DE4142488A1 - Beheizungssystem zur kombinierten waermeerzeugung und eine heizungsanlage und einen speicherbehaelter fuer brauchwasser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Beheizungssystem zur kombinierten Wärmeerzeugung für eine Heizungsanlage und einen Speicherbehälter für Brauchwasser mit einem Brenner für flüssige und gasförmige Brenn­ stoffe, einen in dessen Abgasweg angeordneten vom Heizungswasser durchströmten Heizungswärmetauscher, einem Heizungswasserkreislauf, in dem eine Mischeinrichtung angeordnet ist, und einem Brauchwasser­ wärmetauscher zur Erwärmung des Brauchwassers.

Beheizungssysteme dieser Art sind allgemein bekannt und dienen ne­ ben der Beheizung von Wohnungen und Gebäuden der indirekten Brauch­ wassererwärmung in einem Speicherbehälter. Bei Systemen der bekann­ ten Art ist üblicherweise im Abgasstrom eines Brenners ein von Hei­ zungswasser durchströmter Wärmetauscher angeordnet. Das Heizungs­ wasser dient zur Raumbeheizung sowie zur indirekten Brauchwasser­ erwärmung mittels eines im Speicherbehälter angeordneten Wärme­ tauschers. Eine im Heizungswasserkreislauf angeordnete Mischein­ richtung ist mit einer für derartige Beheizungssysteme üblichen Regeleinrichtung verbunden. Die Mischeinrichtung dient zur Ver­ teilung des erwärmten Heizungswassers zur Heizungsanlage und zum Wärmetauscher des Speicherbehälters. Die Brauchwassererwärmung er­ folgt in der Regel mit Hilfe einer Vorrangschaltung.

Die bekannten Heizungssysteme haben den Nachteil, daß die Brenner­ leistung primär zur Deckung des Wärmebedarfes für die Warmwasser­ bereitung ausgelegt ist und somit häufig deutlich über dem Heizungs­ wärmebedarf liegt. Ein weiterer Nachteil sind die relativ großen Stillstandsverluste bei der Warmwasserbereitung in den Sommer­ monaten. Des weiteren sorgt ein energiebewußteres Verbraucherver­ halten und eine verbesserte Wärmedämmung der Häuser dafür, daß der Heizungsbedarf sinkt, wogegen ein steigender Komfortanspruch den Energiebedarf für die Warmwasserbereitung gegenüber dem Heizungs­ bedarf prozentual ansteigen läßt. Dies führt bei den bekannten Be­ heizungssystemen zur Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrades und damit zu unnötig hohen Energiekosten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Beheizungs­ system der gattungsgemäßen Art derart auszubilden, daß die Wärme­ übertragungsvorgänge optimiert werden und somit eine Erhöhung der Energieausnutzung erreicht wird, so daß sich der Gesamtwirkungsgrad des Beheizungssystems verbessert.

Ausgehend von dem Beheizungssystem der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Brauch­ wasserwärmetauscher innerhalb des Heizungswärmetauschers angeordnet ist und vom Heizungswasser umströmt wird, daß der Heizungswasser­ kreislauf mittels der Mischeinrichtung trennbar ist, daß der Spei­ cherbehälter als ein nach dem Verdrängungsprinzip arbeitender Schichtenspeicher ausgebildet ist und einen mit einer Ladepumpe versehenen Brauchwasserladekreislauf aufweist.

Durch ein derartiges Beheizungssystem ist bei der alleinigen Brauch­ wassererwärmung, beim alleinigen Heizungsbetrieb und im kombinierten Betrieb eine optimale Brennwertnutzung während eines großen Teils des Jahres möglich.

Die Anordnung des Brauchwasserwärmetauschers innerhalb des Heizungs­ wärmetauschers bewirkt eine Verbesserung des Wirkungsgrades insbe­ sondere dadurch, daß in allen Betriebsweisen die im Abgas des Bren­ ners enthaltenen Kondensationswärme genutzt werden kann. Ein wei­ terer Vorteil ist, daß auf zusätzliche Wärmetauscher verzichtet werden kann.

Zur Brauchwassererwärmung, die üblicherweise gegenüber dem Hei­ zungsbetrieb vorrangig erfolgt, wird der Heizungswasserkreislauf unterbrochen. Das Brauchwasser sorgt im Wärmetauscher dafür, daß die Temperatur des in einem stark verkleinerten Kreislauf umgewälz­ ten Heizungswassers schnell absinkt. Dieses bewirkt eine niedrige Oberflächentemperatur auf der Außenseite des Wärmetauschers und somit die Kondensation des Wasserdampfes im Abgas. Die Temperatur des Heizungswassers im Ringraum ist dabei während der gesamten Auf­ heizzeit des Brauchwassers nur etwa 5 bis 10 K höher als die des zu erwärmenden Brauchwassers, das vorzugsweise im Gleichstrom zum Hei­ zungswasser durch den Wärmetauscher strömt.

Bei der kombinierten Betriebsweise erfolgt die Brauchwassererwär­ mung zur Befüllung des Schichtenspeichers parallel zum Heizungsbe­ trieb. Heizungs- und Brauchwasser strömen dabei vorzugsweise im Gleichstrom.

Der Speicherbehälter ist als ein nach dem Verdrängungsprinzip ar­ beitender Schichtenspeicher ausgebildet. Dies ist energetisch be­ sonders vorteilhaft.

Die Erfindung ist dadurch weitergebildet, daß der Heizungswärme­ tauscher mit einem Brauchwasserwärmetauscher ein Koaxialrohr bildet. Dieses bewirkt vorteilhafterweise eine gute Wärmeübertra­ gung zwischen den Wärmetauschern.

Erfindungsgemäß ist das Koaxialrohr spiralförmig ausgebildet, so daß es in Verbindung mit einem Brenner mit zylindrischem Flammen­ halter eine optimale Wärmeübertragung erreicht wird. Ein weiterer Vorteil ist, daß sich durch eine derartige Form die Strömungs­ widerstände im Koaxialrohr verringern. Zur optimalen Wärmeübertra­ gung hat sich die Anzahl von 3 bis 4 Windungen als vorteilhaft er­ wiesen.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ist das Koaxialrohr um den Brenner gewickelt, wobei dieser einen zylindrischen Flammenhalter aufweist und als überstöchiometrisches vermischender Brenner ausge­ bildet ist. Die niedrige abgasseitige Oberflächentemperatur des Heizungswärmetauschers ermöglicht eine optimale Kondensation des Wasserdampfes im Abgasstrom des Brenners.

Bei der Auslegung eines derartigen Beheizungssystems kann sich die Brennerleistung vorteilhafterweise ausschließlich am Heizungswär­ mebedarf orientieren. Dieses hat den Vorteil, daß man mit Brennern kleinerer Leistung auskommt und gleichzeitig für die Brauchwasser­ erwärmung einen kontinuierlichen Brennerbetrieb ermöglicht. Hier­ durch verringern sich insbesondere in den Sommermonaten die Still­ standsverluste.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Leistung des Brenners und/oder die Drehzahl der Pumpe regelbar, vorzugsweise im Verhält­ nis von mindestens 1 : 3. Hierdurch wird eine optimale Anpassung des Brenners an den jeweiligen Heizungswärmebedarf und an die zur Brauchwassererwärmung notwendige Energie erreicht. Dieses bewirkt eine Verringerung von Unterbrechungen im Brennerbetrieb und trägt somit ebenfalls zur Reduzierung von Stillstandsverlusten bei.

Die Erfindung ist dadurch weitergebildet, daß die Laufrichtung der Ladepumpe in Abhängigkeit vom Ladezustand des Speichers und vom Heizungswärmebedarf umkehrbar ist, so daß Brauchwasser aus dem Schichtenspeicher als Wärmequelle für das Heizungswasser genutzt werden kann. Bei geladenem Schichtenspeicher dient die im unteren Drittel gespeicherte Wärme zur Pufferung der Heizungsanlage, indem warmes Brauchwasser im Gegenstrom zum zu erwärmenden Heizungswasser durch das Koaxialrohr geführt wird. Das Brauchwasser wird dabei aus dem oberen Teil entnommen und in den unteren Teil des Schichten­ speichers zurückgeführt, so daß kein Brennerbetrieb notwendig ist.

Durch eine derartige Schaltung wird der kurzzeitige Brennerbetrieb vermieden, so daß längere ununterbrochene Stillstandszeiten ent­ stehen und sich somit die Wärmeverluste weiter verringern lassen.

Erfindungsgemäß sind im Schichtenspeicher drei Temperaturfühler angeordnet. Diese dienen zur Bestimmung des Ladezustandes des Schichtenspeichers, der sich dadurch vorteilhafterweise in folgende Ladezustände unterteilen läßt:

• - Speicher in ungeladenem Zustand
• - Basisvorrat vorhanden
• - Komfortbereich erreicht
• - Speicher vollständig geladen.

Unter Basisvorrat wird verstanden, daß das obere Drittel des Schich­ tenspeichers mit auf Solltemperatur erwärmtes Brauchwasser gefüllt ist. Der Komfortbereich ist erreicht, wenn die oberen zwei Drittel des Schichtenspeichers mit auf Solltemperatur erwärmtes Brauchwas­ ser gefüllt sind. Bei vollständig geladenem Schichtenspeicher kann, wie bereits erläutert, die im unteren Drittel gespeicherte Wärme zur Pufferung der Heizungsanlage genutzt werden.

Durch die erfindungsgemäße außenseitige Berippung oder Profilierung des Heizungswärmetauschers wird dessen Oberfläche derart vergrößert, daß ein optimaler Wärmeaustausch zwischen dem Abgas des Brenners und dem durch den Heizungswärmetauscher strömenden Heizungswasser stattfindet.

In Weiterbildung der Erfindung ist auch der im Heizungswärmetau­ scher angeordnete Brauchwasserwärmetauscher mit Rippen- oder Pro­ filelementen versehen, wobei diese eine wärmeübertragende Verbin­ dung mit dem Heizungswärmetauscher bilden können. Diese Elemente dienen zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen Heizungswasser und Brauchwasser.

Zur weiteren Verbesserung der Wärmeübertragung wird das Heizungs­ wasser erfindungsgemäß im Gegenstrom zum Brauchwasser durch das Koaxialrohr geführt.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Braucherwasserwärmetauschers aus Kupfer oder Edelstahl und des Heizungswärmetauschers aus Alu­ minium bewirken aufgrund hoher Wärmedurchgangsquotienten eine gute Wärmeleitung zwischen Brauch- und Heizungswasser sowie zwischen Heizungswasser und Abgas. Zur Vermeidung von Korrossionsschäden wird der Heizungswärmetauscher mit einer korrosionsbeständigen Beschichtung versehen. Das Koaxialrohr läßt sich relativ einfach und kostengünstig herstellen.

Als Erfindungswesentlich offenbart gelten auch solche Kombinationen der erfindungsgemäßen Merkmale, die von den oben diskutierten Verknüpfungen abweichen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels im Zusammenhang mit einer beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in einer einzigen Figur, den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Beheizungssystems für die Raumbeheizung und Brauchwassererwärmung, wobei sich die Dar­ stellung auf die wesentlichen Komponenten beschränkt. Die Anlagen­ teile zur Raumbeheizung sind nicht dargestellt.

Als Wärmeerzeuger für das Beheizungssystem dient ein überstöchiome­ trisch vormischender Gasbrenner 1 mit einem zylinderförmigen Flam­ menhalter 2. Der Gasbrenner 1 ist in seiner Leistung modulierend regelbar.

Der Gasbrenner 1 ist von einem Koaxialrohr 3 umgeben. Dieses wird von einem Heizungswärmetauscher 4 und einem darin angeordneten Brauchwasserwärmetauscher 5 gebildet. Das Koaxialrohr 3 ist spi­ ralförmig ausgebildet und mit Abstand um den zylindrischen Flam­ menhalter 2 des Gasbrenners 1 angeordnet. Das anfallende Abgaskon­ densat wird über eine unterhalb des Koaxialrohres 3 angeordnete nicht dargestellte Einrichtung gesammelt und abgeführt.

Das zu erwärmende Heizungswasser strömt im Koaxialrohr 3 durch einen Ringraum, der von der Außenseite des Brauchwasserwärmetau­ schers 5 und von der Innenseite des Heizungswärmetauschers 4 ge­ bildet wird. Das Heizungswasser wird mittels einer rücklaufseitig im Heizwasserkreislauf 15 angeordneten Pumpe 6 umgewälzt.

Der Brauchwasserwärmetauscher 5 wird von Brauchwasser durchströmt und ist über Rohrleitungen 7 mit einem nach dem Verdrängungsprinzip arbeitenden Schichtenspeicher 8 verbunden. Zum Laden des Schichten­ speichers 8 wird aus dessen unterem Teil kaltes Wasser entnommen und dem Brauchwasserwärmetauscher 5 zugeführt. Dort wird das Brauch­ wasser erwärmt und anschließend zum Schichtenspeicher 8 zurückge­ führt, indem es in den oberen Teil des Behälters geleitet wird. Das Brauchwasser wird dabei mittels einer Ladepumpe 9 umgewälzt, deren Laufrichtung in Abhängigkeit vom Ladezustand des Speichers 8 und vom Heizungswärmebedarf umkehrbar ist.

Des weiteren weist der Schichtenspeicher 8 im unteren Teil eine Kaltwasserzuführung 10 und im oberen Teil eine Entnahmestelle 11 für das zum Verbrauch bestimmte Warmwasser auf.

Im Schichtenspeicher 8 wird die Wassertemperatur an drei Stellen gemessen. Hierzu dienen ein im unteren Teil angeordneter erster Temperaturfühler 12, ein im mittleren Teil angeordneter zweiter Temperaturfühler 13 und ein im oberen Teil angeordneter dritter Temperaturfühler 14, die mit einer nicht dargestellten Regelein­ richtung verbunden sind. Mittels der drei Temperaturfühler 12, 13, 14 läßt sich der jeweilige Ladezustand des Schichtenspeichers 8 bestimmen.

Im Heizungswasserkreislauf 15 ist eine Mischeinrichtung 16 ange­ ordnet, die in Abhängigkeit vom Heizungswärme- und/oder vom Brauch­ wasserbedarf derart regelbar ist, daß der Heizungswasserkreislauf 15 an der Mischeinrichtung 16 schließbar ist.

Der Gasbrenner 1, die Mischeinrichtung 16 sowie die Ladepumpe 9 und die Umwälzpumpe 6 werden mittels der für derartige Beheizungssysteme üblichen Regeleinrichtung geregelt.

Im Rahmen der Erfindung sind ohne weiteres Abwandlungsmöglichkeiten gegeben. Beispielsweise könnte ein derartiges Beheizungssystem mit einem kontrollierten Wohnungsbelüftungssystem kombiniert werden, so daß eine umfassende Wärmerückgewinnung möglich ist. In Kom­ bination mit einer Warmluftheizung kann der Heizungswasserkreislauf dazu benutzt werden, einen indirekt beheizten Warmlufterzeuger zu versorgen.

Claims (11)

1. Beheizungssystem zur kombinierten Wärmeerzeugung für eine Heizungsanlage und einen Speicherbehälter (8) für Brauchwasser mit

• - einem Brenner (1) für flüssige oder gasförmige Brennstoffe,
• - einem in dessen Abgasweg angeordneten vom Hei­ zungswasser durchströmten Heizungswärmetau­ scher (4),
• - einem Heizungswasserkreislauf (15), in dem eine Mischeinrichtung (16) angeordnet ist,
• - und einem Brauchwasserwärmetauscher (5) zur Er­ wärmung des Brauchwassers,

dadurch gekennzeichnet, daß der Brauchwasserwärme­ tauscher (5) innerhalb des Heizungswärmetauschers (4) angeordnet ist und vom Heizungswasser umströmt wird, daß der Heizungswasserkreislauf (15) mittels der Mischeinrichtung (16) trennbar ist, daß der Spei­ cherbehälter (8) als ein nach dem Verdrängungsprin­ zip arbeitender Schichtenspeicher (8) ausgebildet ist und einen mit einer Ladepumpe (9) versehenen Brauchwasserladekreislauf aufweist.

2. Beheizungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Heizungswärmetauscher (4) mit dem Brauchwasserwärmetauscher (5) ein Koaxialrohr (3) bildet.

3. Beheizungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Koaxial­ rohr (3) spiralförmig ausgebildet ist.

4. Beheizungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Koaxial­ rohr (3) um den Brenner (1) gewickelt ist, wobei dieser einen überstöchiometrisch vormischenden Mi­ scher und einen zylindrischen perforierten Flammen­ halter (2) aufweist.

5. Beheizungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des Brenners (1) und/oder der Ladepumpe (9) regelbar ist, vorzugsweise im Verhältnis von mindestens 1 : 3.

6. Beheizungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufrichtung der Ladepumpe (9) in Abhängigkeit vom Ladezustand des Schichtenspeichers (8) und vom Heizungswärmebe­ darf umkehrbar ist, so daß Brauchwasser aus dem Schich­ tenspeicher (8) als Wärmequelle für das Heizungswasser dient.

7. Beheizungssystem nach mindestens einem der Ansprüche bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Tempe­ raturfühler (12) die Wassertemperatur im unteren Bereich des Schichtenspeichers (8) mißt und ein zwei­ ter Temperaturfühler (13) im mittleren Bereich mißt und ein im oberen Teil messender dritter Temperatur­ fühler (14) zur Regelung des Brenners (1), der Misch­ einrichtung (16) und/oder der Ladepumpe (9) dienen.

8. Beheizungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizungswärme­ tauscher (4) außenseitig berippt und profiliert ist.

9. Beheizungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brauchwasser­ wärmetauscher (5) berippt und profiliert ist.

10. Beheizungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizungswär­ metauscher (4) aus Aluminium, vorzugsweise mit kor­ rosionsbeständiger Beschichtung und daß der Brauch­ wasserwärmetauscher (5) vorzugsweise aus Kupfer oder Edelstahl ausgebildet sind.