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Die vorliegende Erfindung betrifft die Wandgasheizkessel, bei denen die Erzeugung
von warmem Brauchwasser mit einem kleinen Speicherbehälter von geringem
Fassungsvermögen erfolgt, der aus EP-A-427121 bekannt ist, das der Oberbegriff des
Anspruchs 1 wiedergibt.
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Wie man weiß werden Wandgasheizkessel als Mischheizkessel bezeichnet, wenn sie
einen Heizkreis versorgen und auch warmes Brauchwasser liefern können. Um warmes
Brauchwasser in ausreichender Menge und mit einer von der Verwendung abhängigen
Temperatur erzeugen zu können, werden im Wesentlichen zwei Erzeugertypen benutzt:
entweder ein Momentan-Wärmetauscher, der bei Bedarf Warmwasser in unbegrenzter Menge
liefert, oder ein Speicherbehälter, der eine bestimmte, durch die Vorrichtung vorgeheizte
Warmwassermenge speichert.
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Bei einem Momentan-Mischheizkessel wird die Erzeugung von warmem Momentan-
Brauchwasser entweder durch einen Wärmetauscher mit zwei getrennten Kreisen realisiert,
von denen der eine ein Heizwasserkreis ist und der andere ein Brauchwasserkreis, oder durch
einen Wärmetauscher mit einem einzigen, zu einem kleinen Wärmetauscher gehörenden
Kreis. Dieser wird mit Heizwasser durch einen Kreis versorgt, der eine Umlaufpumpe und -
am Austritt des Heizkessels - ein Dreiwegeventil umfasst. Dieses Ventil wird hydrostatisch
durch eine Unterdruck-erzeugende Einrichtung gesteuert, wenn Brauchwasser entnommen
wird.
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Diese Erzeugungsart ist für die meisten Bedarfsfälle sehr wirtschaftlich, und sie hat
den Vorteil, warmes Brauchwasser in unbegrenzter Menge liefern zu können.
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Aber sie hat auch einige Nachteile, verbunden mit physikalischen
Übergangsphänomenen, die sich auf der Ebene der Temperatur des entnommenen Wassers auswirken.
So z. B. im Falle einer Durchsatz-Schwankung im Laufe einer Entnahme, oder wenn nach
einer kurzen Entnahmeunterbrechung in dem Wärmetauscher aufgrund des Energiestaus eine
Temperaturerhöhung eintritt.
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Außerdem stellt man eine Instabilität der Temperatur bei den Durchsätzen nahe dem
Schwellendurchsatz fest, der aus dem Einschalt-Ausschaltzyklus des Brenners resultiert.
Schließlich hat sich gezeigt, dass die vorgesehene Mindestdurchsatzmenge oft zu groß ist für
die Bedürfnisse der Benutzer kleiner Mengen, z. B. für das Händewaschen oder das Rasieren.
Eine andere Warmwasser-Erzeugungsmethode, bei der es diese Nachteile nicht gibt,
ist der Speicherbehälter mit einem Wärmetauscher, der durch das Heizwasser des Heizkessel
gespeist wird. Dieser ist mit einem Dreiwegeventil ausgerüstet, das durch den
Temperaturregler des Behälters gesteuert wird. Wenn dieser letztere Heizbedarf meldet, wird
der Heizkreis über den Wärmetauscher des Speicherbehälters umgeleitet und der Heizkessel
wird eingeschaltet. Zwar begrenzt man derart die mit den bezüglich der
Momentanvorrichtungen erwähnten Übergangsphänomene, jedoch ist nur eine begrenzte
Menge warmen Brauchwassers verfügbar, die direkt mit dem Fassungsvermögen des
Speicherbehälters, d. h. seinen Abmessungen, und seinem Temperaturanstiegsvermögen
verknüpft ist. Die Warmbrauchwassererzeuger mit Speicherung sind daher für ihren
Brauchwasser-Komfort bekannt, vorausgesetzt ihre Speicherkapazität ist ausreichend groß,
z. B. über 80 Liter.
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Im Falle eines Speicherbehälters mit einem kleinen Fassungsvermögen von z. B. 50
Litern und einem Temperatur-Sollwert von 60ºC während einer 4 Minuten dauernden
Entnahme, hätte der Wärmetauscher des Speicherbehälters nicht die Zeit, das im Austausch
einströmende Kaltwasservolumen aufzuheizen.
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Bekannt ist ein Zwischensystem, das darin besteht, einem Momentan-Mischheizkessel
einen Warmwasser-Speicherbehälter zuzuordnen. In diesem Fall entnimmt eine für das
warme Brauchwasser bestimmte Pumpe, gesteuert durch den Temperaturregler des
Behälters, Wasser aus diesem und fördert es in der Brauchwasserleitung in den Heizkessel.
Der Momentan-Mischheizkessel verhält sich dann wie im Falle eines Teilabzugs von warmem
Brauchwasser, und das wiederaufgewärmte Wasser wird in den Behälter zurückgefördert.
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Damit aber diese Warmwassermenge im Sinne des Benutzerbedarfs unbegrenzt ist,
müssen die Bemessung des Speicherbehälters und der Wiederaufwärmzeit des Wassers
aufeinanderfolgende oder gleichzeitige Entnahmen ermöglichen, ohne dass die
Brauchwassertemperatur sich verändert.
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Die Anmelderin hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Lösung zu finden, die
zugleich die Vorteile der Momentanbereitstellung und der Speicherbereitstellung verbindet und
dabei die Nachteile von beiden beseitigt, insbesondere bezüglich der mit den
Übergangsphasen verbundenen Temperaturschwankungen des entnommenen Wassers.
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Gegenstand der Erfindung ist also ein Wandgasheizkessel mit einem Heizelement,
das einen Heizkreis versorgt, der mit Heizkörpern ausgerüstet ist, und ein Brauchwasser-
Hauptwärmetauscher, geheizt durch das genannte Heizelement, in den kaltes Wasser eintritt
und der warmes Wasser durch einen Entnahmehahn abgibt, ein Dreiwegeventil, das bei einer
Brauchwasserentnahme das Wasser des Heizkreises in eine Brauchwasseraufheiz-
Kurzschlussleitung lenkt, sowie einen kleinen Speicherbehälter, der in der Ausgangsleitung
angeordnet ist, die das von dem Brauchwasser-Hauptwärmetauscher kommende warme
Wasser zu dem Entnahmehahn leitet, wobei dieser Heizkessel dadurch gekennzeichnet ist,
dass im Innern des kleinen Speicherbehälters eine ergänzende Wiederaufwärmeinrichtung
angeordnet ist, die dazu bestimmt ist, die Wärmeverluste in dem kleinen Speicherbehälter zu
kompensieren.
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Nach einer speziellen Charakteristik der Erfindung ist die ergänzende
Wiederaufwärmeinrichtung ein kleiner Wärmetauscher, der in der Brauchwasseraufheiz-
Kurzschlussleitung angebracht ist.
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Nach einer weiteren Charakteristik der Erfindung ist die ergänzende
Wiederaufwärmeinrichtung ein elektrischer Widerstand.
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Die Erfindung wird bei beiden Mischheizkessel-Varianten, den Zweikreis-Heizkesseln
und den Einkreis-Heizkesseln, angewandt.
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Vorteilhafterweise teilt sich die Leitung, die das von dem Brauchwasser-
Wärmetauscher kommende warme Wasser leitet, in zwei Arme, die den kleinen
Speicherbehälter an seiner Unterseite durchdringen und in seinem Unterteil bzw. seinem
Oberteil münden, wobei die Entnahmeleitung am oberen Ende des kleinen Behälters
vorgesehen ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen hervor, in der Bezug genommen wird auf die vier
beigefügten Figuren, wobei die Fig. 1 und 2 einen Zweikreis-Momentan-Mischheizkessel
mit kleiner Speicherung zeigen, die Fig. 3 einen Einkreis-Momentan-Mischheizkessel mit
kleiner Speicherung und die Fig. 4 eine bevorzugte Ausführung eines erfindungsgemäßen
kleinen Speicherbehälters darstellt.
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Die Fig. 1 zeigt einen Zweikreis-Momentan-Mischheizkessel, ausgerüstet mit einem
kleinen Speicherbehälter. Der Heizkessel umfasst ein Heizelement 1, das durch einen Brenner
2 geheizt wird, der über ein nicht dargestelltes Elektroventil mit Gas versorgt, wird. Das
Heizelement versorgt Heizkörper 3 über eine Ausgangsleitung 4, in der sich ein
Dreiwegeventil 5 befindet. In der Leitung 6 wird das Wasser dank der Umwälzpumpe 14 in
Pfeilrichtung von den Heizkörpern in das Heizelement zurückgeleitet. Das Heizelement 1 wird
ebenfalls von einem Brauchwasser-Hauptwärmetauscher 7 durchquert, der durch eine
Kaltwasser-Zuführungsleitung 8 gespeist wird. Der Wärmetauscher 7 liefert das warme
Brauchwasser durch eine Ausgangsleitung 9 an einen kleinen Speicherbehälter 10 mit einem
Fassungsvermögen von - je nach Leistung der Vorrichtung - unter 20 Litern. Das warme
Brauchwasser wird dem kleinen Speicherbehälter durch eine Leitung 11 entnommen, die
einen Hahn umfasst, dem ein Brauchwassermengenentnahme-Detektor 17 vorgeschaltet ist.
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Zwischen dem Dreiwegeventil 5 des Heizkreises und der Heizwasser-
Rückführungsleitung 6 ist eine Brauchwasseraufheiz-Kurzschlussleitung 12 vorgesehen, die
einen kleinen Wiederaufheiz-Wärmetauscher 13 umfasst, angeordnet im Innern des kleinen
Speicherbehälters 10. Man sieht auch einen Temperaturfühler 15 auf der Brauchwasser-
Ausgangsleitung 9, in der Nähe des Wärmetauschers 7 angeordnet, und einen anderen
Temperaturfühler 16, im Innern des kleinen Behälters 10 angeordnet.
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Der Heizkessel funktioniert folgendermaßen:
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Wenn der Benutzer den Entnahmehahn öffnet und die entnommene
Brauchwassermenge größer als die Schwellen-Entnahmemenge ist, wird das Dreiwegeventil 5
aus seiner vorhergehenden Stellung, in der es die Heizkörper 3 versorgte, in eine andere
Stellung geschaltet, in der das Wasser der Heizkörperkreis-Ausgangsleitung 4 durch die
Kurzschlussleitung 12 strömt. Der Brenner 2 wird eingeschaltet und das in dem kleinen
Speicherbehälter 10 enthaltene Wasser wird ersetzt durch Wasser aus dem Brauchwasser-
Hauptwärmetauscher 9, über die Leitung 7. Im Laufe dieser Phase verhält sich der Heizkessel
genauso wie ein Momentan-Mischheizkessel ohne zugeordneten Speicher. Das gesamte aus
dem Wärmetauscher 7 kommende Warmwasser durchläuft den kleinen Speicherbehälter 10,
dessen Fassungsvermögen ermöglicht, die Temperaturschwankungen am Ausgang des
genannten Brauchwasser-Hauptwärmetauschers zu dämpfen und sogar aufzuheben.
Aufgrund der durch den Fühler 15 gelieferten Messdaten erfolgt die Regulierung der
Temperatur des Brauchwassers, wobei der Fühler 16 des kleinen Behälters gesperrt ist.
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Wenn diese Entnahme endet, schaltet das Ventil 5 die Heizkörperkreis-
Ausgangsleitung 4 im Winter in die Zuleitung zu den Heizkörpern 3 und im Sommer wird der
Heizkessel ausgeschaltet. Da der kleine Behälter 10 direkt mit dem Warmwasser des
Brauchwasser-Hauptwärmetauscher 7 gespeist wurde, ist es nicht nötig, das Wiederaufheizen
des Wasser dieses kleinen Speicherbehälters weiterzuverfolgen, im Gegensatz zu einem
System mit Speicherung.
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Wenn während einer bestimmten Zeit keine Entnahme von warmem Brauchwasser
stattfindet, sinkt die mittlere Temperatur des kleinen Behälters 10, gemessen durch den Fühler
16, unter einen Schwellenwert. Dann wird der Brenner 2 gezündet und so gesteuert, dass er
mit minimaler Leistung brennt, und im Winter wird die Heizkörperkreis-Ausgangsleitung 4
durch das Dreiwegeventil mit der Leitung 12 verbunden oder im Sommer die Pumpe 14
eingeschaltet. Dank des kleinen Wärmetauschers 13 wird also der kleine Speicherbehälter
wieder aufgewärmt und wenn das Wasser seine Solltemperatur wieder erreicht hat, befiehlt
der Fühler 16 das Ausschalten des Brenners und der Pumpe im Sommer oder das
Umschalten des Heizkessels auf Winterbetrieb. Der Fühler 16 arbeitet also wie ein
Temperaturregler des Speicherbehälters.
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Ein anderer Fall ist der einer sehr kurzen Wasserentnahme oder einer mit einem
geringen Durchsatz. Wenn der Durchsatz unter dem Schwellenwert-Durchsatz liegt, wird dem
kleinen Speicherbehälter ein Teil seines Warmwassers entnommen, ohne dass der Brenner
notwendigerweise gezündet werden muss. Wenn hingegen die Temperatur des Wasser in
dem kleinen Speicherbehälter unter den Temperatur-Schwellenwert absinkt, wird der Brenner
eingeschaltet wie im Falle einer Entnahme mit größerem Durchsatz. Wenn die Entnahme aber
kurz ist, bezogen auf das Fassungsvermögen des kleinen Behälters, findet kein
Wiederaufheizen durch den kleinen Wärmetauscher 13 statt.
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Bei der in der Fig. 2 dargestellten Variante wird der Wiederaufheiz-Wärmetauscher
durch einen kleinen elektrischen Widerstand 18 ersetzt, versorgt durch das Netz, unabhängig
von der Brauchwasser-Kurzschlussleitung.
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Dieser Widerstand reicht aus, um Wärmeverluste in der Größenordnung von 20 W bis
100 W zu kompensieren, und der Fühler 16 des kleinen Speicherbehälters 10, der sich wie ein
Temperaturregler verhält, befiehlt die Speisung dieses Widerstands, wenn die Temperatur des
Wasser unter einen festgelegten Schwellenwert absinkt, und seine Abschaltung, wenn das
Wasser wieder über einen anderen festgelegten Schwellenwert aufgeheizt ist.
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Der Vorteil dieses elektrischen Widerstands von geringer Leistung besteht darin, zu
vermeiden, dass der Brenner gezündet wird und eine Leistung von mehreren Kilowatt liefert,
während nur ungefähr 100 Watt benötigt werden. Die ganze im kleinen Behälter nicht
benötigte Leistung geht nämlich durch die Wände des Heizkessels und mit den
Verbrennungsgasen verloren. Das Wiederaufheizen mittels Widerstand ist also
wirtschaftlicher. Außerdem ist die Temperaturregulierung im Innern des Behälters viel feiner, da nur die
Energie zugeführt wird, die zur Kompensierung der Wärmeverluste nötig ist. Ein weiterer
Vorteil ist, dass das Volumen des kleinen Wärmetauschers 13 im Falle der Fig. 1 durch
dasselbe Wasservolumen ersetzt wird. Es erhöht sich also bei identischen Abmessungen die
Speicherkapazität um das Volumen des kleinen Wärmetauschers, und die wirtschaftliche
Bilanz dieser Variante ist günstig, da der Widerstand weniger kostet als der Wärmetauscher
mit seinen Anschlüssen.
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Eine weitere Ausführung ist in der Fig. 3 dargestellt. Sie zeigt eine Vorrichtung eines
Momentan-Misch-Wandheizkessels mit einem einzigen Kreis und einem kleinen
Speicherbehälter. Die gleichen Elemente tragen dieselben Bezugszeichen wie in der Fig. 1. Das
Heizelement 1 umfasst kein Brauchwasser-Hauptwärmetauscher. Dieser ist hier außerhalb
des Heizelements angeordnet, in Form eines kompakten kleinen Schalen- oder
Plattenwärme
tauschers 7, der aus einer Kaltwasser-Zuführungsleitung 8 gespeist wird. Er liefert durch die
Ausgangsleitung 9 das warme Brauchwasser an den kleinen Speicherbehälter 10. Bei dieser
Variante begegnet man wieder dem Dreiwegeventil 5 in der Heizkörperkreis-Ausgangsleitung
4, aber die Kurzschlussleitung des Dreiwegeventils bedient hier den Brauchwasser-
Hauptwärmetauscher 7 und den kleinen Wärmetauscher 13.
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Der Betrieb entspricht dem vorhergehend beschriebenen.
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Die Heizkessel mit kleinen Speicherbehältern weisen unbestreitbare wirtschaftliche
Vorteile auf. Ein kleiner Speicherbehälter ist kompakter als ein normaler Speicherbehälter und
kann infolgedessen in einen Momentan-Heizkessel mit Standardabmessungen integriert
werden. Außerdem kostet er weniger. Ebenso ist sein kleiner Wärmetauscher 13 weniger
voluminös und auch billiger als derjenige, der sich in einem Speicherbehälter von 50 Litern
oder mehr befindet. Zudem erspart man sich bei dem Heizkessel mit kleinem
Speichervolumen die Brauchwasser-Umwälzpumpe.
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Außerdem löst ein solcher Heizkessel mit kleinem Speicherbehälter das Komfort-
Problem, das mit der momentanen Nichtverfügbarkeit von Brauchwasser verbunden ist, behält
dabei aber die wirtschaftlichen Vorteile und die Kompaktheit bei, da er ermöglicht, warmes
Brauchwasser in unbegrenzter Menge zu entnehmen, dessen Temperatur genauso stabil ist
wie die des durch einen Speicherheizkessel gelieferten Brauchwassers, ohne dabei einen
Speicherbehälter mit großem Fassungsvermögen zu benötigen.
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Der Betrieb des Heizkessels verbessert sich, wenn man vorzugsweise einen kleinen
Speicherbehälter 10 des in der Fig. 4 dargestellten Typs verwendet. Es handelt sich um
einen Speicherbehälter von länglicher Form mit kleinerem Fassungsvermögen, z. B. in der
Größenordnung von 4 Litern. Die Hauptwärmetauscher-Ausgangsleitung 9, die das warme
Brauchwasser liefert, teilt sich in zwei Arme 9a und 9b, die unten in den kleinen
Speicherbehälter eindringen. Der Arm 9a mündet im unteren Teil, während der Arm 9b bis in
den Oberteil reicht und dort mit einem kleinen Abstand von der Entnahmeleitung 11 mündet,
die sich an der Oberseite des kleinen Speicherbehälters befindet.
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Man unterscheidet in dem Speicherbehälter drei übereinanderliegende Zonen, die
man folgendermaßen definieren kann: eine untere Zone A, die eine Mischzone ist und in der
der Arm 9a mündet, eine Schichtenbildungs-Zwischenzone B und eine weitere Mischzone C
im oberen Teil, in der der Arm 9b mündet, nahe der Leitung 11. Der Wärmetauscher 13 für die
ergänzende Wärmezuführung befindet sich in dem zentralen Teil des Speicherbehälters.
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Bei einer Entnahme durch die Leitung 11, wobei der Heizkessel kalt ist und das
Wasser des kleinen Speicherbehälters warm ist, wird ein Teil des kalten Wassers der Leitung
9 durch den Arm 9b in die Zone C geleitet, und ein anderer, durch die Leitung 9a geleiteter
Teil vermischt sich in der Zone A mit dem gespeicherten warmen Wasser. Es drückt das
geschichtete Warmwasser der Zone B nach oben, wo es sich in der Zone C mit kälterem
Wasser vermischt, das gleichzeitig aus dem Arm 9b austritt. Wenn das geschichtete warme
Volumen verbraucht ist, ist das aus dem Heizkessel kommende Wasser wieder warm und
vermischt sich mit dem kalten Wasser, das zwischenzeitlich die obere Zone C erreicht hat.
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Dank dieser Besonderheit der Speisung durch zwei Arme begrenzt man den
Temperaturabfall des Wasser zu Beginn einer Entnahme.