EP4083520A1 - Verfahren zum betrieb einer wärmetechnischen anlage - Google Patents

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EP4083520A1
EP4083520A1 EP22155329.0A EP22155329A EP4083520A1 EP 4083520 A1 EP4083520 A1 EP 4083520A1 EP 22155329 A EP22155329 A EP 22155329A EP 4083520 A1 EP4083520 A1 EP 4083520A1
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EP
European Patent Office
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hot water
heat generator
water tank
limit value
primary heat
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EP22155329.0A
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English (en)
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Bernd Hafner
Catherine Magar
Marc Dietrich
François Griedlich
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Viessmann Climate Solutions SE
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Viessmann Climate Solutions SE
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    • F24D2220/08—Storage tanks

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a heating system according to the preamble of patent claim 1.
  • thermotechnical system of the type mentioned is from the published application DE 10 2005 042 495 A1 known.
  • water is heated either with a primary heat generator and/or with a secondary heat generator that is less energy-efficient than the primary heat generator, stored in a hot water tank and removed from the hot water tank to provide hot water.
  • the water is heated exclusively with the more energy-efficient primary heat generator and from the withdrawal limit at least with the secondary heat generator.
  • the object of the invention is to improve a method of the type mentioned at the outset.
  • a method that is as energy-efficient as possible on the one hand but also offers comfort on the other is to be created.
  • the hot water flow occurring at a hot water extraction point is determined with a flow meter and the secondary heat generator is switched on when the determined hot water flow reaches the extraction limit value.
  • the hot water extraction point is to be understood as the water connection on the heating system at which the hot water is actually available to the user, e.g. the shower head, whereby, as will be discussed in more detail below and as is also apparent from patent claim 1, the flow meter does not have to be located at the hot water extraction point.
  • the total water tapped at the hot water tapping point regularly consists of a warm and a cold water portion.
  • the hot water proportion corresponds to the hot water flow rate mentioned above.
  • the cold water portion is added from an unheated (cold) water pipe.
  • the method according to the invention is characterized in that in phases with a low amount of hot water usage within a certain period of time (so-called efficiency operation), the water is heated as energy-efficiently as possible with the primary heat generator, which is preferably designed as a heat pump device, and that in (rather rare)
  • the secondary heat generator which is preferably designed as an electric heating device, is used to heat the water particularly quickly during phases with a large amount of hot water usage within a certain period of time (so-called comfort mode).
  • the method according to the invention is particularly energy-efficient and convenient due to the more precise detection (in comparison to the temperature measurement) of the removal of the hot water.
  • the heat pump device can of course continue to be operated in addition to the electric heating device in the last-mentioned phase, whereby it must be taken into account that the electric heating device works almost immediately or achieves full output, while the heat pump device can take a few minutes to required to provide full power.
  • the method according to the invention is also advantageous, as will be explained in more detail below, particularly in the case of heating systems with a comparatively small hot water storage tank, since in this way a high level of comfort can be guaranteed despite the limited hot water capacity if it is actually once (such as when letting in a hot bathtub) large amounts of warm water are required.
  • EP 3 032 181 B1 is also a heating system with a hot water supply is known, in which the user can set an increased hot water demand via a control device.
  • This solution uses an electric instantaneous water heater with a flow meter, which, however, only measures the flow at the electric instantaneous water heater and not at a hot water extraction point in the entire system.
  • thermotechnical system water is heated in an initially known manner either with a primary heat generator 1 and/or with a secondary heat generator 2 that is less energy-efficient than the primary heat generator 1 .
  • a heat pump in particular an air-water heat pump
  • an electric heating device in particular a heating element arranged in a hot water tank 3
  • the secondary heat generator 2 in particular the said electric heating device, could also be provided on the hot water distribution, ie on the water circuit provided with a hot water extraction point 5.
  • thermotechnical plant as from figure 1 apparent, provided that the heated water is stored in a hot water tank 3 and removed from the hot water tank 3 to provide hot water.
  • both the withdrawal limit value and the hot water flow rate are specified as volume per time, ie in particular with the SI units [m 3 /s] or correspondingly converted units, or are used as a basis for further mathematical processing.
  • withdrawal limit value it is further preferably provided that this is determined during operation of the heating system when hot water is being withdrawn as a function of at least one operating parameter of the heating system.
  • an available heat output of the primary heat generator 1 is used as the operating parameter.
  • a loading condition of the hot water storage tank 3 is used as an operating parameter, this being dependent on thermal energy stored in the water of the hot water storage tank 3 and a temperature stratification of the water in the hot water storage tank 3 .
  • weather conditions can also be used to determine the withdrawal limit value.
  • Weather conditions are important, for example, if the primary heat generator 1 is a heat pump.
  • the extraction limit value is calculated and defined during the operation of the heating system when hot water is extracted at a specific time of day as a function of a consumption profile resulting from a large number of previous hot water extractions.
  • a hot water tank 3 with a maximum water volume of 200 liters is used.
  • the method according to the invention leads to a high level of comfort in the hot water supply, in particular despite the use of a comparatively small hot water storage tank 3 .
  • the method according to the invention can be used particularly advantageously for this application.
  • thermotechnical system which—apart from the flow meter 4—is not shown separately, is of course provided with a corresponding sensor system (for example temperature sensors) and associated wiring.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer wärmetechnischen Anlage, bei dem Wasser wahlweise mit einem Primärwärmeerzeuger (1) und/oder mit einem im Vergleich zum Primärwärmeerzeuger (1) weniger energieeffizienten Sekundärwärmeerzeuger (2) erwärmt, in einem Warmwasserspeicher (3) gespeichert und zur Warmwasserbereitstellung aus dem Warmwasserspeicher (3) entnommen wird, wobei das Wasser bis zu einem Entnahmegrenzwert ausschließlich mit dem energieeffizienteren Primärwärmeerzeuger (1) und ab dem Entnahmegrenzwert mindestens mit dem Sekundärwärmeerzeuger (2) erwärmt wird. Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass bei einer Warmwasserentnahme aus dem Warmwasserspeicher (3) mit einem Durchflussmesser (4) der an einer Warmwasserentnahmestelle (5) auftretende Warmwasserdurchfluss ermittelt und der Sekundärwärmeerzeuger (2) eingeschaltet wird, wenn der ermittelte Warmwasserdurchfluss den Entnahmegrenzwert erreicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer wärmetechnischen Anlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein Verfahren zum Betrieb einer wärmetechnischen Anlage der eingangs genannten Art ist aus der Offenlegungsschrift DE 10 2005 042 495 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird Wasser wahlweise mit einem Primärwärmeerzeuger und/oder mit einem im Vergleich zum Primärwärmeerzeuger weniger energieeffizienten Sekundärwärmeerzeuger erwärmt, in einem Warmwasserspeicher gespeichert und zur Warmwasserbereitstellung aus dem Warmwasserspeicher entnommen. Ferner wird das Wasser bis zu einem Entnahmegrenzwert ausschließlich mit dem energieeffizienteren Primärwärmeerzeuger und ab dem Entnahmegrenzwert mindestens mit dem Sekundärwärmeerzeuger erwärmt. Bei dieser Lösung wird die Warmwasserentnahme mit Hilfe eines Temperatursensors detektiert.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern. Insbesondere soll ein einerseits möglichst energieeffizientes andererseits aber auch Komfort bietendes Verfahren geschaffen werden.
  • Diese Aufgabe ist mit einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
  • Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass bei einer Warmwasserentnahme aus dem Warmwasserspeicher mit einem Durchflussmesser der an einer Warmwasserentnahmestelle auftretende Warmwasserdurchfluss ermittelt und der Sekundärwärmeerzeuger eingeschaltet wird, wenn der ermittelte Warmwasserdurchfluss den Entnahmegrenzwert erreicht.
  • Unter Durchflussmesser ist dabei jede Einrichtung zu verstehen, mit der es möglich ist, einen Durchfluss festzustellen, wobei es letztlich nicht darauf ankommt, den Durchfluss quantitativ ermitteln zu können. Besonders bevorzugt, weil kostengünstig, ist dabei ganz konkret vorgesehen, als Durchflussmesser einen sogenannten Strömungsschalter zu verwenden, der ab einem vorbestimmten Durchflusswert (= Entnahmegrenzwert) einen Durchfluss an eine Regelung der wärmetechnischen Anlage signalisiert.
  • Unter Warmwasserentnahmestelle ist dabei derjenige Wasseranschluss an der wärmetechnischen Anlage zu verstehen, an dem das Warmwasser dem Nutzer tatsächlich zur Verfügung steht, also zum Beispiel der Duschkopf, wobei, worauf weiter unten noch genauer eingegangen wird und wie es sich auch aus dem Patentanspruch 1 ergibt, der Durchflussmesser nicht an der Warmwasserentnahmestelle angeordnet sein muss.
  • Das insgesamt an der Warmwasserentnahmestelle gezapfte Wasser (Mischwasser) besteht dabei regelmäßig aus einem Warm- und einem Kaltwasseranteil. Der Warmwasseranteil entspricht dabei dem oben genannten Warmwasserdurchfluss. Der Kaltwasseranteil wird aus einer unbeheizten (Kalt-) Wasserleitung beigemischt.
  • Weiterhin wird noch darauf hingewiesen, dass der vorgenannte "Entnahmegrenzwert" (wie oben ausgeführt) zwar ein feststehender Wert sein kann. Besonders bevorzugt ist aber, worauf weiter unten auch noch genauer eingegangen wird, vorgesehen, dass er während des Betriebs der wärmetechnische Anlage orientiert an anderen Betriebsparametern festgelegt wird. Der verwendete Begriff "Warmwasserdurchfluss" entspricht dabei wahlweise einem Instantan- oder einem zeitlich gemittelten Wert.
  • Mit anderen Worten zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren somit dadurch aus, dass in Phasen mit geringer Warmwassernutzungsmenge innerhalb eines bestimmten Zeitraumes (sogenannter Effizienzbetrieb) das Wasser möglichst energieeffizient mit dem Primärwärmeerzeuger, der vorzugsweise als Wärmepumpeneinrichtung ausgebildet ist, erwärmt wird und dass in (eher seltenen) Phasen mit großer Warmwassernutzungsmenge innerhalb des bestimmten Zeitraumes (sogenannter Komfortbetrieb) jedenfalls der Sekundärwärmeerzeuger, der vorzugsweise als Elektroheizeinrichtung ausgebildet ist, zum besonders schnellen Erwärmen des Wassers eingesetzt wird. Aufgrund der (im Vergleich zur Temperaturmessung) genaueren Detektion der Entnahme des Warmwassers ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders energieeffizient und komfortabel.
  • Insbesondere bei Verwendung einer Wärmepumpen- und Elektroheizeinrichtung kann dabei in der zuletzt genannten Phase selbstverständlich neben der Elektroheizeinrichtung auch die Wärmepumpeneinrichtung weiter betrieben werden, wobei zu berücksichtigen ist, dass die Elektroheizeinrichtung praktisch sofort wirkt bzw. volle Leistung bringt, während die Wärmepumpeneinrichtung durchaus einige Minuten bis zur Bereitstellung der vollen Leistung benötigt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei weiterhin, was nachfolgend noch genauer erläutert wird, insbesondere bei wärmetechnischen Anlagen mit vergleichsweise kleinem Warmwasserspeicher vorteilhaft, da auf diese Weise trotz der beschränkten Warmwasserkapazität ein hoher Komfort gewährleistet werden kann, wenn tatsächlich einmal (wie zum Beispiel beim Einlassen einer heißen Badewanne) große Mengen warmes Wasser benötigt werden.
  • Andere vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • Zum Stand der Technik wird noch auf folgende Dokumente hingewiesen:
    Aus dem Dokument DE 10 2011 113 615 A1 ist eine Warmwasserbereitung mit einer Fernbedienungseinrichtung bekannt, mit der manuell eine Zusatz-Warmwasseranforderung eingestellt werden kann. Hier muss also der Betreiber handeln.
  • Aus dem Dokument EP 3 032 181 B1 ist ebenfalls ein Heizsystem mit einer Warmwasserbereitstellung bekannt, bei dem der Nutzer einen erhöhten Warmwasserbedarf über ein Steuergerät einstellen kann. Bei dieser Lösung wird ein Elektrodurchlauferhitzer mit einem Durchflussmesser verwendet, der allerdings nur den Durchfluss am Elektrodurchlauferhitzer und nicht an einer Warmwasserentnahmestelle des Gesamtsystems misst.
  • Nur der Vollständigkeit halber wird schließlich noch auf die weiter abliegenden Dokumente DE 10 2004 042 972 A1 , DE 10 2011 086 819 A1 , DE 10 2011 088 913 A1 , EP 2 704 367 B1 und DE 20 2015 004 569 U1 hingewiesen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren einschließlich seiner vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
    • Es zeigt
    • Figur 1
    schematisch eine mögliche Ausführungsform der wärmetechnischen Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem im Warmwasserspeicher angeordneten Heizstab.
  • Bei der in Figur 1 dargestellten wärmetechnischen Anlage wird in zunächst bekannter Weise Wasser wahlweise mit einem Primärwärmeerzeuger 1 und/oder mit einem im Vergleich zum Primärwärmeerzeuger 1 weniger energieeffizienten Sekundärwärmeerzeuger 2 erwärmt.
  • Dabei ist, wie aus Figur 1 ersichtlich, besonders bevorzugt vorgesehen, dass als Primärwärmeerzeuger 1 eine Wärmepumpe, insbesondere eine Luft-Wasser-Wärmepumpe, verwendet wird. Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass als Sekundärwärmeerzeuger 2 eine Elektroheizeinrichtung, insbesondere ein in einem Warmwasserspeicher 3 angeordneter Heizstab, verwendet wird. Alternativ oder sogar auch zusätzlich könnte der Sekundärwärmeerzeuger 2, insbesondere die besagte Elektroheizeinrichtung, dabei auch an der Warmwasserverteilung, also am mit einer Warmwasserentnahmestelle 5 versehenen Wasserkreislauf, vorgesehen sein.
  • Weiterhin ist bei der wärmetechnischen Anlage, wie aus Figur 1 ersichtlich, vorgesehen, dass das erwärmte Wasser in einem Warmwasserspeicher 3 gespeichert und zur Warmwasserbereitstellung aus dem Warmwasserspeicher 3 entnommen wird.
  • Ferner ist - in an sich bekannter Weise - vorgesehen, dass das Wasser bis zu einem Entnahmegrenzwert ausschließlich mit dem energieeffizienteren Primärwärmeerzeuger 1 und ab dem Entnahmegrenzwert mindestens mit dem Sekundärwärmeerzeuger 2 erwärmt wird.
  • Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist nun, dass bei einer Warmwasserentnahme aus dem Warmwasserspeicher 3 mit einem Durchflussmesser 4 der an einer Warmwasserentnahmestelle 5 auftretende Warmwasserdurchfluss ermittelt und der Sekundärwärmeerzeuger 2 eingeschaltet wird, wenn der ermittelte Warmwasserdurchfluss den Entnahmegrenzwert erreicht.
  • Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass sowohl der Entnahmegrenzwert als auch der Warmwasserdurchfluss als Volumen pro Zeit, also insbesondere mit den SI-Einheiten [m3/s] oder entsprechend umgerechneten Einheiten angegeben bzw. bei der weiteren rechnerischen Verarbeitung zugrunde gelegt wird.
  • Bezüglich des vorgenannten Entnahmegrenzwertes ist dabei weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass dieser während des Betriebs der wärmetechnischen Anlage bei einer Warmwasserentnahme in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter der wärmetechnischen Anlage festgelegt wird.
  • Nach einer ersten Option wird dabei als Betriebsparameter eine verfügbare Heizleistung des Primärwärmeerzeugers 1 verwendet. Nach einer zweiten Option wird als Betriebsparameter ein Beladezustand des Warmwasserspeichers 3 verwendet, wobei dieser von einer im Wasser des Warmwasserspeichers 3 gespeicherten Wärmeenergie und einer Temperaturschichtung des Wassers im Warmwasserspeicher 3 abhängt.
  • Zudem können je nach Art des Primärwärmeerzeugers 1 auch weitere Parameter, wie etwa Witterungsbedingungen, zu Festlegung des Entnahmegrenzwerts herangezogen werden. Witterungebedingungen sind beispielsweise von Bedeutung, wenn es sich bei dem Primärwärmeerzeuger 1 um eine Wärmepumpe handelt.
  • Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Entnahmegrenzwert während des Betriebs der wärmetechnischen Anlage bei einer Warmwasserentnahme zu einer bestimmten Tageszeit in Abhängigkeit eines sich aus einer Vielzahl vorausgegangener Warmwasserentnahmen ergebenden Verbrauchsprofils errechnet und festgelegt wird.
  • Außerdem ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass ein Warmwasserspeicher 3 mit einem Wasservolumen von höchstens 200 Litern verwendet wird. Mit anderen Worten: Das erfindungsgemäße Verfahren führt insbesondere trotz Verwendung eines vergleichsweise kleinen Warmwasserspeichers 3 zu einem hohen Komfort bei der Warmwasserversorgung. Für diesen Anwendungsfall ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft einsetzbar.
  • Wie weiterhin aus Figur 1 ersichtlich, ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass der Warmwasserdurchfluss mit dem an einem Kaltwasserzulauf 6 des Warmwasserspeichers 3 angeordneten Durchflussmesser 4 ermittelt wird.
  • Schließlich wird darauf hingewiesen, dass zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens selbstverständlich nicht nur die dargestellte Ausführungsform mit einer Rohrwendel im Warmwasserspeicher 3 in Betracht kommt: Genauso gut könnte ein sogenanntes Ladesystem mit Elektroheizung im Speicher und/oder im Sekundärkreis vorgesehen sein. Außerdem ist die wärmetechnische Anlage, was - abgesehen vom Durchflussmesser 4 - nicht extra dargestellt ist, selbstverständlich mit einer entsprechenden Sensorik (zum Beispiel Temperatursensoren) und dazugehöriger Verkabelung versehen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Primärwärmeerzeuger
    2
    Sekundärwärmeerzeuger
    3
    Warmwasserspeicher
    4
    Durchflussmesser
    5
    Warmwasserentnahmestelle
    6
    Kaltwasserzulauf

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betrieb einer wärmetechnischen Anlage, bei dem Wasser wahlweise mit einem Primärwärmeerzeuger (1) und/oder mit einem im Vergleich zum Primärwärmeerzeuger (1) weniger energieeffizienten Sekundärwärmeerzeuger (2) erwärmt, in einem Warmwasserspeicher (3) gespeichert und zur Warmwasserbereitstellung aus dem Warmwasserspeicher (3) entnommen wird, wobei das Wasser bis zu einem Entnahmegrenzwert ausschließlich mit dem energieeffizienteren Primärwärmeerzeuger (1) und ab dem Entnahmegrenzwert mindestens mit dem Sekundärwärmeerzeuger (2) erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet,
    dass bei einer Warmwasserentnahme aus dem Warmwasserspeicher (3) mit einem Durchflussmesser (4) der an einer Warmwasserentnahmestelle (5) auftretende Warmwasserdurchfluss ermittelt und der Sekundärwärmeerzeuger (2) eingeschaltet wird, wenn der ermittelte Warmwasserdurchfluss den Entnahmegrenzwert erreicht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Entnahmegrenzwert während des Betriebs der wärmetechnischen Anlage bei einer Warmwasserentnahme in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter der wärmetechnischen Anlage festgelegt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als Betriebsparameter eine verfügbare Heizleistung des Primärwärmeerzeugers (1) verwendet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als Betriebsparameter ein Beladezustand des Warmwasserspeichers (3) verwendet wird, wobei dieser von einer im Wasser des Warmwasserspeicher (3) gespeicherten Wärmeenergie und einer Temperaturschichtung des Wassers im Warmwasserspeicher (3) abhängt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Entnahmegrenzwert während des Betriebs der wärmetechnischen Anlage bei einer Warmwasserentnahme zu einer bestimmten Tageszeit in Abhängigkeit eines sich aus einer Vielzahl vorausgegangener Warmwasserentnahmen ergebenden Verbrauchsprofils errechnet und festgelegt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass sowohl der Entnahmegrenzwert als auch der Warmwasserdurchfluss als Volumen pro Zeit, also insbesondere mit den SI-Einheiten [m3/s] oder entsprechend umgerechneten Einheiten angegeben wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Warmwasserdurchfluss mit dem an einem Kaltwasserzulauf (6) des Warmwasserspeichers (3) angeordneten Durchflussmesser (4) ermittelt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als Primärwärmeerzeuger (1) eine Wärmepumpe verwendet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als Sekundärwärmeerzeuger (2) eine Elektroheizeinrichtung verwendet wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Warmwasserspeicher (3) mit einem Wasservolumen von höchstens 200 Litern verwendet wird.
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