EP2542839A2

EP2542839A2 - Heizungsanlage und verfahren zum betrieb einer heizungsanlage

Info

Publication number: EP2542839A2
Application number: EP11706564A
Authority: EP
Inventors: Harald Fonfara; Lars Weissmann
Original assignee: Kermi GmbH
Current assignee: Kermi GmbH
Priority date: 2010-03-03
Filing date: 2011-03-01
Publication date: 2013-01-09
Also published as: DE102010019490A1; RU2012141941A; WO2011107464A3; WO2011107464A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Heizungsanlage und Verfahren zum Betrieb einer derartigen Heizungsanlage in einem Gebäude mit mehreren Heizflächen, insbesondere eine Heizungsanlage mit einem Wärmeerzeuger. Die Heizungsanlage für ein Gebäude mit mehreren Heizflächen (5a, b, c) umfasst dabei, mindestens einen Wärmeerzeuger (1), eine Umwälzpumpe (2), einen Zentralregler zur Erfassung der Betriebszustände des Wärmeerzeugers sowie zur Ermittlung der erforderlichen Betriebsparameter wie Vorlauftemperatur und/oder Rücklauftemperatur der Heizflächen, Stellorgane (6a, b, c) sowie Vor- und Rücklaufleitungen (VL, RL) für die fluidtechnische Verbindung in einem Kreisprozess zwischen dem Wärmeerzeuger und den Heizflächen sowie mindestens eine Raumregeleinrichtung, die auf die Stellorgane einwirkt, wobei die Heizflächen (5a, b, c) für den Wärmeerzeuger (1) als Pufferspeicher nutzbar sind, wobei die Stellorgane (6a, b, c) der Heizflächen eine Umschaltung der Strömungsrichtung der Heizflächen erlauben und von der zentralen Rücklaufleitung (RL) vor dem Eintritt in den Wärmeerzeuger (1) eine Umgehungsleitung (3) abzweigt, die mit einem in der vom Wärmeerzeuger (1) abgehenden Vorlaufleitung (VL) angeordneten Umschaltventil (4) zur Umgehung des Wärmeerzeugers (1) fluidtechnisch verbunden ist.

Description

Heizungsanlage und Verfahren zum Betrieb einer Heizungsanlage Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Heizungsanlage und Verfahren zum Betrieb einer derartigen Heizungsanlage in einem Gebäude mit mehreren Heizflächen, insbesondere eine

Heizungsanlage mit einem Wärmeerzeuger in Form einer Wärmepumpe.

Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Wärmepumpen für die Verwendung als Wärmeerzeuger für Gebäudeheizungen bekannt. Die Heizlast eines Gebäudes durchläuft im Verlaufe einer Heizperiode verschiedene Werte von knapp über 0% der Normheizlast zum Start der Heizperiode bis hin zu 100% der Normheizlast an den kältesten Tagen des Jahres.

Der dazu gehörige Kreisprozess und damit die Leistung einer Wärmepumpe sind nur in Grenzen und mit erheblichem Aufwand modulierend gestaltbar. Als technische Lösungen hierfür sind u. a. die Invertertechnik, Digital-Scroll-Verdichter oder auch mehrstufige

Kältekreise bekannt. Der Modulationsgrad, also die untere Grenze der erzielbaren Leistung liegt dabei in einer Größenordnung von 40 bis 50%. Bei Heizungsanlagen mit einer

Wärmepumpe als Wärmeerzeuger wird deshalb zum Ausgleich zwischen dem tatsächlichen Bedarf und der Mindestleistung des Wärmeerzeugers häufig ein Pufferspeicher

zwischengeschaltet, der das Überangebot an Wärme speichert und zeitverzögert an die Raumheizflächen abgibt. Dadurch wird vermieden, dass der Wärmeerzeuger, also die Wärmepumpe taktet, d. h. in kurzen Zyklen ein- und ausschaltet, was zu Lasten der Lebensdauer der Wärmepumpe geht. Nachteilig dabei ist, dass ein Pufferspeicher stets zu einer Verschlechterung der Energiebilanz des Gesamtsystems durch Temperaturverluste, aber auch durch Wärmeleitvorgänge im Puffermedium, durch Störungen der

Wärmeschichtung bei Beladevorgängen und in geringem Maße auch durch den zusätzlichen hydraulischen Widerstand an den Einströmstellen führt. Zudem bedeutet die Notwendigkeit eines Pufferspeichers stets auch zusätzlichen Apparate- und Investitionsaufwand sowie Platzbedarf.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin eine Heizungsanlage mit einem

Wärmeerzeuger, vorzugsweise in Form einer Wärmepumpe sowie mit Heizflächen zur Verfügung zustellen, bei welcher auf den sonst üblichen Pufferspeicher verzichtet werden kann sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Anlage. Neben Wärmepumpen kommen dabei auch andere Wärmeerzeuger mit einer Mindestleistung und der Gefahr unvorteilhaften Taktens bei Unterschreitung derselben in Betracht. Beispielhaft seien hier 2 Umlaufwasserheizer mit einem konstruktiv bedingten Mindestmassenstrom genannt.

Dadurch sollen sowohl die Energiebilanz, der Investitionsaufwand der Anlage als auch die Lebensdauer des Wärmeerzeugers verbessert werden.

Die Erfindung geht davon aus, die in einem Gebäude vorhandenen Heizflächen als

Pufferspeicher zu nutzen oder spezielle Heizflächen einzusetzen, die für die Wärmepumpe als Pufferspeicher herangezogen werden können. Als Heizflächen kommen vorzugsweise Heizkörper mit hoher thermisch wirksamer Wärmespeicherkapazität, z.B. mit großem Eigengewicht und hohem Wasserinhalt (z.B. Röhren radiatoren) in Betracht.

Die Wärmepumpenheizungsanlage umfasst eine Wärmepumpe als Wärmerzeuger, mit einem Wärmepumpenregler, der einerseits die Betriebszustände der Wärmepumpe erfasst und auswertet und andererseits über die Erfassung der Außentemperatur und den Abgleich mit einer einprogrammierten, meist zeitabhängigen Heizkurve die erforderlichen

Betriebsparameter wie Vorlauftemperatur und/oder Rücklauftemperatur der Heizflächen ermittelt. Zur Anlage gehören weiter ein Umschaltventil zur Umgehung des

Wärmeerzeugers, mehrere Heizflächen für die Wärmeabgabe in den einzelnen Räumen beispielsweise eines Hauses, mit einer bevorzugten großen, im relevanten

Temperaturbereich thermisch wirksamen Wärmespeicherkapazität, beispielsweise in Folge großen Wasserinhaltes, großen Eigengewichtes, zur Heizfläche gehörigen Bauelementen mit hoher thermisch wirksamer Wärmespeicherkapazität, wie z.B. PCM

(Latentwärmespeichermaterialien) Beton, Magnesit, wobei die Heizflächen zur Erreichung einer hohen thermisch wirksamen Wärmespeicherkapazität mit Ein- oder Anbauteilen aus diesen Materialien versehen sind oder ganz oder teilweise daraus bestehen,

zu den Heizflächen gehörigen Stellorganen, die die fluidtechnische Verbindung zwischen dem Heiznetz und der Heizfläche darstellen, die den Massenstrom des Heizmediums und damit die Wärmeabgabe der jeweiligen Heizflächen beeinflussen und die aufgrund eines Steuersignals die Durchflussrichtung durch die Heizfläche wechseln;

mehrere Raumregeleinrichtungen, die auf die Stellorgane einwirken, die die Wärmeabgabe der Heizfläche in Abhängigkeit von Sollwertvorgaben der Raumtemperaturen beeinflussen, die eine Schalthysterese aufweisen, also bei der Raumheizung über eine obere

Abschalttemperatur verfügen, bei deren Überschreitung die weitere Aufheizung des Raumes durch Schließen des Stellorgans beendet wird und über eine Temperatur, bei deren

Unterschreitung die Aufheizung des Raumes durch Öffnen des Stellorgans startet;

die in bidirektionalem Wirkzusammenhang mit dem Wärmepumpenregler stehen;

die den Gradienten des Raumtemperaturverlaufs in den Aufheiz- und Abkühlphasen eines Raumes überwachen und auswerten und die die thermisch wirksame Wärmespeicherkapazität des oder der im jeweiligen Raum befindlichen Heizfläche (n) kennen oder aus der Auswertung des Auf- und Abheizverhaltens adaptiv ermittelt haben.

Die Wirkungsweise einer Heizungsanlage ohne Pufferspeicher und ohne das

erfindungsgemäße Verfahren ist wie folgt:

Zur morgendlichen Aufheizphase eines Gebäudes haben praktisch alle Räume des

Gebäudes einen Bedarf an Wärmeenergie. Die Raumregler melden diesen Bedarf an den Wärmepumpenregler, der daraufhin die Wärmepumpe startet. Damit startet auch die

Aufheizung der einzelnen Räume.

Nach einem ersten Zeitabschnitt, in dem praktisch alle Räume einen Bedarf an Heizwärme haben, wird in einem zweiten Heizabschnitt nach und nach von einzelnen Raumreglern die Deckung des Raumwärmebedarfs rückgemeldet. Da die Wärmepumpe nicht oder nur ungenügend moduliert, wird sie gegen Ende des zweiten Zeitabschnitts zur Anpassung des Wärmeangebotes an den Wärmebedarf takten, also zyklisch ein- und ausschalten. Ein dritter Zeitabschnitt ist dadurch gekennzeichnet, dass nur noch einzelne Räume einen

Wärmebedarf aufweisen. Die Wärmepumpe taktet. Abhilfe dagegen kann derzeit nur mittels eines Pufferspeichers erreicht werden, der auch für den Fall, dass ein sog. Sperrzeitentarif des Stromlieferanten verwendet, wird in den Sperrzeiten in begrenztem Umfang Wärme bereitstellt.

Alternativ dazu ist die Wirkungsweise einer Wärmepumpenheizungsanlage ohne

Pufferspeicher und mit der erfindungsgemäßen Regelung wie folgt:

Zur morgendlichen Aufheizphase eines Gebäudes haben praktisch alle Räume des

Aufheizung der einzelnen Räume.

Nach einem ersten Zeitabschnitt, in dem praktisch alle Räume einen Bedarf an Heizwärme haben wird in einem zweiten Heizabschnitt nach und nach von einzelnen Raumreglern die Deckung des Raumwärmebedarfs rückgemeldet. Die Ventile in den Räumen, in denen der Wärmebedarf bereits gedeckt ist, also die Raumtemperatur die Abschalttemperatur erreicht hat, sind zu diesem Zeitpunkt geschlossen, während in den anderen Räumen die Ventile der dort befindlichen Heizflächen noch geöffnet sind.

Wenn infolge sinkender Anzahl der noch geöffneten Heizkörperventile der Massenstrom am Wärmeerzeuger so gering geworden ist, dass die untere Leistungsgrenze des Wärmerzeugers erreicht ist, wird vom Wärmepumpenregler die weitere Wärmeerzeugung beendet, die zentrale Umwälzpumpe bleibt aber in Betrieb.

Der Wärmepumpenregler steuert nunmehr die Stellorgane in denjenigen Räumen, deren Raumtemperatur den oberen Abschaltwert erreicht hat, an und bewirkt dort ein Umschalten des Stellorgans derart, dass deren Heizflächen nunmehr in umgekehrter Strömungsrichtung, also vom Rücklauf zum Vorlauf, durchströmt werden und unter Umgehung des

Wärmeerzeugers warmes Heizungswasser für die noch verbliebene restliche Aufheizung der noch nicht vollends aufgeheizten Räume zur Verfügung gestellt wird.

Diese Rückholung von Wärmeenergie aus einem aufgeheizten Raum geht so lange, bis in diesem Raum die Raumtemperatur unter die Einschalttemperatur sinkt. Wenn dies bei mehreren Räumen der Fall ist, erkennt der Wärmepumpenregler, dass wieder genügend Räume einen Bedarf zur Aufheizung haben und dieser Bedarf mindestens so groß ist, wie die Mindestleistung des Wärmeerzeugers. Nunmehr wird die Umkehr der Fließrichtung an allen Raumreglern rückgängig gemacht und die betreffenden Räume werden wieder bis zur Erreichung der oberen Abschalttemperatur aufgeheizt.

Kommen beim Betrieb der Wärmepumpe sog. Sperrzeitentarife zur Anwendung, ist das beschriebene Verfahren in begrenztem Umfang auch anwendbar.

Damit wird erreicht, dass ohne die Verwendung eines Pufferspeichers unter Ausnutzung der thermischen Trägheit von Räumen, unter Einbeziehung einer aus einem Regler-P-Band resultierenden Hysterese der Raumtemperatur und unter Ausnutzung der

Wärmespeicherkapazität der Heizflächen ein quasi kontinuierlicher Betrieb der

Wärmepumpe, erfolgt.

In der Fig. 1 ist in stark vereinfachter Form ein Heizungskreislauf mit den Komponenten Wärmeerzeuger 1 , Umwälzpumpe 2, Umgehungsleitung 3 mit Umschaltventil 4, 3

Heizflächen 5a-c und den dazugehörigen Stellorganen 6a-c in Form von Be- und

Entladeventilen dargestellt. Beim Beladen ist die Umgehungsleitung außer Betrieb, alle Stellorgane 6a-c stehen in der Stellung beladen, dies stellt den üblichen Betriebszustand jeder Heizungsanlage dar. Mit fortlaufender Beladung erreichen die zu den Heizflächen 5b und 5c gehörigen Räume ihre jeweilige obere Abschalttemperatur, die Stellorgane müssten normalerweise schließen.

In der Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Situation dargestellt. Da die für die Restbeladung des zu Heizfläche 5a gehörigen Raumes erforderliche Wassermenge die für den Wärmeerzeuger 1 benötigte Mindestwassermenge unterschreitet, geht der Wärmeerzeuger 1 außer Betrieb, das Umschaltventil 4 wird vom Zentralregler in die Stellung Entladen umgeschaltet, ebenso die Stellorgane 6b, c an den Heizflächen 5b und 5c. Da die Umwälzpumpe 2 weiter läuft, wird die Energie aus den Heizflächen 5b und 5c entnommen, um damit die Restbeladung für die Heizfläche 5a zu bewerkstelligen. Wenn alle Raumregler eine Raumtemperatur innerhalb des Regler-P-Bandes detektieren, schließen alle Stellorgane an den Heizflächen und evt. kann sogar die Umwälzpumpe abgeschaltet werden.

Meldet einer der Raumregler einen erneuten Bedarf, überprüft der Zentralregler, ob nicht aus den Heizflächen eine Raumes oder mehrerer Räume Wärmeenergie entnommen werden kann, wenn ja, wiederholt sich der Vorgang des Entladens, wenn nein, wenn also mehrere Raumregler Temperaturen nahe der unteren Einschalttemperatur detektieren, starten Wärmerzeuger und ggf. Umwälzpumpe und alle Ventile werden in die Beladestellung geschaltet.

Claims

Patentansprüche

1 . Heizungsanlage für ein Gebäude mit mehreren Heizflächen (5a,b,c) umfassend, mindestens einen Wärmeerzeuger (1 ), eine Umwälzpumpe (2), einen Zentralregler zur Erfassung der Betriebszustände des Wärmeerzeugers sowie zur Ermittlung der

erforderlichen Betriebsparameter wie Vorlauftemperatur und/oder Rücklauftemperatur der Heizflächen, Stellorgane (6a,b,c) sowie Vor- und Rücklaufleitungen (VL,RL) für die fluidtechnische Verbindung in einem Kreisprozess zwischen dem Wärmeerzeuger und den Heizflächen sowie mindestens eine Raumregeleinrichtung, die auf die Stellorgane einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizflächen (5a,b,c) für den Wärmeerzeuger (1 ) als Pufferspeicher nutzbar sind, wobei die Stellorgane (6a,b,c) der Heizflächen eine

Umschaltung der Strömungsrichtung der Heizflächen erlauben und von der zentralen Rücklaufleitung (RL) vor dem Eintritt in den Wärmeerzeuger (1 ) eine Umgehungsleitung (3) abzweigt, die mit einem in der vom Wärmeerzeuger (1 ) abgehenden Vorlaufleitung (VL) angeordneten Umschaltventil (4) zur Umgehung des Wärmeerzeugers (1 ) fluidtechnisch verbunden ist.

2. Heizungsanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeerzeuger (1 ) ein im Betrieb modulierenden Wärmeerzeuger mit einer Mindestleistung verwendet wird, wie z.B. Wärmepumpe, Umlaufwasserheizer oder vergleichbare Wärmeerzeuger mit einem konstruktiv bedingten Mindestmassenstrom des Heizwassers.

3. Heizungsanlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeerzeuger (4) eine Wärmepumpe vorgesehen ist.

4. Heizungsanlage nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizflächen (5a,b,c) mit einer großen, im relevanten Temperaturbereich thermisch wirksamen Wärmespeicherkapazität, insbesondere in Folge großen Wasserinhaltes und großen Eigengewichtes versehen sind.

5. Heizungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Heizflächen Heizkörper, vorzugsweise Röhren radiatoren und/oder Flächenheizungen wie Fußboden-, Wand- oder Deckenheizungen verwendet werden.

6. Heizungsanlage nach einem der o. g. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizflächen zur Erreichung einer hohen thermisch wirksamen Wärmespeicherkapazität mit Ein- oder Anbauteilen aus Beton, Magnesit oder Latentwärmespeichermaterialien (PCM) versehen sind oder ganz oder teilweise daraus bestehen.

7. Heizungsanlage nach einem der o. g. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regler verwendet wird, der einerseits die Betriebszustände des Wärmeerzeugers erfasst und auswertet und andererseits über die Erfassung der Außentemperatur und den Abgleich mit einer einprogrammierten, meist zeitabhängigen Heizkurve die erforderlichen

Betriebsparameter wie Vorlauftemperatur und/oder Rücklauftemperatur der Heizflächen ermittelt.

8. Heizungsanlage nach einem der o. g. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu den Heizflächen gehörigen Stellorgane, die die fluidtechnische Verbindung zwischen dem Wärmeerzeuger und der Heizfläche darstellen, den Massenstrom des Heizmediums und damit die Wärmeabgabe der jeweiligen Heizflächen beeinflussen und aufgrund von

Steuersignalen die Strömungsrichtung durch die Heizfläche wechseln.

9. Heizungsanlage nach einem der o. g. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumregeleinrichtungen, die auf die Stellorgane einwirken, die Wärmeabgabe der

Heizflächen in Abhängigkeit von Sollwertvorgaben der Raumtemperaturen beeinflussen.

10. Heizungsanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die

Raumregeleinrichtungen eine Schalthysterese aufweisen, wonach bei der Raumheizung eine obere Abschalttemperatur vorgesehen ist, bei deren Überschreitung die weitere Aufheizung des Raumes durch Schließen der Stellorgane der Heizflächen beendet wird und weiter eine Temperatur vorgesehen ist, bei deren Unterschreitung die Aufheizung des Raumes durch Öffnen der Stellorgane erfolgt.

1 1 . Heizungsanlage nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumregeleinrichtungen in bidirektionalem Wirkzusammenhang mit dem Regler stehen und den Gradienten des Raumtemperaturverlaufs in den Aufheiz- und Abkühlphasen eines Raumes überwachen und auswerten und die thermisch wirksame Wärmespeicherkapazität des oder der im jeweiligen Raum befindlichen Heizfläche (n) kennen und/oder aus der Auswertung des Auf- und Abheizverhaltens der Heizflächen adaptiv ermitteln.

12. Verfahren zum Betrieb einer Heizungsanlage mit mehreren Heizflächen in einem

Gebäude, wobei die Heizungsanlage nach den Merkmalen mindestens einer der Ansprüche 1 bis 1 1 ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass

bei Erreichen der unteren Leistungsgrenze des Wärmeerzeugers durch den Regler des Wärmeerzeugers die Wärmeerzeugung trotz vorhandenen Bedarfs an Restaufheizung einzelner Heizflächen beendet wird und die Wärme für die erforderliche Restaufheizung von Heizflächen durch Umkehr der Strömungsrichtung und dem Betrieb der Umwälzpumpe aus dem Rücklauf von Heizflächen derjenigen Räume entnommen wird, deren Raumtemperatur den oberen Abschaltwert erreicht hat, wobei der Regler des Wärmeerzeugers das in der Umgehungsleitung angeordnete Umschaltventil sowie die Stellorgane der Heizflächen derjenigen Räume ansteuert, deren Raumtemperatur den oberen Abschaltwert erreicht haben und die Stellorgane derart umschaltet, dass deren Heizflächen in umgekehrter Strömungsrichtung vom Rücklauf zum Vorlauf durchströmt werden und unter Umgehung des Wärmeerzeugers über das Umschaltventil und die Umgehungsleitung warmes

Heizungswasser für die noch verbliebene restliche Aufheizung der noch nicht vollständig aufgeheizten Heizflächen zur Verfügung gestellt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Umkehr der

Strömungsrichtung rückgängig gemacht, wenn der Regler des Wärmeerzeugers erkennt, dass wieder genügend Räume bzw. Heizflächen einen Bedarf zur Aufheizung haben und dieser Bedarf mindestens so groß ist, wie die Mindestleistung des Wärmeerzeugers ist.

14. Verfahren nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Umkehr der Strömungsrichtung rückgängig gemacht, wenn die Raumtemperatur unter die

Einschalttemperatur sinkt.