DE3886065T2 - Capacity control for integrated oven. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Regeln der Kapazität eines integrierten Heizsystems und auf ein integriertes Heizsystem zur Raumheizung und Haushaltswarmwasserbereitung und bezieht sich mehr insbesondere auf ein Kapazitätsregelsystem für einen Infrarotbrennermodul eines integrierten Raumheiz- und Warmwasserbereitungssystems.The invention relates generally to a method for controlling the capacity of an integrated heating system and to an integrated heating system for space heating and domestic hot water preparation and more particularly relates to a capacity control system for an infrared burner module of an integrated space heating and domestic hot water preparation system.

In Heizsystemen für Privathäuser und kommerzielle Gebäude arbeiten zentrale Öfen zum Erwärmen eines Raums alle nach demselben allgemeinen Prinzip. Luft für einen zu beheizenden Raum zirkuliert durch ein geschlossenes System, das im allgemeinen ein Kanalsystem aus Blech aufweist, und wird entweder bei ihrem Durchgang durch einen Wärmetauscher in Kontakt mit einem brennenden Brennstoff oder bei ihrem Vorbeigang in Kontakt mit einem Sekundärfluid, das durch einen brennenden Brennstoff erhitzt worden ist, erwärmt. Da das Verbrennen des Brennstoffes zur Erzeugung von schädlichen Verbrennungsgasen führt, die Austrittstemperaturen haben, welche 260 ºC (500 ºF) übersteigen können, ist es notwendig, die Verbrennungsgase durch einen Kamin oder Schornstein in die Atmosphäre austreten zu lassen. Diese Systeme haben einen relativ schlechten Wirkungsgrad, was sich an den hohen Austrittstemperaturen der Verbrennungsgase zeigt, und sind wegen des Baus des notwendigen Schornsteins oder Kamins teuer.In residential and commercial heating systems, central furnaces for heating a room all operate on the same general principle. Air for a room to be heated circulates through a closed system, generally comprising a sheet metal duct system, and is heated either as it passes through a heat exchanger in contact with a burning fuel or as it passes in contact with a secondary fluid heated by a burning fuel. Since the burning of the fuel results in the production of harmful combustion gases which have outlet temperatures which may exceed 260ºC (500ºF), it is necessary to exhaust the combustion gases to the atmosphere through a stack or chimney. These systems have relatively poor efficiency, as evidenced by the high outlet temperatures of the combustion gases, and are expensive because of the construction of the necessary chimney or chimney.

Indirekt gefeuerte Öfen, nämlich solche, bei denen die Luft, die erhitzt wird, nicht in direkten Kontakt mit den erzeugten Verbrennungsgasen kommt, werden allgemein sowohl in Zwangsumluftsystemen als auch in Systemen, bei denen die Wärmeübertragung durch strömende Medien erfolgt, benutzt.Indirectly fired furnaces, namely those in which the air being heated does not come into direct contact with the combustion gases produced, are commonly used in both forced air systems and in systems in which heat transfer occurs through flowing media.

Ein Zwangsumluftsystem besteht hauptsächlich aus einem Wärmetauscher, der Brennkammern hat, die in Relation zu der Strömung von zu erwärmender Luft derart angeordnet sind, daß der Brennstoff an einem Ende einer Kammer eingeleitet wird, wo eine Flamme bewirkt, daß Wärme erzeugt wird. Die Wärme geht durch eine Reihe von inneren Leitwänden hindurch, bevor sie am anderen Ende der Brennkammer aus- und in den Schornstein oder Kamin eintritt. Gleichzeitig geht umgewälzte Luft um die Außenseite der Wärmetauscher herum, um Wärme durch Leitung oder Konvektion zu absorbieren.A forced air circulation system consists mainly of a heat exchanger having combustion chambers arranged in relation to the flow of air to be heated in such a way that that the fuel is introduced at one end of a chamber where a flame causes heat to be generated. The heat passes through a series of internal baffles before exiting the other end of the combustion chamber and entering the chimney or stack. At the same time, circulated air passes around the outside of the heat exchangers to absorb heat by conduction or convection.

Ein System mit Wärmeübertragung durch strömende Medien besteht hauptsächlich aus einem Feuerraum, in dem ein Wärmetauscher angeordnet ist. Der Wärmetauscher ist in einem als geschlossene Schleife ausgebildeten System zum kontinuierlichen Umwälzen von Wasser, einer Wasserglycollösung oder einem anderen geeigneten Wärmeaustauschmedium von dem Wärmetauscher zu einem entfernten Radiator in dem zu erwärmenden Raum angeordnet. Wegen der Verbrennungsgastemperaturen an dem Auslaß des Feuerraums und wegen der Kosten des Kamins hat dieses System jedoch ebenfalls einen relativ schlechten Wirkungsgrad und ist ebenfalls teuer.A flow heat transfer system consists mainly of a furnace in which a heat exchanger is arranged. The heat exchanger is arranged in a closed loop system for continuously circulating water, a water glycol solution or other suitable heat exchange medium from the heat exchanger to a remote radiator in the room to be heated. However, due to the combustion gas temperatures at the furnace outlet and the cost of the chimney, this system also has a relatively poor efficiency and is also expensive.

Somit ist das ineffiziente Heimheizsystem im allgemeinen der größte Energieverbraucher, wobei das Haushaltswarmwassersystem der zweitgrößte Energieverbraucher ist. Beim Liefern von Warmwasser für Privathäuser und kommerzielle Gebäude werden im allgemeinen Systeme für warmes Trinkwasser mit normalen glasbeschichteten Warmwasserspeichertanks benutzt. Es ist bei diesen Systemen üblich, einen geschlossenen Wassertank vorzusehen, in welchem Rohrschlangen wendelförmig angeordnet sind, durch welche das zu erwärmende Wasser strömt. In dem untersten Teil des Tanks ist normalerweise ein Brenner vorgesehen, dessen Wärme gestattet wird, über die Schlangen hinwegzugehen und dadurch das Wasser in dem Tank zum Gebrauch in dem Heim oder Gebäude zu erwärmen. Wiederum wird wie bei den Raumheizsystemen für Häuser und Gebäude die Wärme, die nicht auf den Wärmetauscher während Bedarf-"Ein-Zeit" und auch während Bereitschaft-"Aus-Zeit" übertragen wird, an dem oberen Ende des Tanks in einen Schornstein oder Kamin und an die Atmosphäre abgegeben und geht außerdem über die Tankhülle verloren. Somit ist ein Haushaltswarmwassersystem auch deshalb ineffizient, weil ein großer Teil der Wärme direkt über den Kamin an die Atmosphäre verlorengeht.Thus, the inefficient home heating system is generally the largest energy consumer, with the domestic hot water system being the second largest energy consumer. In supplying hot water to private homes and commercial buildings, domestic hot water systems using standard glass-lined hot water storage tanks are generally used. It is common in these systems to provide an enclosed water tank in which coils of pipe are arranged in a spiral fashion through which the water to be heated flows. In the lowest part of the tank there is normally provided a burner, the heat from which is allowed to pass over the coils and thereby heat the water in the tank for use in the home or building. Again, as with space heating systems for homes and buildings, the heat not transferred to the heat exchanger during demand "on time" and also during standby "off time" is discharged at the top of the tank into a chimney or stack and to the atmosphere and is also lost through the tank shell. This makes a domestic hot water system inefficient because a large part of the heat is lost directly to the atmosphere through the chimney.

Wegen der steigenden Energiekosten nehmen die Bemühungen, Energie einzusparen, zu. Infolgedessen gibt es gegenwärtig ein beträchtliches Interesse an der Rückgewinnung von Energie, z.B. von Abwärme aus Verbrennungsheizgeräten, die üblicherweise ohne Rückgewinnung an die Atmosphäre abgegeben wird.Due to rising energy costs, efforts to save energy are increasing. As a result, there is currently considerable interest in recovering energy, e.g. waste heat from combustion heaters, which is usually released into the atmosphere without recovery.

Bei einem Versuch, Wärme rückzugewinnen, sind Wärmetauscherschlangen in dem Rauchzug eines Ofens installiert worden, um einen Teil der Abwärme auf Haushaltswarmwasserbereiter zu übertragen und so einen Teil der üblicherweise vergeudeten Wärme zurückzugewinnen.In an attempt to recover heat, heat exchanger coils have been installed in the flue of a furnace to transfer some of the waste heat to domestic water heaters, thus recovering some of the heat that is usually wasted.

Ein Nachteil der Energieeinsparung durch Zurückgewinnen von Abwärme aus einem Ofen zur Verwendung durch Haushaltswarmwasserbereiter liegt jedoch darin, daß beide Systeme unabhängig gesteuert werden und daß die eingesparte Energie durch die Temperatur des Wassers in dem Warmwassertank für den Gebrauch als Trinkwasser begrenzt und üblicherweise zwischen 49 ºC (120 ºF) und 71 ºC (160 ºF) gehalten wird, wobei der Mittelwert auf oder oberhalb der Gaskondensationstemperatur im Schornstein liegt, weshalb der Wirkungsgrad der Rückgewinnung auf einen oder bis zu einem maximalen Schwellenwert des Produkts von 88 % bis 90 % begrenzt wird. Die Notwendigkeit von doppelten Steuerkreisen für halbintegrierte Öfen und Warmwasserbereiter ist darauf zurückzuführen, daß in beiden Systemen Blauflammenbrenner benutzt werden. Bei halbintegrierten Geräten sind doppelte Steuerungen notwendig, weil es keine echte Integration einer gemeinsamen Heizschleife gibt, die für Kapazität bei unterschiedlichen verlangten Temperaturen sowohl für Heizen als auch Warmwasser sorgt. Das verlangt ein schnelles Ein- Aus-Ansprechen mit Modulation von Eingangs- und Strömungssteuereinrichtungen, und Blauflammenbrenner sind von Natur aus nicht in der Lage, die Modulation auf diese Weise effektiv zu steuern, und sind deshalb in ihrem Betrieb auf einen bestimmten Bruchteil des vollen Eingangssignals während Dauerbetriebs begrenzt. Die Kapazität dieser Brenner kann nicht reduziert werden, wenn der Bedarf an Warmwasser reduziert wird, sondern sie müssen mit voller Kapazität unter allen Betriebsbedingungen gefeuert werden.However, a disadvantage of energy conservation by recovering waste heat from a furnace for use by domestic water heaters is that both systems are independently controlled and the energy saved is limited by the temperature of the water in the hot water tank for potable use and is typically maintained between 49ºC (120ºF) and 71ºC (160ºF), with the average being at or above the gas condensation temperature in the stack, thus limiting the efficiency of recovery to or up to a maximum product threshold of 88% to 90%. The need for dual control circuits for semi-integrated furnaces and water heaters is due to the fact that blue flame burners are used in both systems. Dual controls are necessary in semi-integrated units because there is no true integration of a common heating loop to provide capacity at different required temperatures for both heating and hot water. This requires a fast on-off response with modulation of input and flow control devices, and blue flame burners are inherently unable to effectively control modulation in this way and are therefore limited in their operation to a certain fraction of the full input signal during continuous operation. The capacity of these burners cannot be reduced when the demand for hot water is reduced, but they must be fired at full capacity under all operating conditions.

Ein integriertes Heizsystem gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruchs 1 oder des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs 2 ist in der GB-A-2 160 967 beschrieben. In der bekannten Heizeinheit sind die Raumheizschlange und die Haushaltswasserheizschlange parallel geschaltet. Die Haushaltswasserheizschlange erhitzt das Haushaltswasser, das in einem Tank enthalten ist.An integrated heating system according to the preamble of independent method claim 1 or independent device claim 2 is described in GB-A-2 160 967. In the known heating unit, the room heating coil and the domestic water heating coil are connected in parallel. The domestic water heating coil heats the domestic water contained in a tank.

Es wird außerdem auf die JP-A-60 82 716 und auf die JP-A-60 117 046 verwiesen, die beide das intermittierende Zuführen von Brenngas zu einem Blauflammenbrenner, so daß das Gas intermittierend verbrannt wird, beschreiben.Reference is also made to JP-A-60 82 716 and to JP-A-60 117 046, both of which describe the intermittent supply of fuel gas to a blue flame burner so that the gas is intermittently burned.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum effizienten Regeln der Kapazität eines integrierten Heizsystems, das einen Strahlungsbrenner hat, und ein integriertes Heizsystem zu schaffen, das einen flüssigkeitsgestützten, gasgefeuerten Heizmodul mit einem Strahlungsbrenner hat, welche die Wärmeabgabe des Brenners so steuern werden, daß sie der Geschwindigkeit angepaßt ist, mit welcher Energie entweder zur Raumheizung oder zur Haushaltswarmwasserbereitung, oder für beides, verlangt wird.The object of the invention is to provide a method for efficiently controlling the capacity of an integrated heating system having a radiant burner and an integrated heating system having a liquid-assisted gas-fired heating module with a radiant burner, which will control the heat output of the burner to match the rate at which energy is required for either space heating or domestic hot water, or both.

Gemäß der Erfindung wird, um das zu erreichen, ein Verfahren geschaffen zum Regeln der Kapazität eines integrierten Heizsystems zur Raumheizung und Haushaltswarmwasserbereitung, beinhaltend die Schritte Benutzen eines Infrarotbrenners zum Zuführen von Wärme direkt zu einer Primärheizfluidschleife, die eine Raumheizschlange enthält, und übertragen von Wärme von der Primärheizfluidschleife auf eine Sekundärhaushaltswarmwasserschleife, gekennzeichnet durch Vorsehen einer tanklosen Wärmeaustauschbeziehung zwischen der Primär- und Sekundärschleife, Erfassen des Vorhandenseins einer Haushaltswarmwasserströmung in der Sekundärhaushaltswarmwasserschleife, Erfassen der Temperatur des Fluids in der Primärheizfluidschleife; und Steuern einer Impulsbreite eines "Ein"-Impulses konstanter Impulsperiode des Brenners, um die Temperatur des Fluids in der Primärheizfluidschleife aufgrund der erfaßten Haushaltswarmwasserströmung und der Temperatur des Fluids in der Primärheizfluidschleife innerhalb gewünschter Grenzen zu halten.According to the invention, to achieve this, there is provided a method of controlling the capacity of an integrated heating system for space heating and domestic hot water production, comprising the steps of using an infrared burner to supply heat directly to a primary heating fluid loop containing a space heating coil, and transferring of heat from the primary heating fluid loop to a secondary domestic hot water loop, characterized by providing a tankless heat exchange relationship between the primary and secondary loops, sensing the presence of a domestic hot water flow in the secondary domestic hot water loop, sensing the temperature of the fluid in the primary heating fluid loop; and controlling a pulse width of a constant pulse period "on" pulse of the burner to maintain the temperature of the fluid in the primary heating fluid loop within desired limits based on the sensed domestic hot water flow and the temperature of the fluid in the primary heating fluid loop.

Weiter wird gemäß der Erfindung ein integriertes Heizsystem geschaffen zur Raumheizung und Haushaltswarmwasserbereitung, mit einem Infrarotbrenner, einer Schlange zum Empfangen von Wärme aus dem Brenner, einer Primärheizfluidschleife, die mit der Schlange verbunden ist und einen ersten Wärmetauscher zum Übertragen von Wärme auf einen Raum und einen zweiten Wärmetauscher zum Übertragen von Wärme aus der Primärheizfluidschleife auf eine Sekundärhaushaltswarmwasserschleife hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlange zum Empfangen von Wärme aus dem Brenner, der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher in der Primärheizfluidschleife in Reihe geschaltet sind, daß der zweite Wärmetauscher ein tankloser Rohr-in- Rohr-Wärmetauscher ist und daß ein Kapazitätsregelsystem für den Brenner vorgesehen ist, wobei das Kapazitätsregelsystem ein Brennerflammensteuersystem zum Steuern des Impulsbetriebes von wiederholter Zündung und Verbrennungsbeendigung des Brenners hat, wobei das Brennerflammensteuersystem einen Strömungsschalter aufweist zum Erfassen der absoluten Fluidströmung in der Sekundärhaushaltswarmwasserschleife und zum Abgeben eines ersten Signals an eine Mikrocomputereinrichtung, das das Vorhandensein einer Warmwasserströmung in der Sekundärhaushaltswarmwasserschleife anzeigt, und eine Temperatursensoreinrichtung zum Erfassen der Temperatur des Fluids in der Primärheizfluidschleife an einem Auslaß der Schlange, die Wärme aus dem Brenner empfängt, und zum Abgeben eines zweiten Signals an die Mikrocomputereinrichtung, das die Temperatur des Fluids in der Primärheizfluidschleife angibt, wodurch der Mikrocomputer ein Ausgangssignal liefert, das auf das erste und zweite Signal anspricht, um den Impulsbetrieb der wiederholten Zündung und Verbrennungsbeendigung des Brenners zu steuern, so daß das Fluid in der Primärheizfluidschleife auf einer gewünschten Temperatur gehalten wird.Further according to the invention there is provided an integrated heating system for space heating and domestic hot water preparation, comprising an infrared burner, a coil for receiving heat from the burner, a primary heating fluid loop connected to the coil and having a first heat exchanger for transferring heat to a space and a second heat exchanger for transferring heat from the primary heating fluid loop to a secondary domestic hot water loop, characterized in that the coil for receiving heat from the burner, the first heat exchanger and the second heat exchanger are connected in series in the primary heating fluid loop, that the second heat exchanger is a tankless tube-in-tube heat exchanger and that a capacity control system is provided for the burner, the capacity control system having a burner flame control system for controlling the pulse operation of repeated ignition and combustion termination of the burner, the burner flame control system having a flow switch for sensing the absolute fluid flow in the secondary domestic hot water loop and for delivering a first signal to a microcomputer device for indicating the presence of a hot water flow in the secondary domestic hot water loop, and a temperature sensor device for detecting the temperature of the fluid in the primary heating fluid loop at an outlet of the coil receiving heat from the burner and for providing a second signal to the microcomputer means indicative of the temperature of the fluid in the primary heating fluid loop, whereby the microcomputer provides an output signal responsive to the first and second signals for controlling the pulsed operation of repeatedly igniting and terminating combustion of the burner so that the fluid in the primary heating fluid loop is maintained at a desired temperature.

Demgemäß wird die Aufgabe der Erfindung gelöst, indem eine kapazitätsmodulierte Regelung für ein Heizsystem zum Erwärmen eines Raums in einem Gebäude und von Haushaltswasser geschaffen wird. Das Heizsystem, das einen flüssigkeitsgestützten Heizmodul mit schnellem Ansprechen und ein tankloses Haushaltswarmwassersystem hat, gestattet, eine maximale Strahlungswärmeübertragungskapazität schnell zu erreichen, was somit einen Impulsbetrieb des Brenners erlaubt, um Heizmodulflüssigkeitstemperaturen innerhalb von gewünschten Grenzen zu halten.Accordingly, the object of the invention is achieved by providing a capacity modulated control for a heating system for heating a room in a building and domestic water. The heating system, having a fast response liquid-based heating module and a tankless domestic hot water system, allows maximum radiant heat transfer capacity to be reached quickly, thus allowing pulsed operation of the burner to maintain heating module liquid temperatures within desired limits.

Für ein besseres Verständnis der Erfindung, ihre Arbeitsweise und die besonderen Vorteile, die durch ihren Gebrauch erzielt werden, sollten die beigefügten Zeichnungen und die Beschreibung betrachtet werden, in welchen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben ist.For a better understanding of the invention, its mode of operation, and the particular advantages attained by its use, reference should be made to the accompanying drawings and description, in which there is shown and described a preferred embodiment of the invention.

In den beigefügten Zeichnungen, die einen Teil der Beschreibung bilden und in denen Bezugszahlen, die in den Zeichnungen gezeigt sind, überall gleiche oder entsprechende Teile bezeichnen, istIn the accompanying drawings which form a part of the description, and in which reference numerals shown in the drawings designate like or corresponding parts throughout,

Fig. 1 ein Schema eines integrierten Raumheiz- und Warmwassersystems, das die Regelung nach der vorliegenden Erfindung aufweist;Fig. 1 is a schematic of an integrated space heating and hot water system incorporating the control of the present invention;

Fig. 2 ein Diagramm des transienten Haushaltswarmwassertemperaturverlaufes bei einer Anforderung von Haushaltswarmwasser in einem integrierten Raumheiz- und Haushaltswarmwassersystem;Fig. 2 a diagram of the transient domestic hot water temperature curve when there is a request for domestic hot water in an integrated space heating and domestic hot water system;

Fig. 3 ein Diagramm des Prozentsatzes an Ausgangskapazität über dem Prozentsatz der Ein-Zeit der Impulsperiode eines integrierten Raumheiz- und Warmwassersystems, das die Regelung nach der vorliegenden Erfindung aufweist; undFig. 3 is a graph of the percentage of output capacity versus the percentage of on-time of the pulse period of an integrated space heating and hot water system incorporating the control of the present invention; and

Fig. 4 A-E ein Vergleich der vollen Kapazitätsregelung mit der impulsweisen Regelung nach der vorliegenden Erfindung.Fig. 4 A-E a comparison of the full capacity control with the pulsed control according to the present invention.

Fig. 1, auf die nun Bezug genommen wird, zeigt schematisch eine Ansicht eines Haushaltsheizsystems 10, bei dem ein flüssigkeitsgestützter Heizmodul 12 benutzt wird, um Energie einer Primär- oder Serienheizfluidschleife zuzuführen, die einen Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher 50 und eine Gebläse- Schlange 14, die einen weiteren Wärmetauscher zum übertragen von Wärme auf einen Raum bildet, aufweist. Die Fluidschleife enthält weiter eine Flüssigkeitspumpe 16 zum Umwälzen von Fluid in derselben und einen Expansionstank 28 zum ermöglichen der Volumenvergrößerung des beheizten Fluids und zum Dämpfen von irgendwelchen Druckstößen in der Fluidschleife. Die Fluidschleifenanordnung besteht aus einem Auslaßrohr 52, welches dem Heizmodul 12 bei Bedarf heißes Fluid entnimmt. Das erhitzte Fluid strömt durch den Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher 50 herkömmlichen Aufbaus. Das Fluid strömt dann durch ein Rohr 54 und durch ein Dreiwegeumlenkventil 56. In einer ersten Position gestattet das Dreiwegeventil 56 dem Fluid, direkt zu der Flüssigkeitspumpe 16 durch ein Rohr 55 und zurück zu dem Heizmodul 12 durch ein Rohr 57 zu strömen. In einer zweiten Position gestattet das Dreiwegeventil 56 dem Fluid in der Schleife, durch ein Rohr 58 in die Gebläse-Schlange 14 und durch ein Rohr 59 zurück zu der Saugseite der Flüssigkeitspumpe 16 zu strömen.Referring now to Fig. 1, there is shown a schematic view of a domestic heating system 10 in which a liquid-based heating module 12 is used to supply energy to a primary or series heating fluid loop comprising a tube-in-tube heat exchanger 50 and a fan coil 14 forming another heat exchanger for transferring heat to a space. The fluid loop further includes a liquid pump 16 for circulating fluid therein and an expansion tank 28 for allowing the volume of the heated fluid to increase and for dampening any pressure surges in the fluid loop. The fluid loop assembly consists of an outlet pipe 52 which removes hot fluid from the heating module 12 when required. The heated fluid flows through the tube-in-tube heat exchanger 50 of conventional construction. The fluid then flows through a tube 54 and through a three-way diverter valve 56. In a first position, the three-way valve 56 allows the fluid to flow directly to the fluid pump 16 through a tube 55 and back to the heater module 12 through a tube 57. In a second position, the three-way valve 56 allows the fluid in the loop to flow through a tube 58 into the blower coil 14 and through a tube 59 back to the suction side of the fluid pump 16.

Weiter enthält die Sekundärhaushaltswarmwasserschleife, wie dargestellt, ein Kaltwassereinlaßrohr 62, das mit dem Einlaß des Rohr-in-Rohr-Wärmetauschers 50 verbunden ist, und ein Auslaßrohr 64, welches heißes Haushaltswasser einem Hahn 43 zuführt, nachdem es durch einen Strömungsschalter 66 hindurchgegangen ist. Ein Mischventil 60 verbindet das Rohr 64 mit einem Bypassrohr 65. Das Mischventil 60 ist vorzugsweise ein temperaturempfindliches Ventil, welches das heiße Wasser, welches durch den Wärmetauscher 50 strömt, und das kalte Wasser, welches durch das Bypassrohr 65 strömt, vermischt, um sicherzustellen, daß das Warmwasser, welches aus dem Hahn 43 ausströmt, auf einer gewünschten Solltemperatur ist.Further, as shown, the secondary domestic hot water loop includes a cold water inlet pipe 62 connected to the inlet of the tube-in-tube heat exchanger 50 and an outlet pipe 64 which supplies hot domestic water to a faucet 43 after passing through a flow switch 66. A mixing valve 60 connects the pipe 64 to a bypass pipe 65. The mixing valve 60 is preferably a temperature sensitive valve which mixes the hot water flowing through the heat exchanger 50 and the cold water flowing through the bypass pipe 65 to ensure that the hot water flowing out of the faucet 43 is at a desired set point temperature.

Wie weiter dargestellt enthält der Heizmodul 12 eine Gasleitung 30 mit einem Regler 32 zur Zufuhr von Brennstoff zu dem Modul. Weiter, Luft wird dem Modul über eine Leitung 34 zugeführt. Das Luft/Brennstoff-Gemisch wird gezündet und in dem Infrarotbrenner 18 verbrannt, der in dem Gehäuse 20 mittig angeordnet ist. Luft und Brennstoff werden zu 100% vorgemischt, so daß keine Sekundärverbrennung erfolgt. Die Wärmeaustauscheinrichtung 17 ist mit Abstand von dem Infrarotbrenner 18 angeordnet, um Wärme aus dem Infrarotbrenner zu empfangen. Die Wärmeaustauscheinrichtung hat insgesamt die Form einer wendelförmigen Schlange und wird von dem Fluid durchflossen, welches Wärme aus dem Infrarotbrenner aufnimmt und seinerseits diese Wärme auf das Haushaltswarmwasser und den zu beheizenden Raum überträgt.As further shown, the heating module 12 includes a gas line 30 with a regulator 32 for supplying fuel to the module. Further, air is supplied to the module via a line 34. The air/fuel mixture is ignited and burned in the infrared burner 18, which is centrally located in the housing 20. Air and fuel are 100% premixed so that no secondary combustion occurs. The heat exchange device 17 is spaced from the infrared burner 18 to receive heat from the infrared burner. The heat exchange device has the overall shape of a helical coil and is flowed through by the fluid which absorbs heat from the infrared burner and in turn transfers this heat to the domestic hot water and the room to be heated.

Weiter zeigt Fig. 1 das integrierte Haushaltswarmwasser/Raumheizung-System mit einem Regelsystem gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Dieses Regelsystem enthält ein Mikrocomputersystem 80, eine Systemschnittstellenplatine 82 und eine Stromversorgung 83. Das Mikrocomputersystem 80 kann irgendeine Vorrichtung oder Kombination von Vorrichtungen sein, die zum Empfangen von Eingangssignalen geeignet ist, zum Verarbeiten der empfangenen Eingangssignale gemäß vorprogrammierten Prozeduren und zum Erzeugen von Steuersignalen aufgrund der verarbeiteten Eingangssignale. Die Steuersignale, die durch das Mikrocomputersystem 80 erzeugt werden, werden an Steuervorrichtungen abgegeben, welche den Betrieb des integrierten Heizsystems entsprechend SteuersignaIen steuern, die von dem Mikrocomputersystem 80 an die Steuervorrichtungen abgegeben werden.Further, Fig. 1 shows the integrated domestic hot water/space heating system with a control system according to the principles of the present invention. This control system includes a microcomputer system 80, a system interface board 82 and a power supply 83. The microcomputer system 80 may be any device or combination of devices suitable for receiving input signals, processing the received input signals according to pre-programmed procedures and Generating control signals based on the processed input signals. The control signals generated by the microcomputer system 80 are provided to control devices which control the operation of the integrated heating system in accordance with control signals provided by the microcomputer system 80 to the control devices.

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 ist die Systemschnittstellenplatine 82 durch ein Bandkabel 89 mit dem Mikrocomputersystem 80 verbunden. Die Systemschnittstellenplatine 82 trägt Schaltvorrichtungen zum Steuern der elektrischen Stromzufuhr von der Hauptstromversorgung 83 zu dem Dreiwegeventil 56, der Flüssigkeitspumpe 16, einem Gebläse (nicht gezeigt), dem Gasventil 32 und der Zündvorrichtung 40. Vorzugsweise sind die Schaltvorrichtungen elektronische Bauteile wie Relais, die mittels Steuersignalen aus dem Mikrocomputersystem 80 gesteuert werden, welche über das Bandkabel 89 an die elektronischen Bauteile der Systemschnittstellenplatine 82 angelegt werden.As shown in Fig. 1, the system interface board 82 is connected to the microcomputer system 80 by a ribbon cable 89. The system interface board 82 carries switching devices for controlling the supply of electrical power from the main power supply 83 to the three-way valve 56, the liquid pump 16, a blower (not shown), the gas valve 32 and the igniter 40. Preferably, the switching devices are electronic components such as relays which are controlled by control signals from the microcomputer system 80 which are applied to the electronic components of the system interface board 82 via the ribbon cable 89.

Das Regelsystem bestimmt, wann das integrierte Heizsystem arbeiten soll, um den Bedarf an Raumwärme und/oder Haushaltswarmwasser zu decken. Für die Zwecke dieser Beschreibung soll "Impulsbetrieb" bedeuten, daß der Infrarotbrenner wiederholt ein- und ausgeschaltet wird, während das Gebläse während der Impulsperiode ständig läuft. Weiter, "Impulsperiode" soll die Summe von einem "Ein"- und einem "Aus"-Impuls bedeuten. Der Infrarotbrenner 18 des Moduls 12 hat die besondere Eigenschaft, daß er eine schnelle Ansprechzeit hat, welche gestattet, die maximale Strahlungswärmeübertragungskapazität schnell zu erreichen, z.B. in etwa einer Sekunde, um so seine gesamte Ausgangsenergie auf die Flüssigkeitsschleife in einer kurzen Zeitspanne zu übertragen. Mehr insbesondere, die Temperatur des zu erwärmenden Raums wird durch einen Thermostat 85 erfaßt, und ein Signal, das diese Temperatur angibt, wird über eine elektrische Leitung 91 an das Mikrocomputersystem 80 angelegt.The control system determines when the integrated heating system is to operate to meet the needs for room heating and/or domestic hot water. For the purposes of this description, "pulse operation" shall mean that the infrared burner is repeatedly turned on and off while the fan is continuously running during the pulse period. Further, "pulse period" shall mean the sum of one "on" and one "off" pulse. The infrared burner 18 of the module 12 has the special property of having a fast response time which allows it to reach the maximum radiant heat transfer capacity quickly, e.g. in about one second, so as to transfer all of its output energy to the liquid loop in a short period of time. More particularly, the temperature of the room to be heated is sensed by a thermostat 85 and a signal indicative of this temperature is applied to the microcomputer system 80 via an electrical line 91.

Weiter, die Strömung von Haushaltswarmwasser, welches durch den Hahn 43 fließt, wird durch einen Strömungsschalter 66 erfaßt, und ein Signal, das diese Strömung angibt, wird über eine elektrische Leitung 29 an das Mikrocomputersystem 80 angelegt. Außerdem, die Temperatur der Serienfluidschleife wird durch einen Temperatursensor 68 an dem Auslaß der Wärmeaustauscheinrichtung 17 erfaßt, und ein Signal, daß diese Temperatur angibt, wird über eine elektrische Leitung 26 an das Mikrocomputersystem 80 angelegt.Further, the flow of domestic hot water flowing through the faucet 43 is sensed by a flow switch 66, and a signal indicative of this flow is applied to the microcomputer system 80 via an electrical line 29. Furthermore, the temperature of the series fluid loop is sensed by a temperature sensor 68 at the outlet of the heat exchanger 17, and a signal indicative of this temperature is applied to the microcomputer system 80 via an electrical line 26.

In den Fig. 2 und 3, auf die nun Bezug genommen wird, sind als Beispiel die schnelle Ansprechzeit dargestellt, welche einen ständigen Gebrauch von Haushaltswarmwasser gestattet, und die Ausgangskapazität des Infrarotbrenners als ein Prozentsatz der "Ein"-Zeit.Referring now to Figs. 2 and 3, the fast response time which allows continuous use of domestic hot water and the output capacity of the infrared burner as a percentage of the "on" time are shown as an example.

In Fig. 2 zeigt die Kurve 70 die Wassertemperatur über der Zeit bei einer Strömung von 3,8 l/min (eine GPM) durch den Hahn 43, wogegen die Kurve 70' die Temperatur über der Zeit für eine Strömung von 7,6 l/min (2 GPM) zeigt.In Fig. 2, curve 70 shows the water temperature versus time for a flow of 3.8 l/min (one GPM) through the faucet 43, whereas curve 70' shows the temperature versus time for a flow of 7.6 l/min (2 GPM).

In Fig. 3 ist die Ausgangskapazität des Infrarotbrenners 18 als ein Prozentsatz der Brenner-Ein-Zeit gezeigt.In Fig. 3, the output capacity of the infrared burner 18 is shown as a percentage of the burner on time.

In den Fig. 4 A-E, auf die nun Bezug genommen wird, ist die Ausgangskapazität eines Brenners ab einer ersten Zeit (T&sub1;) gezeigt, bei welcher der Bedarf eingeleitet wurde, und einer zweiten Zeit (T&sub2;), bei der der Bedarf beendet wurde. Somit zeigt Fig. 4A einen Brenner bei 100 % Kapazität, Q, ab der Anfangszeit bis zur Beendigungszeit, und zwar ohne Modulation. Insbesondere zeigt Fig. 4B eine Kapazität von 50 %, 0,SQ, gebildet aus drei normalerweise gleichen Kapazitäten Q', Q" und Q''', wobei gilt Q' + Q" + Q''' = 0,SQ. In Fig. 4C ist ein Brenner mit einer Kapazität von 25% gezeigt, wobei die Impulsbreitenkapazitätsmodulation nach der vorliegenden Erfindung benutzt wird. Demgemäß wird die Impulsperiode konstant gehalten, während der "Ein"-Impuls des Brenners moduliert wird, um die Kapazität zu verändern.Referring now to Figures 4A-E, the output capacity of a burner is shown from a first time (T1) at which the demand was initiated and a second time (T2) at which the demand was terminated. Thus, Figure 4A shows a burner at 100% capacity, Q, from the start time to the termination time, with no modulation. In particular, Figure 4B shows a capacity of 50%, 0.SQ, formed from three normally equal capacitances Q', Q" and Q''', where Q' + Q" + Q''' = 0.SQ. In Figure 4C, a burner is shown at 25% capacity using the pulse width capacity modulation of the present invention. Accordingly, the pulse period is kept constant while the burner's "on" pulse is modulated to change the capacitance.

Weiter wird gemäß der Darstellung in den Fig. 4 D-E die Frequenz der Impulsperiode verändert, um eine Kapazität von 25 % bzw. eine Kapazität von 17 % zu erzielen. Somit wird mit Hilfe des Frequenzmodulationsschemas eine Mindest-Ein- Impuls-Breite aufrechterhalten, und die Aus-Impulsbreite wird geändert, um die Kapazität zu verändern. Die Frequenzmodulation nach den Fig. 4 D-E kann in denjenigen Fällen notwendig sein, in denen eine Mindest-Ein-Impuls-Breite durch einen Normenausschuß verlangt wird.Further, as shown in Figs. 4 D-E, the frequency of the pulse period is varied to achieve a 25% capacitance and a 17% capacitance, respectively. Thus, using the frequency modulation scheme, a minimum on-pulse width is maintained and the off-pulse width is varied to vary the capacitance. The frequency modulation shown in Figs. 4 D-E may be necessary in cases where a minimum on-pulse width is required by a standards committee.

Jedesmal dann, wenn es erwünscht ist, den Heizmodul in Gang zu setzen, z.B. wenn der Strömungssensor 66 eine Strömung durch den Hahn 43 erfaßt, gibt das Mikrocomputersystem 80 ein weiteres Steuersignal über das Bandkabel 89 an die geeignete Schaltvorrichtung auf der Systemschnittstellenplatine 82 ab, damit aus der Stromversorgung 83 über die Systemschnittstellenplatine 82 der Zündvorrichtung 40 Strom zugeführt wird. Das Mikrocomputersystem bestimmt den Haushaltswarmwasserbedarf als eine Funktion der Temperatur der Flüssigkeit in der geschlossenen Schleife, die den Modul 12 verläßt, und stellt die Impulsperiode des Infrarotbrenners so ein, daß das Haushaltswarmwasser auf einer gewünschten Temperatur gehalten wird. Außerdem, wenn der Bedarf an dem Hahn 43 verringert wird, dann kann der Ein-Impuls von dem in Fig. 4B gezeigten auf den in Fig. 4C gezeigten abnehmen.Each time it is desired to activate the heating module, e.g., when flow sensor 66 detects flow through faucet 43, microcomputer system 80 provides another control signal via ribbon cable 89 to the appropriate switching device on system interface board 82 to provide power from power supply 83 to igniter 40 via system interface board 82. The microcomputer system determines the domestic hot water demand as a function of the temperature of the liquid in the closed loop exiting module 12 and adjusts the pulse period of the infrared burner to maintain the domestic hot water at a desired temperature. In addition, if demand on faucet 43 is reduced, the on pulse may decrease from that shown in Fig. 4B to that shown in Fig. 4C.

Es ist zwar die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben worden, dem Fachmann ist jedoch klar, daß viele Modifikationen, Substitutionen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen. Zum Beispiel, der Stromungssensor 66 könnte in der Leitung 62 oder 64 angeordnet sein.While the preferred embodiment of the present invention has been shown and described, it will be apparent to those skilled in the art that many modifications, substitutions and changes may be made without departing from the scope of the claims. For example, the flow sensor 66 could be located in the conduit 62 or 64.

Claims (3)

1. Verfahren zum Regeln der Kapazität eines integrierten Heizsystems zur Raumheizung und Haushaltswarmwasserbereitung, beinhaltend die Schritte:1. A method for controlling the capacity of an integrated heating system for space heating and domestic hot water production, comprising the steps of: Benutzen eines Infrarotbrenners (18) zum Zuführen von Wärme direkt zu einer Primärheizfluidschleife (52-57), die eine Raumheizschlange (14) enthält, undUsing an infrared burner (18) to supply heat directly to a primary heating fluid loop (52-57) containing a space heating coil (14), and Übertragen von Wärme von der Primärheizfluidschleife auf eine Sekundärhaushaltswarmwasserschleife (62, 64, 43),Transferring heat from the primary heating fluid loop to a secondary domestic hot water loop (62, 64, 43), gekennzeichnet durch:marked by: Vorsehen einer tanklosen Wärmeaustauschbeziehung (50) zwischen der Primär- und Sekundärschleife,Providing a tankless heat exchange relationship (50) between the primary and secondary loops, Erfassen (66) des Vorhandenseins einer Haushaltswarmwasserströmung in der Sekundärhaushaltswarmwasserschleife,detecting (66) the presence of a domestic hot water flow in the secondary domestic hot water loop, Erfassen (68) der Temperatur des Fluids in der Primärheizfluidschleife; undDetecting (68) the temperature of the fluid in the primary heating fluid loop; and Steuern einer Impulsbreite eines "Ein"-Impulses konstanter Impulsperiode des Brenners (18), um die Temperatur des Fluids in der Primärheizfluidschleife aufgrund der erfaßten Haushaltswarmwasserströmung und der Temperatur des Fluids in der Primärheizfluidschleife innerhalb gewünschter Grenzen zu halten.Controlling a pulse width of a constant pulse period "on" pulse of the burner (18) to maintain the temperature of the fluid in the primary heating fluid loop within desired limits based on the sensed domestic hot water flow and the temperature of the fluid in the primary heating fluid loop. 2. Integriertes Heizsystem zur Raumheizung und Haushaltswarmwasserbereitung, mit einem Infrarotbrenner (18), einer Schlange (17) zum Empfangen von Wärme aus dem Brenner (18), einer Primärheizfluidschleife (52-57), die mit der Schlange (17) verbunden ist und einen ersten Wärmetauscher (14) zum Übertragen von Wärme auf einen Raum und einen zweiten Wärmetauscher (50) zum Übertragen von Wärme aus der Primärheizfluidschleife auf eine Sekundärhaushaltswarmwasserschleife (62, 64, 43) hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlange (17) zum Empfangen von Wärme aus dem Brenner (18), der erste Wärmetauscher (14) und der zweite Wärmetauscher (50) in der Primärheizfluidschleife (52-57) in Reihe geschaltet sind, daß der zweite Wärmetauscher (50) ein tankloser Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher (50) ist und daß ein Kapazitätsregelsystem für den Brenner (18) vorgesehen ist, wobei das Kapazitätsregelsystem ein Brennerflammensteuersystem zum Steuern des Impulsbetriebes von wiederholter Zündung und Verbrennungsbeendigung des Brenners (18) hat, wobei das Brennerflammensteuersystem einen Strömungsschalter (66) aufweist zum Erfassen der absoluten Fluidströmung in der Sekundärhaushaltswarmwasserschleife und zum Abgeben eines ersten Signals an eine Mikrocomputereinrichtung (80), das das Vorhandensein einer Warmwasserströmung in der Sekundärhaushaltswarmwasserschleife anzeigt, und eine Temperatursensoreinrichtung (68) zum Erfassen der Temperatur des Fluids in der Primärheizfluidschleife an einem Auslaß der Schlange (17), die Wärme aus dem Brenner (18) empfängt, und zum Abgeben eines zweiten Signals an die Mikrocomputereinrichtung (80), das die Temperatur des Fluids in der Primärheizfluidschleife angibt, wodurch der Mikrocomputer ein Ausgangssignal liefert, das auf das erste und zweite Signal anspricht, um den Impulsbetrieb der wiederholten Zündung und Verbrennungsbeendigung des Brenners (18) zu steuern, so daß das Fluid in der Primärheizfluidschleife auf einer gewünschten Temperatur gehalten wird.2. An integrated heating system for space heating and domestic hot water preparation, comprising an infrared burner (18), a coil (17) for receiving heat from the burner (18), a primary heating fluid loop (52-57) connected to the coil (17) and having a first heat exchanger (14) for transferring heat to a space and a second heat exchanger (50) for transferring heat from the primary heating fluid loop to a secondary domestic hot water loop (62, 64, 43), characterized in that the coil (17) for receiving heat from the burner (18), the first heat exchanger (14) and the second heat exchanger (50) in the primary heating fluid loop (52-57) are connected in series, that the second heat exchanger (50) is a tankless tube-in-tube heat exchanger (50) and that a capacity control system is provided for the burner (18), the capacity control system having a burner flame control system for controlling the pulsed operation of repeated ignition and combustion termination of the burner (18), the burner flame control system comprising a flow switch (66) for sensing the absolute fluid flow in the secondary domestic hot water loop and for outputting a first signal to a microcomputer means (80) indicating the presence of a hot water flow in the secondary domestic hot water loop, and temperature sensor means (68) for sensing the temperature of the fluid in the primary heating fluid loop at an outlet of the coil (17) receiving heat from the burner (18) and for outputting a second signal to the microcomputer means (80) indicating the temperature of the fluid in the primary heating fluid loop, whereby the microcomputer provides an output signal responsive to the first and second signals to control the pulsed operation of repeatedly igniting and terminating combustion of the burner (18) so that the fluid in the primary heating fluid loop is maintained at a desired temperature. 3. Integriertes Heizsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärhaushaltswarmwasserschleife weiter ein thermisches Mischventil (60) enthält, das vorgesehen ist, um die Haushaltswarmwassertemperatur auf der gewünschten Temperatur zu steuern, und daß der Strömungsschalter (66) zwischen dem Auslaß des Rohr-in-Rohr-Wärmetauschers (50) und einer Warmwasseranzapfung (43) in der Sekundärhaushaltswarmwasserschleife angeordnet ist.3. Integrated heating system according to claim 2, characterized in that the secondary domestic hot water loop further includes a thermal mixing valve (60) arranged to control the domestic hot water temperature at the desired temperature and that the flow switch (66) is arranged between the outlet of the tube-in-tube heat exchanger (50) and a hot water tap (43) in the secondary domestic hot water loop.