unter der Taupunkttemperatur von 54°C. Das dampfförmig vorliegende Wasser in den heißen Rauchgasen (insbesondere bei Gasbefeuerung) kondensiert bei dieser Temperatur ab 54°C und tiefere Temperatur gemeinsam auch mit diversen Schadstoffen zum Kondensat, daß im Rauchgasableitungsrohr nach unten abläuft und am unteren Ende abgenommen werden kann. Bei diesem Vorgang entsteht aber durch erneute Verdampfung des im Kondensat enthaltenen Wassers die Latentwärme. Somit wird eindrucksvoll die sog. Brennwerttechnik zusätzlich zur direkten Wärmerückgewinnung aus den Abgasen genutzt. Insbesondere bei Erdgasbefeuerung ergeben sich Wärmeverlust-Einsparungen wie folgt:
Wärmeverluste ohne Brennwerttechnik

Abgasverlust|10%
Latentwärme	10,2%
Gesamtverlust	20,2%

Wärmeverluste mit Brennwertnutzung und Abgaskühlung auf 30°C

Latentwärme|2%
Abgaswärme	0,6%
Gesamtverlust	2,6%

Berechnungsgrundlage: "Siegertsche Formel" in%

Der untere Teil des Doppelmantel-Rauchgasableitungsrohres ist als Heizkesselanlage ausgebildet. Die Rauchgasstutzen vom Heizkessel in das Doppelmantel-Rauchgasableitungsrohr befinden sich somit mit der Einlaßöffnung im Innern vertikal zum Brennraum (Fig. 7, 8 u. 9). Die gesamte Heizanlage eines Gebäudes erfährt bei Verwendung des Doppelmantel- Rauchgasableitungsrohres mit integriertem Heizkessel und Warmwasserboiler als Heizungsanlage eine enorme Vereinfachung als Ganzes, eine enorme Vereinfachung der Gesamtinstallation (Wegfall von Steigsträngen, Warmwasserboileranschlüsse, Kesselaufbau usw.) und damit eine große Anschaffungseinsparung zusätzlich der Energie-Einsparung und des Umweltschutzes. Bezüglich des Funktionsprinzips folgende Ausführungen (siehe Fig. 7 und 8):

Im integrierten Heizkessel schwankt bei Feststoff- Verbrennung die Rauchgasrohr-Mündungstemperatur bei offener Verbrennungsluftklappe aus feuertechnischen Gründen (z. B. viel oder wenig Festbrennstoff im Brennraum). Die Anlage ist am besten für Gas- oder Heizölbetrieb geeignet. Sie funktioniert aber auch mit Festbrennstoff-Heizkessel. Bei Betrieb der Anlage mit Heizöl oder Gas jedoch ist diese Temperatur fast immer gleich, weil immer die gleiche eingestellte Brennstoffmenge zugeführt wird. Der integrierte Heizkessel wird wie der externe geregelt durch das Regel- und Sicherheitsthermostat. Dieses Thermostat reagiert auf die heißeste Stelle der Wassertemperatur im Heizkessel, so öffnet das Thermostat und der Heizkessel wird abgeschaltet. Das Thermostat schließt und schaltet somit den Heizkessel wieder ein, wenn sich das Wasser um ca. 4°C abgekühlt hat.

Bei Gas- oder Heizölbrennstoff erfolgt diese Regelung durch Ein- und Ausschalten des Brenners. Bei Festbrennstoffen durch Öffnen und Schließen der Verbrennungsluftklappe. Die Heizungsumwälzpumpe läuft aber weiter. Beim Abschalten wird zugleich eine dichtschließende Rauchgasabsperrklappe betätigt. Diese sitzt zwischen Kesselaustritt und Rauchgasableitungsrohreintritt. Diese Vorrichtung bewirkt, daß das Doppelmantel-Rauchgasableitungsrohr nicht durch Luftzug gekühlt wird. Des weiteren wird das Ausströmen heißer Rauchgase aus dem Kessel verhindert. Dadurch kann die Temperatur im Heizkessel, im Vor- und Rücklauf länger auf hohem Niveau gehalten werden. Es entsteht gewollt ein Wärmestau. Ein Heizungssicherheitsventil am Kessel öffnet bei Überschreiten eines bestimmtenn Wasserdruckes im Kessel und läßt Heißwasser ab. Gleichzeitig wird über eine Wasserzulaufeinrichtung kaltes Wasser in das System eingeführt. Das Heizungsausdehnungsgefäß nimmt infolge Wärmeausdehnung im Doppelmantel Volumina auf.

Beim Überschreiten einer Temperatur von 97°C im Heizungsvorlauf setzt ein Sicherheitsventil als thermische Ablaufsicherung ein. Über der im Doppelmantel-Rauchgasableitungsrohr integrierten Heizkesselanlage befindet sich der Warmwasserboiler, der direkt dem Bereich der heiß entweichenden Abgase ausgesetzt ist und somit Warmwasser allein schon durch diese Abgaswärme produziert, die andernfalls verloren wäre. Während des Sommerbetriebes sind die Zweiwegventile geschlossen, so daß kein Warmwasser in den Heizungsvorlauf und somit zu den Heizkörpern gelangt (Fig. 7 u. 8).

Das Heißwasser, welches der Heizkessel produziert, wird durch Wärmetauscher, die sich im Warmwasserboiler befinden, hindurchgeführt und heizen somit ebenfalls das im Warmwasserboiler befindliche Brauchwasser auf. Während also der Brenner bewirkt, daß Heißwasser im Heizkessel produziert wird, heizen die Abgase hierzu parallel das Wasser im gesamten Doppelmantel auf, am stärksten natürlich im Bereich des Warmwasserboilers. Bereits hieraus ergibt sich eine hohe Effizienz. Des weiteren erwärmt sich aber auch das über den Warmwasserboiler im Doppelmantel befindliche Wasser. Hier befinden sich Wärmetauscher in Form lamellierter Rohrleitungsstränge vertikal durch den gesamten restlichen Doppelmantel. Der Eintritt der Wärmetauscher in das erwärmte Wasser im Doppelmantel ist der Kaltwasserzulauf. Das kalte Leitungswasser erwärmt sich in diesen Wärmetauschern und wird als Zulauf in den Warmwasserboiler eingespeist. Eine weitere Nutzung der ansonsten verlorenen Wärme, denn der Heizkessel einerseits mit seinen Wärmetauschern sowie die Abgaswärme für den Warmwasserboiler andererseits, heizen nunmehr bereits vorgewärmtes Wasser (30°-40°C) auf ca. 50°C-60°C, anstatt kaltes Leitungswasser von etwa 13 bis 15°C. Darüber hinaus kann das Doppelmantel-Rauchgasableitungsrohr mit integriertem Heizkessel und Warmwasserboiler mit Solaranlage ausgerüstet werden. Die Anschlüsse dafür sind in jedem Falle bereits vorhanden sowie der Pufferspeicher (Doppelmantel). Außerdem entfallen sämtliche Verrohrungen zu einem Speicher im Keller, weil die Zuleitungen zwischen Solaranlage und Pufferspeicher direkt unter dem Dach des betreffenden Gebäudes an den Doppelmantel angeschlossen werden. Hieraus ergeben sich, insbesondere bei Sommerbetrieb, kostenlose Wärmeenergien mittels Wärmetauscher (ebenfalls im Doppelmantel), die das Wasser dort aufheizen und der Brauchwasserbereitung zugutekommen über die Wärmetauscher als Zulauf für Kaltwasser (Fig. 9).

Im Betrieb während der Heizperiode sind über die Zweiwegeventile die Heizungsvorlauf- und Heizungsrücklaufleitungen geöffnet. Nunmehr wird der Heizungsvorlauf mit Warmwasser gespeist, während die Abgase parallel dazu das im Doppelmantel befindliche Brauchwasser heizen. Gleichzeitig ist wie im Sommerbetrieb die Produktion des warmen Brauchwassers gewährleistet.

Je nach baulichen Gegebenheiten und Ansprüche des Verbrauchers hinsichtlich der Brauchwasserbereitung oder Verwendung eines externen Heizkessels kann die Brauchwasserbereitung auch als Durchlauferhitzer im Warmwasserboiler oder bei kleineren Anlagen im gesamten Doppelmantel (Fig. 6) ausgelegt werden (Fig. 5).

Bei Schornsteinsanierungen kann das Doppelmantel- Rauchgasableitungsrohr nach Fig. 1 Anwendung finden. Da in der Regel bei Sanierungen die Heizungsverteilung bereits mit sämtlichen Anschlüssen im Heizungskeller vorhanden sind, kann der Heizungsvorlauf innerhalb des Doppelmantels verlaufen. Einerseits deshalb, weil bei der Installation in den meisten Fällen der ursprüngliche gemauerte Schornstein als Aufnahme des Doppelmantel-Rauchgasableitungsrohres verwendet wird und beim Einbringen mit einem Kran von oben, die am Doppelmantel außen angebrachte Heizungsvorlaufleitung erheblich stören würde. Andererseits ist es beim Sanierungsbau in der Regel nicht erforderlich, mit den Zuleitungen der Heizkörper an den Doppelmantel zu gehen, um sie dort anzuschließen. Wie vorerwähnt, sie sind bereits im Heizungskeller vorhanden, in den meisten Fällen auch der Warmwasserboiler. In diesen Fällen kann der Doppelmantel jedoch auch mit Wärmetauscher für Kaltwasservorlauf ausgerüstet werden.

Das Doppelmantel-Rauchgasableitungsrohr mit integriertem Heizkessel und Warmwasserboiler besteht im wesentlichen aus folgenden Teilen:

1 Rauchgasableitungsrohr aus Edelstahl mit 4 mm Wandung
1 Mantelrohr aus Stahl (ST 37) 4 bis 5 mm Wandung, je nach Gesamtgröße der Anlage
2 Klöpperböden
1 Edelstahlzwischenboden (oberer Teil des Warmwasserboilers)
1 Stck. Mantelrohr 3-4 mm Edelstahl (Hauptmantel des Warmwasserboilers (Fig. 10)
1 Heizkesselanlage (integriert im untersten Teil)
1 Heizungsvorlauf mit Zweiwegeventil
1 Heizungsrücklaufrohr mit Zweiwegeventil
Des weiteren: Anschlüsse für Wärmepumpe; für Solaranlage, für Elektroheizpatronen (für Notheizung); Anschlüsse für wasserführende Kachelöfen/Kamine; sämtliche Anschlüsse für Heizungsvorläufe der Heizkörper,
Sicherheitsventile; Thermostate; Umwälzpumpe

Das Einbringen des Doppelmantel-Rauchgasableitungsrohres in das betreffende Gebäude ist in der Regel nur mittels eines Kranes möglich. Weiterhin ist es im Sanierungsbereich nicht immer möglich, das Doppelmantel-Rauchgasableitungsrohr in den vorhandenen gemauerten Schornstein einzubringen, da in diversen Fällen der Innenumfang unter 24 cm Querschnitt liegt. In diesen Fällen muß das Doppelmantel- Rauchgasableitungsrohr entweder an die Außenwand montiert werden oder mittels Deckendurchbrüchen neben dem vorhandenen gemauerten Schornstein angebracht werden.

Der Erfindung liegen die Probleme zugrunde:

• a) den bei herkömmlicher Abgasabführung entstehenden Wärmeverlust zu vermeiden, zumindest zu vermindern,
• b) den Verlust der im Abgas gebundenen Energie als Latentwärme zu vermeiden,
• c) den Schadstoffausstoß, der bei der Verbrennung von Heizstoffen entsteht, zu vermeiden, zumindest zu vermindern,
• d) Mehrkosten, die den Verbraucher in der Regel bei der Anschaffung von energiesparenden und umweltschützenden Anlagen entstehen, zu vermeiden,
• e) aus Abgasrohr (Schornstein), Warmwasserboiler und Heizkessel eine Einheit zu bilden zur größeren Effizienz und Vereinfachung der angewandten Heizungsbautechnik.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß

• 1. Abgasrohr (Schornstein) und Heizkesselanlage sowie Warmwasserboiler, Pufferspeicher, Heizungsverteiler und Nachschaltheizfläche/ Wärmetauscher zu einer Einheit geworden ist, die in der Anschaffung gegenüber herkömmlicher Bauweise einer Heizungsanlage kostengünstiger und effektiver ist,
• 2. die Installation durch Wegfall von Steigstrangmontage (und deren Isolierung, Wand- und Deckendurchbrüche, Schlitze kopfen u. ä.) sehr vereinfacht und damit kostengünstiger und effektiver wird (keine Steigstränge, weniger Rohrleitungswärmeverlust),
• 3. die Abgaswärme und die Brennwerttechnik zur Wärmerückgewinnung genutzt wird,
• 4. die beschriebene Anlage des weiteren eine absolut gasdichte und sehr langlebige Anlage ist,
• 5. bei einem Wärmeausstoß zwischen 30°-50°C fast keine Schadstoffe mehr die Umwelt belasten,
• 6. eine Energieeinsparung von bis zu 30%, je nach Befeuerung und Art der Anlage eintritt (allein durch Wegfall der Steigstränge in den Außenwandbereichen wird eine Energieeinsparung bis zu 5% erzielt).

Ein weiterer großer Vorteil ergibt sich aus der Erfindung hinsichtlich der Verwendung von Sonnenkollektoren und Wärmepumpen.

Durch den Einsatz des Doppelmantel-Rauchgasableitungsrohres mit seinem integrierten Pufferspeicher eröffnen sich neue, vorher nur mit hohem Kostenaufwand zu realisierende Möglichkeiten. Bei der Verwendung von Sonnenkollektoren mußten in der Vergangenheit Wasserspeicher von 500 bis 600 l Inhalt installiert werden. Diese Zusatzkomponente entfällt bei Einsatz der Erfindung, da dieser Speicher bereits im Doppelmantel-Rauchgasableitungsrohr enthalten ist. Auch die Montagekosten für die Solaranlage werden um ein Vielfaches reduziert. Ähnlich verhält es sich im Zusammenhang mit der Erfindung im Bezug auf die Wärmepumpen.

Bezugnehmend auf den Stand der Technik hinsichtlich Heizkessel mit Brennwertnutzung sei erklärt, daß diese Anlagen nur mit Primär- Energie (Elektrizität) zu betreiben sind. Sie sind wegen des Mangels an Auftrieb im Abzug abhängig von einem Abzugsventilator. Des weiteren sind sie sehr teuer, doppelter Preis gegenüber atmosphärischen Kesseln, die aber in Verbindung mit dem Doppelmantel-Rauchgasableitungsrohr betrieben werden können.

Des weiteren wird die Abgaswärme weniger als bei vorliegender Erfindung genutzt. Ein Abgasrohr müssen diese Heizkessel mit Brennwerttechnik ohnehin haben. Außerdem müssen wie bei allen herkömmlichen Heizungen Steigstränge montiert werden. Pufferspeicher wie im Doppelmanteltauchrohr ist nicht vorhanden. Solaranlagen können nicht damit im Sinne der Beschreibung vorliegender Erfindung unter Wegfall wichtiger Zusatzkomponenten betrieben werden.

Brennwertheizkessel arbeiten nur bei Verwendung von Gas als Brennstoff. Im übrigen bedeutet das Betreiben eines zusätzlichen Ventilators Energieverlust.

 1 Heizkessel/Brenner
 2 Heizungsvorlauf
 3 Heizungsrücklauf
 4 Kesselvorlauf
 5 Kesselrücklauf
 6 Heizkörper
 7 Rauchrohr
 8 Mantelrohr
 9 oberer Klöpperboden
10 mittlerer Klöpperboden
11 unterer Klöpperboden
12 Putzklappe
13 Kondensatablaufrohr
14 Regelung/Zweiwegeventil
15 Boiler
16 Frischwasser/Kaltwasserzulauf
17 Brauchwasser/warm
18 Wärmetauscher für Brauchwasservorwärmung
19 Wärmetauscher im Boiler
20 Anschlüsse für Solarkollektoren
21 zweite Wasserkammer
22 erste Wasserkammer
23 Brauchwassererhitzer (geschlossener Heizwasserkreislauf)
24 Wärmetauscher für Brauchwasser (Durchlauferhitzung)
25 Wärmetauscher für Sonnenkollektoren

Claims (2)

1. Doppelmantel-Rauchgasableitungsrohr als Rauchgasheizfläche mit Brennwerttechnik, Wärmerückgewinnung, Warmwasserboiler und integrierter Heizkesselanlage mit Brenner, geeignet für Gebäude jeder Art im privaten, öffentlichen oder industriellen Bereich als umweltschützende und energiesparende Heizung mit Warmwasserbereitung,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Doppelmantel-Rauchgasableitungsrohr bereits den Brenner und Heizkesselanlage mit Warmwasserboiler und Wärmetauscher/Nachschaltheizfläche, Warmwasserspeicher, Kellerverteilungsleitungen, Steigstränge, Heizungs- Vor- und -Rücklauf, Pufferspeicher für Wärmepumpe, Solar- Energie-Speicher, Pufferspeicher für wasserführenden Kachelofen/Kachelkamin, Anschlußmöglichkeit für Elektro- Heizpatronen, Nutzung der Abgaswärme, Nutzung der Latentwärme, beinhaltet (zwei Varianten Fig. 7 und 8). Geeignet für sämtliche Brennstoffe (Öl, Gas, Holz, Kohle, Koks usw.).

2. Doppelmantel-Rauchgasableitungsrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Doppelmantel-Rauchgasableitungsrohr mit getrennter Heizkesselanlage/Brenner betrieben werden kann sowie mit Warmwasserbereiter für Brauchwasser und zusätzlichen externen Warmwasserboiler in drei Varianten (Fig. 1, 2 und 3) und weiterhin in drei Varianten mit integriertem Warmwasserboiler (Fig. 4, 5 und 6). Geeignet für Schornsteinsanierung auch unter Beibehaltung der vorhandenen Heizkesselanlage (Fig. 1).