-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Heizkessel mit einem Pufferspeicher zur Aufnahme von Wärmeträgermedium gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
-
Moderne Heizkessel sind in der Lage einen modulierenden Betrieb in einem relativ weiten Bereich zu ermöglichen, das heißt, dass ein Teillastverhalten darstellbar ist, das von relativ kleinen Leistungen bis zur Maximalleistung reicht.
-
So können beispielsweise moderne Pelletsfeuerungen in einem Leistungsbereich von 3 kW bis 12 kW betrieben werden. Die Höchstleistung wird insbesondere dann benötigt, wenn Warmwasser bereitet werden soll. Im reinen Heizbetrieb wird bei Niedrigenergiehäusern oder Passivhäusern in der Regel nur eine sehr geringe Leistung benötigt, die unterhalb der technisch möglichen Minimalleistung liegt. In diesem Betriebszustand schaltet die Steuerung den Heizkessel nach Erreichen der Maximaltemperatur ab und erst nach Unterschreitung einer vorbestimmten Minimaltemperatur wieder ein. Ein solches Regelverhalten ist unerwünscht, da für das Anfahren insbesondere von Festbrennstoff-Kesseln elektrische Energie in großem Ausmaß benötigt wird. Auch die vergleichsweise langen Startzeiten einer Pelletsfeuerung und der mit jedem Start verbundene Verschleiß unterstützen die Forderung nach einer Verringerung der Anzahl der Startzyklen.
-
Eine mögliche Lösung für dieses Problem besteht darin, die Minimalleistung des Heizkessels weiter abzusenken. Dies stößt jedoch auf technische Schwierigkeiten, die mit vernünftigem Kostenaufwand nicht zu bewerkstelligen sind. Die Frequenz des Ein- und Ausschaltens des Heizkessels kann jedoch durch Einfügen von zusätzlichen Wärmekapazitäten in den Regelkreis abgesenkt werden. Dies kann im einfachsten Fall dadurch geschehen, dass der Inhalt des Heizkessels an Wärmeträgermedium erhöht wird. Wenn nun der Heizkessel bei geringem Wärmebedarf nach Erreichen der Maximaltemperatur abschaltet, so steht eine größere Menge an latenter Wärme zur Verfügung, die nach und nach an das Heizungssystem abgegeben werden kann, so dass eine längere Zeitspanne überbrückt werden kann, bis das Wärmeträgermedium die Minimaltemperatur erreicht und der Kessel wieder einschaltet. Diese konstruktiv sehr einfache Maßnahme hat jedoch den Nachteil, dass beispielsweise bei der Warmwasserbereitung während des Sommers bei jedem Anspringen des Heizkessels eine große Menge an Wärmeträgermedium erwärmt werden muss. Diese Wärmemenge geht größtenteils verloren, da aufgrund der großen Abstände zwischen den Betriebsperioden des Heizkessels die Abstrahlverluste für eine weitgehende Abkühlung des Wärmeträgermediums verantwortlich sind. Auf diese Weise sinkt der Wirkungsgrad des Heizkessels insbesondere bei reiner Warmwasserbereitung stark ab.
-
Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung der oben beschriebenen Nachteile besteht darin, einen Pufferspeicher im Heizsystem vorzusehen, der selektiv angesteuert wird. Solche Pufferspeicher sind bekannt, es ist allerdings zur Versorgung eine eigene Pumpe erforderlich und diese muss über ein Steuergerät korrekt angesteuert werden. Dies erhöht den Aufwand und macht das System komplex. Außerdem benötigen externe Pufferspeicher zusätzliche Stellfläche und sind kostenintensiv.
-
Die
DE 36 25 431 C2 zeigt ein Flüssigkeitserwärmungssystem, das in der oben beschriebenen Weise arbeitet. Zur Beladung und Entladung des Pufferspeichers ist allerdings eine eigene Pumpe erforderlich, was sowohl apparativen Aufwand als auch eine entsprechende Regelung erfordert.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Lösung anzugeben, die einfach, robust und kostengünstig ist. Dabei soll im niedrigen Teillastbetrieb eine geringe Einschaltfrequenz vorliegen, gleichzeitig jedoch soll ein hoher Wirkungsgrad in allen Betriebszuständen aufrecht erhalten werden.
-
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst.
-
Wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist, dass eine vollkommen automatische Beladung und Entladung des Pufferspeichers erfolgt, wobei insbesondere bei Abnahme großer Leistungen die Temperatur des Wärmeträgermediums im Pufferspeicher niedrig bleibt, wodurch die Verluste durch Wärmeabstrahlung gering gehalten werden können. Erst im Bereich geringer Teillasten wird dem Pufferspeicher Wärme zugeführt, so dass die Temperatur des Wärmeträgermediums ansteigt, so dass bei einer nachfolgenden Abschaltung des Heizkessels eine vergleichsweise lange Periode überbrückt werden kann, bis der Heizkessel wieder einschalten muss.
-
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass eine eigene Pufferbeladepumpe nicht erforderlich ist, was sowohl den Installationsaufwand als auch die Betriebskosten entsprechend verringert.
-
Versuche haben gezeigt, dass es nicht ausreichend ist, das Heizregister des Heizkessels über Thermosiphonleitung mit dem Pufferspeicher zu verbinden. Überraschenderweise bildet sich trotz der vorhandenen Temperaturunterschiede keine Konvektionsströmung aus, so dass der Pufferspeicher im Wesentlichen funktionslos bleibt. Erst durch das Vorsehen einer gemeinsamen Düse kommt die Konvektionsströmung zustande, wobei bei korrekter Dimensionierung der Bauteile die oben beschriebene Funktion realisiert wird. Besonders günstig hat es sich herausgestellt, wenn die Thermosiphonleitung die Rücklaufleitung zumindest im stromabwärtigen, oberen Abschnitt umgibt. Auf diese Weise kann die Wirkung der Düse in vorteilhafter Weise gesteigert werden.
-
Besonders günstig ist es in weiterer Folge, wenn die gemeinsame Düse aus einem verjüngten Abschnitt der Thermosiphonleitung besteht, in den ein verjüngter Abschnitt der Rücklaufleitung mündet. Die Beladung des Pufferspeichers kann dadurch in effizienter Weise erfolgen.
-
Ein optimaler Wirkungsgrad kann dadurch erreicht werden, dass die Thermosiphonleitung von einem oberen Abschnitt des Heizregisters ausgeht.
-
Ferner hat es sich als besonders bevorzugt herausgestellt, wenn die gemeinsame Düse im oberen Abschnitt des Pufferbehälters angeordnet ist. Die Thermosiphonwirkung kann auf diese Weise optimal genützt werden.
-
Eine weitere begünstigte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Heizkessels sieht vor, dass im Bereich des stromaufwärtigen Teils des Heizregisters ein Sammelbehälter angeordnet ist, in den eine Verbindungsleitung vom Pufferspeicher einmündet. In diesem Zusammenhang ist es weiters vorteilhaft, wenn die Thermosiphonleitung konzentrisch in der Verbindungsleitung angeordnet ist.
-
In den Sammelbehälter mündet das kalte Rücklaufwasser der Heizungsanlage. Diese würde ohne diesen Behälter recht rasch nach unten strömen. Gleichzeitig wird mit dem Pelletsbrenner ein Großteil der Wärmeenergie im oberen Bereich des Heizkessels bereitgestellt. Damit ist es für eine effiziente Wärmeabgabe und gleichmäßige Kesseldurchströmung wichtig, in diesem Bereich (Sammelbehälter) die Übergabe der Wärme aus der Verbrennung durchzuführen. Gleichzeitig wird die Kondensation an den Kesselwänden durch zu kaltes Rücklaufwasser vermieden.
-
Eine baulich besonders kompakte Anordnung wird erreicht, wenn der Pufferspeicher unmittelbar oberhalb des Heizkessels angeordnet ist.
-
In der Folge wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
-
1a und 1b grundsätzliche Schaltungsdiagramme zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung;
-
2 einen erfindungsgemäßen Heizkessel im Schnitt; und
-
3 ein Detail von 2.
-
Aus dem Schaltungsdiagramm von 1a geht hervor, dass auf einem als Pellets-Kessel ausgebildeten Heizkessel 1 ein Pufferspeicher 2 aufgesetzt ist. Im Heizkessel 1 ist ein Heizregister 3 angeordnet, in dem ein Wärmeträgermedium durch die Verbrennung eines Brennstoffs, wie etwa Holzpellets, erwärmt wird. Durch eine Umwälzpumpe 4 wird das erwärmte Wärmeträgermedium von einem unteren Bereich 3a des Heizregisters 3 über ein Ansaugrohr 3b und einen Vorlaufanschluss 3c zu einem Heizungsverteiler 5 gefördert, der in an sich bekannter Weise ausgebildet ist und Teil einer nicht näher dargestellten Heizungsanlage 10 ist. Eine Rücklaufleitung 6 fördert das im Heizungsverteiler 5 abgekühlte Wärmeträgermedium über einen Rücklaufanschluss 6a zu einer gemeinsamen Düse 7, die in den Pufferspeicher 2 mündet. Diese gemeinsame Düse 7 wird gleichfalls von einer Thermosiphonleitung 8 angespeist, die von einem oberen Bereich 3d des Heizregisters 3 ausgeht und sich nach oben in den Pufferspeicher 2 erstreckt.
-
Oberhalb des Heizregisters 3 ist eine Wanne 11 ausgebildet, die eine Überlaufkante 12 aufweist und in die ein Rückflusskanal 13 vom Pufferspeicher 2 mündet.
-
In der Folge wird die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Heizkessels erläutert. Das Heizungswasser wird durch die Pelletsfeuerung im Heizregister 3 erwärmt. Das erwärmte Heizungswasser wird über das Ansaugrohr 3b gemäß 1b zu einem Mischer 15 gefördert, der die Aufgabe hat, die notwendige Vorlauftemperatur einzustellen. Die Umwälzpumpe 4 fördert das Heizungswasser durch den Heizungsverteiler 5 und weiter zum Verzweigungspunkt 16 für eine Bypassleitung 17, die zum Mischventil 15 zurückführt. In weiterer Folge strömt das abgekühlte Heizungswasser über die Rücklaufleitung 6 durch die Düse 7 in den Pufferspeicher 2. In der gemeinsamen Düse 7 wird gleichzeitig Heizungswasser aus der Thermosiphonleitung 8 angesaugt, so dass die Ausströmung aus der gemeinsamen Düse 7 entsprechend den Pfeilen 14 auch teilweise vom Heizkessel 1 gespeist wird und zwar aus dem oberen Bereich 3d des Heizregisters 3. Über den Rückflusskanal 13 strömt das Heizungswasser aus dem Pufferspeicher 2 zurück in die Wanne 11 und von dort in den unteren Bereich des Heizregisters 3. Die Wanne 11 dient dazu, die Wärme im oberen Bereich des Heizkessels 1 auszunützen und das Heizungswasser anzuwärmen, um Kondensationen im Heizregister 3 zu vermeiden.
-
Wesentlich an der Funktionsweise der Vorrichtung von 1b ist nun, dass bei Volllast, das heißt, bei großem Wärmebedarf im Heizungsverteiler 5 das Mischventil 15 weitgehend oder völlig geöffnet ist, das heißt, dass der Großteil des Heizungswassers stromabwärts des Heizungsverteilers 5 durch die Rücklaufleitung 6 in den Pufferspeicher 2 einströmt, und nur ein geringer Strom an Heizungswasser durch die Bypassleitung 17 strömt, oder diese gänzlich verschlossen ist. Aufgrund des hydraulischen Widerstandes im Heizungsverteiler 5 wird daher Heizungswasser mit einem relativ starken Unterdruck durch das Ansaugrohr 3b angesaugt, und es wird ein relativ großer Volumenstrom durch die Düse 7 ausgestoßen. Der Unterdruck im Ansaugrohr 3b bewirkt einen Unterdruck im gesamten Heizregister 3, so dass einerseits Heizungswasser durch den Rückflusskanal 13 vom Pufferspeicher 2 in den Heizkessel 1 strömt. Andererseits ist das Heizungswasser in der Thermosiphonleitung 8 aufgrund der höheren Temperatur zwar bestrebt nach oben zu steigen, was auch durch die Förderwirkung in der Düse 7 verstärkt wird, aufgrund des Unterdrucks im Heizkessel 1 wird eine Durchströmung der Thermosiphonleitung 8 jedoch weitgehend unterbunden. Aus der Düse 7 strömen gemäß den Pfeilen 14 daher hauptsächlich Wassermengen aus, die aus der Rücklaufleitung 6 stammen und daher relativ kalt sind. Der Pufferspeicher 2 wird daher bei hohem Wärmebedarf auf einer relativ niedrigen Temperatur gehalten.
-
Im niedrigen Teillastbereich, das heißt, bei geringem Wärmebedarf im Heizungsverteiler 5 ist davon auszugehen, dass das Mischventil 15 weitgehend geschlossen ist, das heißt, dass ein größerer Teil des Volumenstroms an Heizungswasser über die Bypassleitung 17 zum Mischventil 15 zurückgeführt wird, und nur ein kleinerer Teil durch die Rücklaufleitung 6 in den Pufferspeicher 2 geführt wird. Aufgrund der hydraulischen Verbindung durch die Bypassleitung 17 ist der Unterdruck im Ansaugrohr 3b gering, so dass im Heizkessel 1 und dem Pufferspeicher 2 weitgehend einheitlicher Druck vorherrscht. Daher kann heißes Heizungswasser in der Thermosiphonleitung 8 augrund des Dichteunterschieds nach oben strömen, wobei diese Strömung durch die Förderwirkung des Strahls aus der Rücklaufleitung 6 unterstützt wird. In diesem Betriebszustand wird somit der Pufferspeicher 2 von oben nach unten mit heißem Heizungswasser beladen. Es kann somit nach außen am Heizungsverteiler 5 eine geringere Wärmemenge abgenommen werden, als es der technisch möglichen Minimalleistung des Heizkessels 1 entspricht, da ein Teil der überschüssigen Wärme vom Pufferspeicher 2 aufgenommen wird. Sobald der Pufferspeicher 2 vollständig mit heißem Heizungswasser gefüllt ist und weiterhin nicht ausreichend Wärme am Heizungsverteiler 5 abgenommen wird, steigt die Temperatur im Heizkessel 1 über einen voreingestellten Höchstwert an, so dass die Verbrennung gestoppt wird. Der Heizungsverteiler 5 wird bei abgestelltem Heizkessel 1 aufgrund der gespeicherten Wärmekapazität des Heizungswasser so lange mit Wärme versorgt, bis die Temperatur nicht mehr ausreicht, um den Wärmebedarf zu befriedigen. Aufgrund der gegebenen vergrößerten Wärmekapazität wird damit die Stillstandszeit wesentlich vergrößert, das heißt, dass längere Ein- und Ausschaltzyklen erreicht werden.
-
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht wie oben bereits ausgeführt darin, dass insbesondere im Sommerbetrieb Wärmebedarf oft nach längeren Stillstandszeiten auftritt, wenn Warmwasser gezapft wird. In diesem Fall ist der gesamte Inhalt des Heizkessels 1 und auch des Pufferspeichers 2 auf einem geringen Temperaturniveau und der Brenner schaltet sofort auf Höchstleistung. Aufgrund der oben dargestellten Verhältnisse wird dabei der Pufferspeicher 2 anfangs nicht oder nur minimal erwärmt, so dass die notwendige Wärmeenergie nicht nur schneller bereitsteht, sondern auch der Wirkungsgrad wesentlich gegenüber konventionellen Lösungen erhöht wird, bei denen zur Erzielung längerer Zykluszeiten einfach der Inhalt des Heizregisters 3 an Heizungswasser vergrößert ist.
-
In 2 ist die erfindungsgemäße Lösung im Detail dargestellt. Seitlich oberhalb des Heizkessels 1 ist ein Vorratsbehälter 18 für Pellets angebracht, die über eine Zufuhreinrichtung 19 in den Brennraum 21 eingeführt werden. Der Pufferspeicher 2 ist direkt auf den Heizkessel 1 aufgesetzt und von den Abmessungen her passend ausgebildet.
-
In 3 ist der Aufbau des Pufferspeichers 2 im Detail dargestellt. Insbesondere ist ersichtlich, dass sowohl das Ende der Rücklaufleitung 6, als auch das Ende der Thermosiphonleitung 28 einen verjüngten Abschnitt 26 aufweisen. Auf diese Weise wird die Düse 7 ausgebildet. Die Thermosiphonleitung 28 und der Rückflusskanal 13 sind konzentrisch und über einen gemeinsamen Flansch 22 mit dem, hier nur angedeuteten, Heizkessel 1 verbunden.
-
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, die Beladung und Entladung eines Pufferspeichers 2 in Abhängigkeit vom Betriebszustand eines Heizkessels 1 automatisch zu regeln, ohne eine separate Umwälzpumpe oder eine elektronische Steuerung zu benötigen. Dennoch wird aufgrund der Betriebsweise des Pufferspeichers 2 ein erhöhter Wirkungsgrad erreicht.
