DE19508061A1 - Steuerung für eine Durchflußwarmwasserbereitungsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Steuerung einer Warmwasserbereitungsanlage nach dem Durchflußprinzip, die aus Wärmetauschern, Speicher, Pumpen, Armaturen und einer Regeleinrichtung besteht und in der Trinkwasser mittels Fernwärme und unter Nutzung des Heizungsrücklaufes erwärmt wird.

Bei Warmwasserbereitungsanlagen besteht das Problem, den Verbrauchern auch in den Spitzenverbrauchszeiten ausreichend Warmwasser mit der gewünschten Temperatur zur Verfügung zu stellen. Dieses Problem wurde in der Vergangenheit entweder dadurch versucht zu lösen, daß das Speichervolumen oder daß die Wärmetauscher nach einem bestimmten Spitzenverbrauch ausgelegt wurden. Ersteres wird Speicherladeprinzip genannt, das andere Spitzenspeicher-Durchflußprinzip.

Das Speicherladeprinzip führt zu großen Speichern verbunden mit einem großen Platzbe­ darf und hohen Investitionskosten, ist aber auch mit Vorteilen verbunden, wie relativ kleinen Wärmetauschern, einem sparsamen Umgang mit der Fernwärme, einer optimalen Heizungs­ rücklaufauskühlung und einem Ausgleich der Leistungsspitzen im Fernwärmenetz. Bei dem Speicherladeprinzip können Wärmetauscher und Speicher wie in der DE-OS 18 11 941 integriert oder separat angeordnet sein wie in der DE-OS 32 38 285 und den DE-PS 33 10 760 und 38 35 096.

Das Spitzenspeicher-Durchflußprinzip erfordert wesentlich größere Wärmetauscher, kommt aber mit einem kleineren Speicher und mit weniger Platz aus. Geringeren Investitionskosten stehen höhere Betriebskosten, insbesondere höhere Energiekosten gegenüber. Es wurde durch die DE-OS 26 05 994 und durch die DD-PS 2 04 987 bekannt. Bei diesem Prinzip ist parallel zu einem Wärmetauscher ein Warmwasserspeicher angeordnet, der bei Zapfruhe durch eine Ladepumpe aufgefüllt wird, die in Reihe zum Wärmetauscher angeordnet ist. Bei Spitzenverbrauch sorgt diese Ladepumpe oder ein Stellglied dafür, daß dieser Bedarf von Wärmetauscher und Speicher gemeinsam abgedeckt wird. Die Anwendung dieses Prinzips ist bisher teilweise daran gescheitert, daß der auf die Heizleistung bezogene Leistungsanteil der Trinkwassererwärmung bei Spitzenbedarf von einigen Fernwärmelieferanten unter Be­ rücksichtigung der örtlichen Netzparameter als zu hoch eingestuft wurde.

Die genannten Warmwasserbereitungsanlagen haben einige Nachteile, die bei ihrer Entwick­ lung nicht vorhergesehen wurden.

An erster Stelle ist die Legionellengefahr zu nennen, die bei diesen Anlagen nicht ausge­ schlossen und besonders für ältere und kranke Menschen lebensbedrohend ist. Die Legio­ nellen wurden erstmals nach einem Treffen amerikanischer Legionär-Veteranen im Jahre 1976 in Philadelphia als Erreger einer gefährlichen Krankheit erkannt, die Legionellose genannt wurde. Legionellen sind in unserer Natur weit verbreitet, kommen in kaltem Wasser aber nur in sehr geringen Konzentrationen vor, die für den Menschen ungefährlich sind. Bei Temperaturen zwischen 32 und 42°C vermehren sie sich jedoch in 24 Stunden um das 10fache, besonders in stehendem Wasser, und haben bei hohen Konzentrationen schon wiederholt zum Erkranken und zum Tode von Menschen geführt, wenn sie von diesen eingeatmet wurden. Als Infektionsquellen wurden insbesondere Warmwasserbereitungs­ anlagen identifiziert. Inzwischen wurde in Erfahrung gebracht, daß man sich gegen die Legionellengefahr nicht nur dadurch schützen kann, daß die Bildung von ruhenden Wasser­ zonen in dem genannten Temperaturbereich verhindert wird, sondern auch durch die Erhitzung des Warmwassers vor seinem Gebrauch. Bei Temperaturen um 70°C werden Legionellen binnen weniger Sekunden abgetötet.

Bei der in der DE-OS 18 11 941 beschriebenen Anlage wird dem Speicher bei jeder Brauchwasserentnahme Heißwasser zugeführt, um die Temperatur des Brauchwassers in einem bestimmten Bereich konstant zu halten. Dabei können sich im Speicher Wasser­ schichten unterschiedlicher Temperatur bilden. Wird dann noch einige Stunden oder sogar Tage kein Brauchwasser entnommen, können sich Legionellen vermehren und bei Wasser­ entnahme zu den Verbrauchern gelangen.

Nach der DE-OS 32 38 285 soll ein bestimmtes Brauchwasservolumen auf die gewünschte Temperatur in einem durch einen Wärmetauscher führenden Kreislauf erwärmt und dann diskontinuierlich in einen Speicher eingeschoben werden. Ein Temperaturmeßfühler im oberen Bereich des Speichers schaltet eine Wärmezufuhr ein, wenn die Temperatur einen Sollwert unterschreitet, und ein Temperaturmeßfühler im unteren Bereich des Speichers schaltet diese Wärmezufuhr aus, wenn ein Sollwert überschritten wird. Damit ist aber nicht gesichert, daß sich zwischen diesen Meßfühlern keine Wasserschicht mit dem für Legionel­ len günstigen Temperaturbereich von 32 bis 42°C bilden kann, und daß dieses Wasser nicht zum Verbraucher fließen kann.

Auch in der Anlage nach DE-PS 33 10 760 kann sich Schichtenwasser mit Temperaturen zwischen 32 bis 42°C bilden, wenn längere Zeit kein Wasser entnommen wird, das beim Öffnen der Zapfhähne in den Spitzenverbrauchszeiten bis zu den Verbrauchern strömen kann.

Das gilt auch für die Anlage nach DE-PS 38 35 096.

Dieses Problem tritt auch bei den genannten Warmwasseranlagen nach dem Durchflußprin­ zip auf. Die DD-PS 2 04 987 sieht vor, daß in den Spitzenverbrauchszeiten durch den Druckabfall ein Ventil geöffnet wird, welches durch den anstehenden Differenzdruck kaltes Wasser in den Speicher einströmen läßt, welches das gespeicherte Warmwasser verdrängt und zu den Verbrauchern fließen läßt. Dabei ist nicht gesichert, daß kein legionellenver­ seuchtes Wasser die Verbraucher erreicht. Die Bildung solchen Wassers wird dadurch begünstigt, daß das in den Speicher strömende Wasser aus einem Gemisch aus frischem Trinkwasser und dem Warmwasserrücklauf besteht. Besonders günstige Bedingungen für die Vermehrung der Legionellen sind in dem als Schwebekegel oder als feder- oder ge­ wichtsbelastetes Stellglied ausgebildeten Ventil vorhanden, in dem das stehende Wasser nicht erneuert wird.

Die Legionellengefahr ist bei den genannten Anlagen auch dadurch gewachsen, daß die Ver­ weilzeiten des im Speicher enthaltenen Wassers größer geworden sind, weil Spitzenver­ brauchszeiten zunehmend seltener auftreten, insbesondere infolge der kürzeren und flexible­ ren Arbeitszeit der Bürger.

Um der Legionellengefahr vorzubeugen, wurde in der DE-PS 38 40 516 vorgeschlagen, Wärmetauscher, Speicher und Ladepumpe auch bei Zapfruhe in einem Kreislauf durch­ strömen zu lassen, in dem die Wassertemperatur der Desinfektionstemperatur der Legionel­ len entspricht. Dadurch werden die Energiekosten jedoch erheblich erhöht. Günstiger ist eine den Sekundärkreislauf erweiternde Zirkulationsleitung nach DE-OS 26 05 994 oder nach DE-PS 39 16 222, über die das an den Zapfstellen nicht entnommene Wasser wieder einem Wärmetauscher zugeführt und in ihm auf 55°C erwärmt wird. Den Verbrauchern steht dadurch ständig frisch erwärmtes Wasser oberhalb des gefährlichen Temperaturberei­ ches zur Verfügung.

Die Desinfektionstemperatur von ca. 70°C darf aber im Sekundarkreislauf nicht wesentlich überschritten werden, weil sich oberhalb dieser Temperatur die im Wasser gelösten Minera­ lien als Kesselstein verstärkt niederschlagen. Diese Ablagerungen, die sich auch bei Gebrauchswassertemperaturen um 50°C - wenn auch in geringerem Maße - bilden, vergrößern zunehmend den Druckverlust und verschlechtern den Wärmeübergang in den Wärmetauschern. Da im Sekundärkreislauf Trinkwasser fließt, verbietet es sich, das Wasser wie im Primärkreislauf durch Zusätze weicher zu machen und dadurch die Bildung von Kesselstein zu verhindern. Eine Überhitzung des Brauchwassers würde die Nutzungsdauer einer Warmwasserbereitungsanlage erheblich verkürzen und kann allein durch eine präzise Steuerung des Sekundärkreislaufes verhindert werden.

Eine genaue Steuerung ist auch erforderlich, um die Energiekosten zu minimieren. Ein zu hoher Leistungsbedarf für die Brauchwassererwärmung erhöht unnötig die Inanspruchnah­ me von Heizleistung und gefährdet den Erhalt eines Bonus, den einige Fernwärmelieferan­ ten bei Einhaltung eines vorgegebenen Heizleistungsanteils gewähren.

Die Einhaltung der an die Steuerung einer Warmwasserbereitungsanlage gestellten Forde­ rungen wird dadurch erschwert, daß sich die ausgefällten Mineralien auch auf Temperatur­ meßfühlern ablagern und die Meßergebnisse verfälschen und daß der zunehmende Druck­ verlust differenzdruckgesteuerte Stellglieder bzw. -ventile bei Erreichen eines vorgegebenen Sollwertes bereits reagieren läßt, wenn dies noch gar nicht erforderlich ist, weil der diesem Differenzdruck entsprechende Volumenstrom nicht vorhanden ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Steuerung einer Warmwasserbereitungsanlage unanfällig gegen Kesselstein zu machen und sie so zu gestalten, daß die Verbraucher jederzeit energie­ kostensparend mit ausreichend Warmwasser der gewünschten Temperatur und ohne Legio­ nellengefahr versorgt werden und daß bei Einhaltung eines vom Fernwärmelieferanten vor­ gegebenen Heizleistungsanteiles für die Trinkwassererwärmung der Spitzenbedarf mit mög­ lichst kleiner Speicherkapazität abgedeckt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Kaltwasserleitung, vorzugs­ weise vor ihrem Abzweig zum Speicher, ein Volumenstromzähler angeordnet wird, der über eine elektronische Reglereinheit ein Stellventil öffnet und schließt, das im Abzweig zum Speicher angeordnet ist, daß zwischen dem Volumenstromzähler und einem oder mehreren Wärmetauschern in Reihe hinter einem Rückschlagventil eine Ladepumpe angeordnet ist, die über eine parallele Leitung mit Rückschlagventil auch mit dem Speicher verbunden ist und über die Reglereinheit durch einen Temperaturmeßfühler am Speicher eingeschaltet und durch einen Meßfühler unter dem Speicher in dem Abzweig der Kaltwasserleitung zur Ladepumpe ausgeschaltet wird.

Als Volumenstromzähler kann zum Beispiel ein Flügelrad- oder ein Woltmannzähler mit einem elektrischen Impulsausgang eingesetzt werden. Die elektrischen Impulse, die jeweils ein Analogon für ein bestimmtes Volumen sind, werden zur Reglereinheit weitergeleitet und dort aufgezeichnet. Überschreiten sie pro Zeiteinheit einen eingestellten Sollwert, weil mehr Brauchwasser gezapft wird als die Warmwasserbereitstellungsanlage ohne Überschreitung des vom Fernwärmelieferanten vorgegebenen Leistungsanteils an der Heizleistung zur Ver­ fügung stellen kann, so wird das Stellventil in dem Abzweig der Kaltwasserleitung zum Speicher geöffnet. Aufgrund der vorhandenen Druckdifferenz strömt das kalte Wasser in den Speicher und verdrängt das gespeicherte Warmwasser. Dieses verstärkt die Warmwas­ serströmung von den Wärmetauschern zu den Zapfstellen und trägt so dazu bei, den Spit­ zenverbrauch abzudecken. Das Speicherwasser vermischt sich mit der von den Wärmetau­ schern kommenden Warmwasserströmung zu einem größeren der Warmwasserzapfung ent­ sprechenden Gesamtvolumenstrom.

Als Stellventil kann ein Magnetventil eingesetzt werden. Günstiger, wenn auch teurer, ist der Einsatz eines Motorventils, das nicht nur öffnet und schließt, sondern bei dem die Größe der Ventilöffnung durch die Reglereinheit proportional zu der von dem Volumen­ stromzähler gemessenen Überschreitung des Volumenstromsollwertes eingestellt wird. Dadurch wird erreicht, daß durch die Wärmetauscher auch dann der gewünschte Volumen­ strom fließt, wenn das Stellventil geöffnet ist, und daß dieser Volumenstrom auch während der Abdeckung eines Spitzenbedarfs nicht mehr und nicht weniger Wärme aufnimmt als projektiert und mit dem Fernwärmelieferanten vereinbart wurde.

Wird an den Zapfstellen kein Wasser entnommen, fließt das Wasser nur durch den Zirkula­ tionskreislauf, der durch eine Zirkulationspumpe aufrechterhalten wird, und der das Warm­ wasser von dem Nachwärmer zu den Zapfstellen strömen läßt und von dort zurück über die Zirkulationspumpe zum Nachwärmer. Durch den Zirkulationskreislauf steht an den Zapf­ stellen immer frisches Warmwasser oberhalb der Temperatur bereit, bei der sich Legionel­ len vermehren.

Der Verbraucher ist so zweifach vor der Legionellengefahr geschützt. Einmal dadurch, daß das Warmwasser ständig mit einer Temperatur oberhalb der Legionellengefahr zirkuliert, und außerdem dadurch, daß kein Wasser unterhalb der Solltemperatur aus dem Speicher zum Verbraucher gelangen kann, weil der obere Teil des Speichers ständig mit Warm­ wasser gefüllt ist, auch wenn der Speicher zur Abdeckung des Spitzenverbrauchs zum Teil entleert wird. Darüber wacht ein Temperaturmeßfühler, der etwa in halber Höhe des Speichers angebracht ist. Sobald das kalte Wasser bis zu ihm aufgestiegen ist, läßt er durch ein Signal an die Reglereinheit die Ladepumpe anspringen, die das kalte Wasser zu den Wärmetauschern fördert. Das geschieht, wenn bei einem Spitzenverbrauch kaltes Wasser in den Speicher eingedrungen ist, und auch, wenn das Wasser im unteren Bereich des Speichers ausgekühlt ist, weil bei ausbleibendem Spitzenverbrauch längere Zeit keine Auffüllung des Speichers mit Warmwasser erfolgt ist. In den Speicher strömt dabei von den Wärmetauschern erwärmtes Wasser nach bis es den Temperaturfühler unter dem Speicher erreichert, worauf die Ladepumpe abgeschaltet wird.

Die Ladepumpe hat nur eine geringe Leistung. Sie ist nur solange in Betrieb wie es zur Füllung des Speichers erforderlich ist. Das von ihr geförderte Wasser kann Leistungs­ schwankungen in der Kaltwasserleistung ausgleichen.

Durch die Anbringung des Temperaturmeßfühlers in etwa halber Höhe des Speichers wird der Möglichkeit vorgebeugt, daß er infolge von Ablagerungen zunehmend träger reagieren wird.

Eine trägere Reaktion des Temperaturmeßfühlers unter dem Speicher kann nur ein späteres Ausschalten der Ladepumpe zur Folge haben und sich nicht nachteilig auf die Warmwasser­ bereitstellung auswirken.

Die Volumenstrommessung ist unanfallig gegen eventuelle Ablagerungen. Die auf ihrer Grundlage erfolgende Steuerung bleibt daher auch bei längerer Nutzungsdauer der Warm­ wasserbereitungsanlage genau und sichert zuverlässig die Versorgung der Verbraucher mit ausreichend Warmwasser mit der gewünschten Temperatur unter Ausschluß der Legionel­ lengefahr sowie die Einhaltung eines vom Fernwärmelieferanten vorgegebenen Heiz­ leistungsanteiles der Trinkwassererwärmung mit einer sehr geringen Speicherkapazität.

Zudem hat sie noch den weiteren Vorteil, daß mit ihr über die Reglereinheit der Volumen­ strom der Ladepumpe reguliert werden kann, ohne dazu eine zusätzliche Einstellarmatur wie z. B. eines Taco-Setters zu benötigen.

Auf der Grundlage des mit der Reglereinheit über längere Zeiträume aufgezeichneten Volumenstromes kann außerdem eine optimale Anpassung der Anlage, insbesondere des Speichers, an den tatsächlichen Warmwasserverbrauch erfolgen.

Im folgenden wird die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen erläutert:

Fig. 1 ist eine Warmwasserbereitungsanlage nach dem Spitzenspeicherdurchflußprinzip mit Volumenstrommeßsteuerung dargestellt und in

Fig. 2 wird diese Anlage gezeigt mit einigen zusätzlichen Ventilen, die sie zur Regulie­ rung des Volumenstroms der Ladepumpe tauglich machen.

Die Anlage besteht aus dem Wärmtauscher 1, der die Wärme des Heizungsrücklaufes zur Erwärmung des Brauchwassers nutzt, aus dem Wärmetauscher 2, dem Fernwärmevorlauf­ wasser zugeführt wird, der Zirkulationspumpe 3, der Ladepumpe 4 und dem Speicher 5. Vor dem Abzweig zum Speicher 5 ist in der Kaltwasserleitung zur Volumenstrommessung ein Woltmannzähler 6 angeordnet, dessen Meßergebnisse in der Reglereinheit 7 aufgezeichnet werden und nach denen das Stellventil 8 betätigt wird.

In den parallelen Leitungen, die vom Woltmannzähler 6 und vom Speicher 5 zur Lade­ pumpe 4 führen, ist jeweils ein Rückschlagventil 9 und 10 angeordnet. Etwa in halber Höhe des Speichers 5 befindet sich der Temperaturmeßfühler 11, der die Ladepumpe 4 ein­ schaltet. In dem Kaltwasserabzweig unter dem Speicher 5 ist der Temperaturmeßfühler 12 angebracht, der diese Pumpe 4 abschaltet.

Solange kein Warmwasser gezapft wird, fördert die Zirkulationspumpe 3 das Warmwasser vom Wärmetauscher 2 über den Speicher 5 zu den Zapfstellen und von dort zurück zum Wärmetauscher 2.

Wird einer der Zapfhähne geöffnet, so strömt Kaltwasser durch den Woltmannzähler 6 und die ausgeschaltete Ladepumpe 4 in die Wärmetauscher 1 und 2, in denen es erhitzt wird und von denen es zu den Zapfstellen fließt.

Wächst der Warmwasserverbrauch in Spitzenzeiten über einen Sollwert, der durch einen vom Fernwärmelieferanten vorgegebenen Anteil an der Heizungsleistung bestimmt sein kann, öffnet die Reglereinheit 7 aufgrund der Meßergebnisse des Woltmannzählers 6 das Stellventil 8, wodurch Kaltwasser im Speicher aufsteigt und das in ihm enthaltene Warmwasser zu den Zapfstellen strömt. Wenn das Kaltwasser den Temperaturmeßfühler 11 erreicht, wird die Ladepumpe 4 durch die Reglereinheit 7 eingeschaltet. Sie fördert nun das Kaltwasser solange durch die Wärmetauscher 1 und 2 bis der Speicher wieder mit Warm­ wasser gefüllt ist und der Temperaturmeßfühler 12 über die Reglereinheit 7 die Ladepumpe 4 ausschaltet.

Die Warmwasserbereitungsanlage ist nun wieder bereit, Warmwasser für die Abdeckung eines Spitzenbedarfs zur Verfügung zu stellen.

Durch Einbau der Ventile 13, 14, 15, 16 und 17 wie in Fig. 2 gezeigt, kann die Steuerung für die Regulierung des Volumenstromes der Ladepumpe vorbereitet werden. Die Regler­ einheit 7 zeichnet bei Schließung der Ventile 13, 14, 15, und 17 und Öffnung des Ventiles 16 den vom Woltmannvolumenzähler 6 gemessenen Volumenstrom auf, nach dem die entspre­ chende Drehzahl der Ladepumpe eingestellt wird. Bei der Regulierung des Volumenstromes der Ladepumpe ist die Zirkulationspumpe 3 ausgeschaltet.

Bezugszeichenliste

1 Wärmetauscher
2 Wärmetauscher
3 Zirkulationspumpe
4 Ladepumpe
5 Speicher
6 Volumenstromzähler
7 Reglereinheit
8 Stellventil
9 Rückschlagventil
10 Rückschlagventil
11 Temperaturmeßfühler
12 Temperaturmeßfühler
13 Ventil
14 Ventil
15 Ventil
16 Ventil
17 Ventil

Claims (7)

1. Steuerung für eine Durchflußwarmwasserbereitungsanlage, die aus einem oder mehre­ ren Wärmetauschern, Speicher, Pumpen, Armaturen und einer Reglereinrichtung be­ steht, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kaltwasserleitung vor den Wärmetauschern (1) und (2), einer Ladepumpe (4) und einem Rückschlagventil (9) in Reihe ein Volu­ menstromzähler (6) angeordnet ist, der über eine elektronische Reglereinheit (7) ein im Abzweig der Kaltwasserleitung zum Speicher (5) angeordnetes Stellventil (8) ent­ sprechend der Überschreitung des Volumenstromsollwertes betätigt, und daß die Lade­ pumpe (4) über eine parallele Leitung, in der sich ein Rückschlagventil (10) befindet, mit dem Speicher (5) verbunden ist und durch die Reglereinheit (7) eingeschaltet wird, wenn ein Temperaturmeßfühler (11) die Unterschreitung einer Solltemperatur mißt und ausgeschaltet wird, wenn beim Temperaturmeßfühler (12) eine Solltemperatur erreicht ist.

2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenstromzäh­ ler (6) vor dem Abzweig der Kaltwasserleitung zum Speicher (5) angeordnet ist.

3. Steuerung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Volumenstrom­ zähler (6) ein Flügelrad- oder ein Woltmannzähler eingesetzt wird.

4. Steuerung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellven­ til (8) ein Magnetventil eingesetzt wird, das geöffnet wird, wenn der gemessene Volu­ menstrom einen Sollwert überschreitet, und geschlossen wird, wenn dieser Sollwert erreicht ist.

5. Steuerung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellven­ til (8) ein Motorventil eingesetzt wird, das proportional zur Überschreitung des Volu­ menstromsollwertes geöffnet und geschlossen wird.

6. Steuerung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Tempera­ turmeßfühler (11) etwa in halber Höhe des Speichers (5) und der Temperaturmeß­ fühler (12) unter dem Speicher (5) angeordnet ist.

7. Steuerung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zirku­ lationsleitung vom Speicher (5) zu den Zapfstellen und von ihnen zum Wärmetau­ scher (2) je ein Ventil (13) und (14) angeordnet ist, daß vor dem Volumenstromzäh­ ler (6) in der Kaltwasserleitung ein Ventil (15) ist, daß in einem zusätzlichen Abzweig der Kaltwasserleitung zum Speicher (5), der hinter dem Ventil (15) und vor dem Vo­ lumenstromzahler (6) parallel zum Stellventil (8) verläuft, ein Ventil (16) angeordnet ist, daß sich in der Leitung, die vom Speicher (5) zur Ladepumpe (4) führt, ein Ven­ til (17) befindet und daß diese Ventile mit Ausnahme des Ventils (16) geschlossen sind, wenn der Volumenstrom der Ladepumpe (4) durch Einstellen ihrer Drehzahl reguliert wird.