DE4308759A1 - Verfahren bzw. Heizkessel zum kombinierten Erwärmen einer Gebäudeheizung und eines Speicherbehälters für Brauchwasser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kombinierten Er­ wärmen eines Wärmeträgermediums für eine Gebäudeheizung einerseits und eines Wärmeträgermediums für einen Speicherbehälter für Brauch- bzw. Trinkwasser anderer­ seits mit Hilfe eines Dreizug-Heizkessels mit innerer Ab­ gasrückführung.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Heizkessel zur Durchführung des Verfahrens.

Sogenannte Dreizugkessel, die üblicherweise als Nieder­ temperatur- bzw. Tieftemperaturheizkessel betrieben wer­ den, werden nach dem Stand der Technik häufig gleichzei­ tig zur Beheizung eines Gebäudes und zur Beheizung eines zentral angeordneten Trinkwassererwärmers eingesetzt.

Durch die spezielle Abgasführung der Rauchgase wird bei den Dreizugkesseln ein relativ hoher thermischer Wir­ kungsgrad erreicht, da über die als Wärmetauscher wirken­ den Profile eine vergleichsweise niedrige Abgasendtem­ peratur erreicht wird. Andererseits besteht bei den nied­ rigen Abgastemperaturen das Problem, daß im Bereich der Abgaskanäle der Taupunkt des Wasserdampf führenden Ab­ gases unterschritten wird und sich somit Kondensat bilden kann, was aufgrund seiner aggressiven Wirkung zu einer Verschmutzung bzw. einer Zerstörung von metallischen Heizkesselteilen führen kann.

In der Praxis wird bei einer derartigen kombinierten Er­ wärmung insbesondere im Winter bzw. der Übergangszeit im Frühling und Herbst der Speicherwassererwärmer unter Nut­ zung der gesamten Kesselwärmeleistung im Vorrangbetrieb gefahren. Hierbei wird notwendigerweise in Kauf genommen, daß bei jeder, vom Speicherthermostat ausgelösten Vor­ rangschaltung zugunsten der Warmwasserversorgung die ge­ samte Kesselwassermenge auf unnötig hohe Temperaturen über 65°C aufgeheizt wird, obwohl, beispielsweise in der Übergangszeit, nur Heizwassertemperaturen von z. B. 40°C, und im Sommer für die Gebäudeheizung überhaupt keine Wärme benötigt wird.

Eine Reduzierung der Kesselwassermenge unter ein bestimm­ tes Volumen ist jedoch bei den handelsüblichen, einstufi­ gen Ölgebläsebrennern nicht möglich, da aus Gründen der Kondensatbildung ausreichende Brennerlaufzeiten gewähr­ leistet sein müssen. Bei zu kurzen Brennerlaufzeiten wür­ den nämlich die wärmetauschflächen aufgrund der niedrigen Abgastemperaturen nicht über die Taupunkttemperatur er­ wärmt, so daß eine verstärkte Kondensatbildung die Folge wäre. Außerdem steigen die Emissionswerte (Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoffe) bei kurzen Brennerlaufzeiten an.

Durch das aus den beschriebenen Gründen erforderliche re­ lativ große Kesselwasservolumen, das jeweils aufgeheizt werden muß, sinkt der thermische Wirkungsgrad des Heiz­ kessels in Verbindung mit der zentralen Trinkwasser­ erwärmung. Die Emissionswerte steigen entsprechend an.

Der Erfindung liegt die Aufgabe, ein Verfahren bzw. einen Heizkessel zum kombinierten Erwärmen der Gebäudeheizung einerseits und eines Speicherbehälters für Brauch- bzw. Trinkwasser andererseits zu schaffen, bei dem der wärme­ technische Wirkungsgrad erhöht ist und die luftverunrei­ nigenden Emissionen abgesenkt sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Wärmeträgermedium zum Erwärmen des Speicherbehälters einem ersten Flüssigkeitsraum des Heizkessels entnommen, dem Speicherbehälter zugeführt und in den ersten Flüssig­ keitsraum zurückgeführt wird, wobei die Flüssigkeit des ersten Flüssigkeitsraumes mit Hilfe von Wärmetauscherflä­ chen unmittelbar von den durch den zweiten und/oder drit­ ten Zug des Heizkessels strömenden Abgasen erwärmt wird, daß das Wärmeträgermedium für die Gebäudeheizung einem zweiten Flüssigkeitsraum des Heizkessels entnommen, der Gebäudeheizung zugeführt und in den zweiten Flüssigkeits­ raum zurückgeführt wird, wobei das Wärmeträgermedium des zweiten Flüssigkeitsraumes im wesentlichen durch Schwer­ kraftzirkulation mit dem ersten Flüssigkeitsraum erwärmt wird, und wobei der erste Flüssigkeitsraum vom zweiten Flüssigkeitsraum durch Begrenzungsflächen zumindest teil­ weise getrennt ist und ein höheres Temperaturniveau an­ nimmt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zum erstenmal die Erwärmung eines Speicherbehälters für Trink- bzw. Brauchwasser möglich, ohne daß das gesamte Kesselwasser aufgeheizt werden muß. Durch die Schaffung eines inneren ersten Wasserraumes, in dem ein Erwärmen des Wassers un­ mittelbar durch die Wärmetauscher des zweiten und dritten Zuges erfolgt, wird eine relativ geringe Wassermenge auf die erforderliche Temperatur aufgeheizt und das heiße Wasser über die Vorlauf- bzw. Rücklaufanschlüsse mit dem Speicherkreislauf verbunden.

Da aufgrund der relativ geringen Wassermenge die Wärme­ tauscher vergleichsweise rasch auf ein Temperaturniveau oberhalb des Taupunkts angehoben werden, sind Korrosions­ erscheinungen auch bei sehr niedrigem Temperaturniveau des Kesselwassers nicht zu erwarten.

Der vom ersten inneren Wasserraum durch Begrenzungsflä­ chen getrennte zweite äußere Wasserraum erhöht beim kurz­ zeitigen Vorrangbetrieb für den Speicherkreislauf seine Temperatur nur unwesentlich, so daß der Wirkungsgrad ins­ gesamt deutlich verbessert wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, unab­ hängig von der Wassertemperatur im Wärmeerzeuger bzw. der Ein- und Austrittstemperaturen am Heizungsvorlauf und am Heizungsrücklauf die volle Kesselleistung nur unter Nut­ zung des inneren Heizwasserraumes auf den Speicherwas­ sererwärmer zu übertragen.

Je nach Länge und Umfang der Speicheraufheizung ist es sogar möglich, im Parallelbetrieb Heizung mit niedriger Temperatur und Wassererwärmer mit hoher Temperatur ohne Speichervorrangschaltung, d. h. ohne Abschalten der Hei­ zung zu betreiben.

Der Anschlußstutzen für den Vorlauf des Speicherkreis­ laufes ist vorzugsweise an der höchsten Kesselstelle an­ geordnet, während die Rückführung im Bereich der tiefsten Stelle des ersten Flüssigkeitsraumes erfolgt. Dabei sind im Bereich der Anschlüsse Öffnungen vorgesehen, die den ersten mit dem zweiten Flüssigkeitsraum verbinden.

Durch diese Anordnung des Vor- und Rücklaufes für den Speicherladekreis mit zwangsweiser Beaufschlagung der beiden Anschlußstutzen mit Hilfe einer Pumpe wird für den Zeitraum der Speicheraufladung der normalerweise unter Schwerkraftbedingungen stattfindende Umlauf des äußeren Kesselwasservolumens mit dem inneren Kesselwasservolumen unterbrochen. Die Öffnungsquerschnitte für den Schwer­ kraftbetrieb werden dabei so ausgebildet, daß sich die bei normalem Heizungsbetrieb vorherrschenden Schwerkraft­ strömungsverhältnisse aufgrund des thermischen Auftriebs in der inneren Kammer durch die aufgeprägte Heizwasser­ menge mit Hilfe der Umwälzpumpe im Speicherladekreis ab­ geschnitten wird.

Um diese Betriebsweise zu ermöglichen, sind vorzugsweise im Speicherkreislauf bzw. im Heizungskreislauf Förderpum­ pen für das Wärmeträgermedium vorgesehen.

Bei dem vorgesehenen Verfahren können die bekannten Maß­ nahmen zur weiteren Minderung der Emissionen durchgeführt werden, so kann beispielsweise insbesondere eine Abgas­ rückführung in den Brennerraum möglich sein, wodurch eine Reduzierung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, eine Stickoxidminderung bzw. eine Oxydation des Kohlenmonoxi­ des erfolgen kann.

Darüber hinaus ist es durch konstruktive Maßnahmen mög­ lich, die Flüssigkeitsräume durch ein entsprechendes Lüf­ tungsventil zu entlüften bzw. ein Ablaßventil an unter­ ster Stelle zu entleeren.

Ein erfindungsgemäßer Dreizug-Heizkessel zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens besteht im wesentlichen aus einer in einem Feuerungsraum angeordneten topfförmi­ gen Brennkammer, die den ersten Zug bildet. Diese Brenn­ kammer ist von einem als Wärmetauscher wirkenden Rippen­ profil umgeben, durch welches die in der Brennkammer ent­ standenen Abgase in Richtung zur Brennerdüse geführt wer­ den (zweiter Zug). Als dritter Zug dient eine als Wärme­ tauscher wirkende sogenannte Nachschaltheizfläche, durch welche die Abgase nach Durchströmen des zweiten Zuges un­ terer weiterer Abkühlung geleitet werden, bevor sie schließlich einem Abgaskamin oder ähnlichem zugeführt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Dreizug-Heizkessel ist das Rip­ penprofil und die Nachschaltheizfläche von einem ersten Flüssigkeitsraum umgeben, der die Anschlüsse für den Vor­ lauf und Rücklauf des Wärmeträgermediums zum Erwärmen des Speicherbehälters aufweist. Der erste Flüssigkeitsraum ist von einem zweiten Flüssigkeitsraum umgeben, der die Anschlüsse für den Vorlauf und den Rücklauf des Wärme­ trägermediums zur Gebäudeheizung aufweist. Der erste und der zweite Flüssigkeitsraum sind durch Begrenzungsflächen zumindest teilweise voneinander getrennt.

Um einen normalen sogenannten Schwerkraftbetrieb ohne zu­ sätzliche Pumpen in den Kreisläufen zu ermöglichen, ist der Vorlaufanschluß für den Speicherkreislauf im Bereich der höchsten Kesselstelle und der Rücklaufanschluß für den Speicherkreislauf im Bereich der tiefsten Stelle des ersten Flüssigkeitsraumes angeordnet, wobei in diesen Be­ reichen eine offene Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Flüssigkeitsraum besteht, so daß ein normaler Schwerkraftbetrieb möglich ist.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veran­ schaulicht und wird im nachfolgenden anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Dreizug-Heizkessel,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Dreizug-Heizkessel mit nachgeschaltetem Heißwasserspeicher und Heizungskreislauf,

Fig. 3 einen Längsschnitt bzw. einen Schnitt durch einen Dreizug-Heizkessel mit einer höheren Wärmenennleistung.

Der in Fig. 1 in einem Schnitt dargestellte Heizkessel besteht aus einer topfförmigen Brennkammer 1, die in einem Feuerungsraum 2 angeordnet ist. Die Brennkammer 1 ist von einem als Wärmetauscher wirkenden Rippenprofil 3 umgeben, durch welches die in der Brennkammer 1 gebilde­ ten Abgase in Richtung zur in Fig. 1 nicht dargestellten Brennerdüse, also in Richtung zum Betrachter hin, strömen und sich dabei abkühlen. Um das Rippenprofil 3 ist ein innerer Wasserraummantel 4 angeordnet, der einen ersten inneren Wasserraum 5 zum Rippenprofil 3 hin begrenzt. Das im ersten Wasserraum 5 befindliche Wasser wird durch das Rippenprofil 3 über den inneren Wasserraummantel 4 bei eingeschaltetem Brenner erwärmt.

Der durch das Rippenprofil 3 gebildete Durchströmungs­ kanal wird im Sinne dieser Patentanmeldung als zweiter Zug bezeichnet, während die Brennkammer 1 den ersten Zug bildet.

Nach Durchströmen des zweiten Zuges gelangt das Abgas un­ ter Änderung seiner Strömungsrichtung in die gleichfalls als Wärmetauscher ausgebildete Nachschaltheizfläche 6, die als dritter Zug bezeichnet wird. Die Nachschaltheiz­ fläche 6 wird ebenso wie der zweite Zug von dem ersten Wasserraum 5 umschlossen, so daß bei laufendem Brenner die erzeugte Wärme unmittelbar zur Erwärmung des Wassers im ersten Wasserraum 5 dient.

Um den ersten Wasserraum 5 ist ein zweiter Wasserraum 7 angeordnet, dessen Wasser über die Begrenzungsfläche 8 erwärmt wird, die den ersten Wasserraum 5 vom zweiten Wasserraum 7 trennt.

Der erste Wasserraum 5 dient, wie bereits beschrieben, der Trinkwassererwärmung in einem Speicherbehälter. Dazu sind an der obersten Stelle des Kessels ein Anschlußstut­ zen 9 für den Vorlauf des Speicherkreislaufes und an der tiefsten Stelle des ersten Wasserraumes 7 ein Anschluß­ stutzen 10 für den Rücklauf des Speicherkreislaufes vor­ gesehen. Im Bereich des Vorlaufanschlusses 9 bzw. des Rücklaufanschlusses 10 ist die Begrenzungsfläche 8 zwi­ schen den beiden Wasserräumen 5 und 7 unterbrochen, so daß in diesem Bereich die Möglichkeit eines Austausches zwischen den Wassermengen des ersten Wasserraumes 5 und des zweiten Wasserraumes 7 möglich ist. Dadurch kann der Kessel ohne aufgeprägte Pumpenströmung im normalen Schwerkraftströmungsverfahren betrieben werden. Anderer­ seits wird die Schwerkraftströmung beim Einschalten der Förderpumpe im Vorlauf des Speicherkreislaufes abge­ schnitten, so daß nur das erwärmte Wasser im Wasserraum 5 zum Erhitzen des Speicherbehälters genutzt wird.

Im zweiten Wasserraum 7 befindet sich der Vorlaufanschluß 11 für den Heizungskreislauf bzw. der entsprechende Rück­ laufanschluß 12.

Bei dem dargestellten Heizkessel erfolgt aufgrund des vergleichsweise geringen Wasservolumens im ersten Wasser­ raum 5 ein rasches Aufheizen der Wärmetauscherflächen im zweiten und dritten Zug, so daß auch bei relativ kurzer Brennerlaufzeit Taupunktunterschreitungen sicher vermie­ den werden können.

Der zweite Wasserraum 7 wird nach außen von einem äußeren Kesselmantel 13 umschlossen. Eine in der Außenverkleidung 14 angeordnete Dämmschicht 15 schätzt den zweiten Wasser­ raum 7 vor Wärmeverlusten.

Auf die Außenverkleidung 14 ist ein Schaltkasten 16 mit den erforderlichen elektrischen Steuer- und Regeleinrich­ tungen aufgesetzt.

Fig. 2 stellt den Kessel aus Fig. 1 in Verbindung mit dem Speicherkreislauf 17 bzw. dem Heizungskreislauf 18 dar.

Im Vorlauf 19 des Speicherkreislaufes ist eine Förder­ pumpe 20 vorgesehen, die das im ersten Wasserraum 5 er­ wärmte Wasser durch einen Wärmetauscher 21 fördert, der im Inneren eines Speicherbehälters 22 angeordnet ist. Über den Rücklauf 23 wird das abgekühlte Wasser wieder in das Kesselinnere zurückgefördert.

Ein Thermostat 24 erfaßt die Temperatur im Inneren des Speicherbehälters 22 und schaltet den Brenner bzw. die Förderpumpe 20.

Der Heizungskreislauf 18 ist entsprechend aufgebaut, wo­ bei sein Vorlauf 25 bzw. sein Rücklauf 26 mit den ent­ sprechenden Anschlüssen des zweiten Wasserraumes 7 ver­ bunden ist.

In Fig. 3 ist in einem Längs- bzw. Querschnitt ein Kes­ sel für größere Wärmenennleistungen dargestellt. Bei die­ sem Ausführungsbeispiel wird der erste Wasserraum 27 durch eine U-förmig gekrümmte Begrenzungsfläche 28 zum zweiten Wasserraum 29 begrenzt. Die Entnahme des erwärm­ ten Wassers für den Speicherkreislauf erfolgt durch den Stutzen 30, der wiederum an der höchsten Stelle des obe­ ren Wasserraumes angeordnet ist, wobei in seinem Bereich Durchbrüche in der Begrenzungsfläche 28 vorgesehen sind, so daß ein normaler Schwerkraftströmungsbetrieb des Kes­ sels möglich ist. Ein Austausch des Wassers zwischen er­ stem Wasserraum 27 und zweitem Wasserraum 29 kann an den Öffnungen 31 erfolgen. Im unteren Bereich befindet sich auch der Rücklaufanschluß 32 für den Speicherkreislauf.

Bezugszeichenliste

1 Brennkammer
2 Feuerungsraum
3 Rippenprofil
4 innerer Wasserraummantel
5 erster Wasserraum
6 Nachschaltheizfläche
7 zweiter Wasserraum
8 Begrenzungsfläche
9 Anschlußstutzen für Vorlauf des Speicherkreislaufes
10 Anschlußstutzen für Rücklauf des Speicherkreislaufes
11 Vorlaufanschluß des Heizungskreislaufes
12 Rücklaufanschluß des Heizungskreislaufes
13 äußerer Kesselmantel
14 Außenverkleidung
15 Dämmschicht
16 Schaltkasten
17 Speicherkreislauf
18 Heizungskreislauf
19 Vorlauf
20 Förderpumpe
21 Wärmetauscher
22 Speicherbehälter
23 Rücklauf
24 Thermostat
25 Vorlauf
26 Rücklauf
27 erster Wasserraum
28 Begrenzungsfläche
29 zweiter Wasserraum
30 Stutzen
31 Öffnung
32 Rücklaufanschluß

Claims (5)

1. Verfahren zum kombinierten Erwärmen eines Wärme­ trägermediums für eine Gebäudeheizung einerseits und eines Wärmeträgermediums für einen Speicherbehälter für Brauch- bzw. Trinkwasser andererseits mit Hilfe eines Dreizug-Heizkessels mit innerer Abgasrückfüh­ rung, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeträgermedium zum Erwärmen des Speicher­ behälters (22) einem ersten Flüssigkeitsraum (5, 27) des Heizkessels entnommen, dem Speicherbehälter (22) zugeführt und in den ersten Flüssigkeitsraum (5, 27) zurückgeführt wird, wobei die Flüssigkeit des ersten Flüssigkeitsraumes (5, 27) mit Hilfe von Wärmetau­ scherflächen (3, 6) unmittelbar von den durch den zweiten und/oder dritten Zug des Heizkessels strömen­ den Abgasen erwärmt wird, daß das Wärmeträgermedium für die Gebäudeheizung einem zweiten Flüssigkeitsraum (7, 29) des Heizkessels entnommen, der Gebäudeheizung zugeführt und in den zweiten Flüssigkeitsraum (7, 29) zurückgeführt wird, wobei das Wärmeträgermedium des zweiten Flüssigkeitsraumes (7, 29) im wesentlichen durch Schwerkraftzirkulation mit dem ersten Flüssigkeitsraum (5, 27) erwärmt wird, und wobei der erste Flüssigkeitsraum (5, 27) vom zweiten Flüssig­ keitsraum (7, 29) durch Begrenzungsflächen (8, 28) zumindest teilweise getrennt ist und ein höheres Tem­ peraturniveau annimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Flüssigkeit für den Vorlaufanschluß (9) des Speicherkreislaufes (17) im Bereich der höchsten Stelle des Kessels entnommen und im Bereich der tiefsten Stelle des ersten Flüs­ sigkeitsraumes (5, 27) zurückgeführt wird, wobei im Bereich der Anschlüsse (9, 10) eine offene Verbindung des ersten Flüssigkeitsraumes (5, 27) mit dem zweiten Flüssigkeitsraum (7, 29) besteht.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, da­ durch gekennzeichnet, daß im Be­ reich des Vorlaufes (19) des Speicherkreislaufes (17) und des Vorlaufes (25) des Heizungskreislaufes (18) Förderpumpen (20) vorgesehen sind.

4. Heizkessel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer in einem Feue­ rungsraum angeordneten topfförmigen Brennkammer (erster Zug), die von einem als Wärmetauscher wirken­ den Rippenprofil umgeben ist, durch welches die in der Brennkammer entstandenen Abgase in Richtung zur Brennerdüse geführt werden (zweiter Zug), einer als Wärmetauscher wirkenden Nachschaltheizfläche (dritter Zug), durch welche die Abgase nach Durchströmen des zweiten Zuges einem Abgaskamin zugeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Rippenprofil (3) und die Nachschaltheizfläche (6) von einem ersten Flüssigkeitsraum (5, 27) umgeben sind, der Anschlüsse (9, 10) für den Vor- und Rücklauf des Wärmeträgermediums zum Erwärmen eines Speicherbe­ hälters (22) aufweist, daß der erste Flüssigkeitsraum (5, 27) von einem zweiten Flüssigkeitsraum (7, 29) umgeben ist, der Anschlüsse (11, 12) für den Vor- und Rücklauf des Wärmeträgermediums zur Gebäudeheizung aufweist, und daß der erste Flüssigkeitsraum (5, 27) und der zweite Flüssigkeitsraum (7, 29) durch Begren­ zungsflächen (8, 28) zumindest teilweise voneinander getrennt sind.

5. Heizkessel nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Vorlaufanschluß (9) für den Speicherkreislauf (17) im Bereich der höchsten Kesselstelle und der Rücklaufanschluß (10) für den Speicherkreislauf im Bereich der tiefsten Stelle des ersten Flüssigkeitsraumes (5, 27) angeord­ net sind, wobei im Bereich der Anschlüsse (9, 10) eine offene Verbindung der Flüssigkeitsräume (5, 7, 27, 29) vorgesehen ist.