EP3134687B1 - Heizgerät - Google Patents

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EP3134687B1
EP3134687B1 EP15718208.0A EP15718208A EP3134687B1 EP 3134687 B1 EP3134687 B1 EP 3134687B1 EP 15718208 A EP15718208 A EP 15718208A EP 3134687 B1 EP3134687 B1 EP 3134687B1
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EP
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heat
heat exchanger
transfer medium
heat transfer
storage tank
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Matthias Wodtke
Christian Fischer
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Vaillant GmbH
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Vaillant GmbH
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/48—Water heaters for central heating incorporating heaters for domestic water
    • F24H1/52—Water heaters for central heating incorporating heaters for domestic water incorporating heat exchangers for domestic water
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D11/00—Central heating systems using heat accumulated in storage masses
    • F24D11/002—Central heating systems using heat accumulated in storage masses water heating system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H9/00—Details
    • F24H9/20—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F24H9/2007—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D2220/00—Components of central heating installations excluding heat sources
    • F24D2220/02—Fluid distribution means
    • F24D2220/0207—Pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D2220/00—Components of central heating installations excluding heat sources
    • F24D2220/02—Fluid distribution means
    • F24D2220/0271—Valves

Definitions

  • the invention relates to a heater for heating and heating of process water with a circulating in a circulating heat transfer medium.
  • a heater is known from the patent application DE 10 2007 029 971 , Such a heater comprises a burner for generating heat, a primary heat exchanger for transmitting the heat generated by the burner to the heat transfer medium and a connection for the flow and the return of a heating circuit to which an external heat sink, for example in the form of one or more radiators is connected ,
  • a generic heater comprises a secondary heat exchanger for transferring the heat from the heat transfer medium to the hot water to be heated.
  • the external heat sink and the secondary heat exchanger in the heating circuit are connected in parallel.
  • the heat transfer medium generated by the burner can be passed either through the secondary heat exchanger or through the external heat sink.
  • a heater according to the preamble of claim 1 is known from the patent DE102 44 339 A1 known.
  • the heating water storage tank is heated by a low-temperature heating device, for example a solar system or geothermal heat, and / or by a high-temperature heating device, for example a burner.
  • the heating water storage tank in the case of heating by the high-temperature heater by a three-way valve hydraulically downstream of the external heat sink, in usually the radiators of the building to be heated to be connected in series. With sufficient energy through the low-temperature heating or low heat demand of the heat sink, the heat demand of the heat sink can be covered from the Schuungswasser notes with switched off high-temperature heating. Since the heating water storage tank sheathes the process water storage tank, a heat exchanger takes place between the two storage tanks.
  • the degree of utilization or the efficiency of the heat transfer depends on the temperature level of the heat transfer medium flowing into the primary heat exchanger.
  • the condensing technology also results in efficiency advantages at a low temperature of the heat transfer medium by a higher condensation rate.
  • the secondary heat exchanger is arranged as part of a heating system so that in operation with a heat transfer medium filled circuit and running pump, the heat transfer medium is first heated in a first valve position in the primary heat exchanger, then passed through the heat sink and then passed through the secondary heat exchanger.
  • heat transfer medium is first heated in a first valve position in the primary heat exchanger, then passed through the heat sink and then passed through the secondary heat exchanger.
  • the residual heat of the return of the heat sink can be used advantageously, on the other hand, the temperature of the heat transfer medium compared to the prior art can be further lowered, which improves the efficiency of heat transfer in the primary heat exchanger, since the condensation rate increases in a heater with condensing technology.
  • Another advantage is that the minimum heat output that can be delivered to the heat sink is reduced. For reasons relating to the stability of the mixture formation for the burner, the ratio between maximum and minimum burner output is limited. The possibility of extracting heat from the heat transfer medium and using it for the process water increases the ratio between maximum and minimum power delivered to the heat sink.
  • valve is transferred to a second valve position, so that the output of the burner is available exclusively for hot water heating.
  • FIG. 1 shows the diagram of a heating system with a heater 1 according to the invention.
  • the heater 1 comprises the burner 2, the heat in the primary heat exchanger 3 to a heat transfer medium, usually water transfers.
  • the heat transfer medium is circulated by means of the pump 6.
  • the valve 7 can in a first Valve position are switched so that the heat transfer medium circulates in the valve flow direction 18.
  • the heat transfer medium will first flow through the heat sink 17, which are connected to the connections for flow 9 and return 10.
  • the heat sink 17 is, for example, radiators, floor heating et cetera for heating a building. In the heat sink 17, the heat transfer medium cools down. Thereafter, the heat transfer medium flows through the secondary heat exchanger 4 and gives off more heat to the hot water.
  • the pump 11 circulates the service water stored in a stratified storage 14 via the connections 12, 13 and heats it in the secondary heat exchanger 4.
  • the stratified storage 14 has a cold water inlet 16 for supplying cold process water and a hot water connection 15 for the removal of heated process water. Due to the different density of hot and cold water forms within the stratified storage 14, a temperature stratification. In extreme cases, the temperature in the lower region of the stratified storage 14 can assume the temperature of the water flowing in via the cold water inlet 16. This may be, for example, 10 ° C, so that the secondary heat exchanger 4 is supplied via the terminal 13 up to 10 ° C cold hot water.
  • the circulating 5 circulating heat transfer medium after it has left the heat sink 17, additionally cooled, so that the primary heat exchanger 3, a colder heat transfer medium flows than is the case with heaters according to the prior art.
  • a higher efficiency of the heat transfer in the primary heat exchanger 3 is achieved or a condensing effect with a higher condensation rate is achieved and the modulation range of the heater is expanded with respect to the heat sink 17.
  • the secondary heat exchanger 4 would lead to a heat extraction of the process water.
  • the pump 11 can be switched off in such cases in the valve flow direction of the first valve position 18.
  • valve position between the first 18 and the second valve position 19. This serves to increase the ratio between maximum and minimum power delivered to the heat sink.
  • heater 1 Another advantage of the heater 1 according to the invention is that the same components can be used for all components 2, 3, 4, 6, 7, as they are used for heating devices according to the prior art. This has advantages in terms of costs and stocking spare parts.
  • modular heaters can be produced, which can be configured by another piping of the circuit 5 either as conventional heaters according to the prior art or as heaters 1 according to the invention.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Heizgerät zum Heizen und zum Erwärmen von Brauchwasser mit einem in einem Kreislauf zirkulierenden Wärmeträgermedium.
  • Ein Heizgerät ist bekannt aus der Patentanmeldung DE 10 2007 029 971 . Ein solches Heizgerät umfasst einen Brenner zum Erzeugen von Wärme, einen Primärwärmetauscher zum Übertragen der vom Brenner erzeugten Wärme auf das Wärmeträgermedium sowie einen Anschluss für den Vorlauf und den Rücklauf eines Heizkreislaufs, an dem eine externe Wärmesenke zum Beispiel in Form einer oder mehrerer Radiatoren angeschlossen ist. Zum Erwärmen des Brauchwassers umfasst ein gattungsgemäßes Heizgerät einen Sekundärwärmetauscher zur Übertragung der Wärme von dem Wärmeträgermedium auf das zu erwärmende Brauchwasser. Üblicherweise sind die externe Wärmesenke und der Sekundärwärmetauscher im Heizkreislauf parallel geschaltet. Mittels eines 3-Wege-Ventils kann das durch den Brenner erzeugte Wärmeträgermedium entweder durch den Sekundärwärmetauschers oder durch die externe Wärmesenke geleitet werden. Dies hat zur Folge, dass im Betrieb entweder die Wärmesenke oder das Brauchwasser mit Wärme versorgt wird. Im Konfliktfall hat in der Regel die Brauchwassererwärmung Vorrang. Ein Heizgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der Patentschrift DE102 44 339 A1 bekannt. In der Offenlegungsschrift DE 102 44 339 A1 wird eine Heizungsanlage für ein Gebäude offenbart, bei der ein Brauchwasserspeicher von einem Heizungswasserspeicher teilweise ummantelt wird. Der Heizungswasserspeicher wird von einer Niedertemperatur Heizeinrichtung, beispielsweise einer Solaranlage oder Erdwärme, und/oder von einer Hochtemperaturheizeinrichtung, beispielsweise einem Brenner, beheizt. Der Heizungswasserspeicher kann im Fall der Beheizung durch die Hochtemperaturheizeinrichtung durch ein Dreiwegeventil hydraulisch stromab der externen Wärmesenke, in der Regel den Heizkörpern des zu beheizenden Gebäudes, in Reihe geschaltet werden. Bei ausreichender Energiezufuhr durch die Niedertemperaturheizung oder bei geringem Wärmebedarf der Wärmesenke kann bei ausgeschalteter Hochtemperaturheizeinrichtung der Wärmebedarf der Wärmesenke aus dem Heizungswasserspeicher gedeckt werden. Da der Heizungswasserspeicher den Brauchwasserspeicher ummantelt, erfolgt ein Wärmeaustauscher zwischen den beiden Speichern.
  • Beim Primärwärmetauscher hängt der Nutzungsgrad beziehungsweise die Effizienz der Wärmeübertragung vom Temperaturniveau des in den Primärwärmetauscher einströmenden zu erwärmenden Wärmeträgermediums ab. Bei der Nutzung der Brennwerttechnik ergeben sich darüber hinaus Effizienzvorteile bei einer niedrigen Temperatur des Wärmeträgermediums durch eine höhere Kondensationsrate.
  • In der Patentanmeldung DE 33 36 136 A1 wird die Kondensationsrate dadurch verbessert, dass neben dem Rücklauf auch der Kaltwasserzulauf für Brauchwasser zur Kondensation verwendet wird.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Heizgerät derart weiterzuentwickeln, dass die Effizienz gesteigert wird. Ein weiterer Aspekt der Aufgabe ist, das gattungsgemäße Heizgerät in der Weise weiterzuentwickeln, die mit möglichst wenig zusätzlichem Bauaufwand für das Heizgerät verbunden ist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Heizgerät gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist der Sekundärwärmetauscher als Bestandteil einer Heizungsanlage so angeordnet, dass im Betrieb mit einem Wärmeträgermedium befüllten Kreislauf und bei laufender Pumpe das Wärmeträgermedium in einer ersten Ventilstellung zunächst im Primärwärmetauscher erwärmt wird, dann durch die Wärmesenke geleitet wird und anschließend durch den Sekundärwärmetauscher geleitet wird. Dies hat den Vorteil, dass bei laufendem Heizbetrieb bereits Wärme für die Brauchwassererwärmung genutzt werden kann. Dies ist insbesondere in Kombination mit einem Schichtenspeicher vorteilhaft, da das für die Erwärmung entnommene Brauchwasser aus dem Schichtenspeicher eine relativ niedrige Temperatur hat. Dadurch kann einerseits die Restwärme des Rücklaufs der Wärmesenke vorteilhaft genutzt werden, andererseits kann die Temperatur des Wärmeträgermediums gegenüber dem Stand der Technik weiter abgesenkt werden, was die Effizienz der Wärmeübertragung im Primärwärmetauscher verbessert, da sich die Kondensationsrate bei einem Heizgerät mit Brennwerttechnik erhöht. Ein weiterer Vorteil ist, dass die minimale Heizleistung, die an die Wärmesenke abgegeben werden kann, verringert wird. Aus Gründen, die die Stabilität der Gemischbildung für den Brenner betreffen, ist das Verhältnis zwischen maximaler und minimaler Leistung des Brenners eingeschränkt. Durch die Möglichkeit, dem Wärmeträgermedium Wärme zu entziehen und für das Brauchwasser zu nutzen, wird das Verhältnis zwischen maximaler und minimaler an die Wärmesenke abgegebener Leistung erhöht.
  • Wird ausschließlich Wärme für die Brauchwassererwärmung benötigt oder wird eine hohe Temperatur für die Brauchwassererwärmung gefordert, so wird das Ventil in eine zweite Ventilstellung überführt, so dass die Leistung des Brenners ausschließlich zur Brauchwassererwärmung zur Verfügung steht.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung wird nun anhand der Figur detailliert erläutert.
  • Figur 1 zeigt das Schema einer Heizungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Heizgerät 1. Das Heizgerät 1 umfasst den Brenner 2, der Wärme im Primärwärmetauscher 3 auf ein Wärmeträgermedium, in der Regel Wasser, überträgt. Im Kreislauf 5 wird das Wärmeträgermedium mittels der Pumpe 6 zirkuliert. Das Ventil 7 kann in einer ersten Ventilstellung so geschaltet werden, dass das Wärmeträgermedium in Ventildurchflussrichtung 18 zirkuliert. Dabei wird das Wärmeträgermedium zuerst durch die Wärmesenke 17 fließen, die an die Anschlüsse für Vorlauf 9 und Rücklauf 10 angeschlossen sind. Bei der Wärmesenke 17 handelt es sich beispielsweise um Radiatoren, Fußbodenheizungen et cetera zur Beheizung eines Gebäudes. In der Wärmesenke 17 kühlt das Wärmeträgermedium ab. Danach strömt das Wärmeträgermedium durch den Sekundärwärmetauscher 4 und gibt weitere Wärme an das Brauchwasser ab. Dazu zirkuliert die Pumpe 11 das in einem Schichtenspeicher 14 gespeicherte Brauchwasser über die Anschlüsse 12, 13 und erwärmt es in dem Sekundärwärmetauscher 4. Der Schichtenspeicher 14 weist einen Kaltwasserzulauf 16 zum Zuführen von kaltem Brauchwasser und einen Warmwasseranschluss 15 zur Entnahme von erwärmtem Brauchwasser auf. Durch die unterschiedliche Dichte von warmen und kalten Wasser bildet sich innerhalb des Schichtenspeichers 14 eine Temperaturschichtung aus. Im Extremfall kann die Temperatur im unteren Bereich des Schichtenspeichers 14 die Temperatur des über den Kaltwasserzulauf 16 zulaufenden Wassers annehmen. Dies können beispielsweise 10 °C sein, so dass dem Sekundärwärmetauscher 4 über den Anschluss 13 bis zu 10 °C kaltes Brauchwasser zugeführt wird. Dadurch wird das im Kreislauf 5 zirkulierende Wärmeträgermedium, nachdem es die Wärmesenke 17 verlassen hat, zusätzlich abgekühlt, so dass dem Primärwärmetauscher 3 ein kälteres Wärmeträgermedium zufließt als dies bei Heizgeräten gemäß dem Stand der Technik der Fall ist. Dadurch wird eine höhere Effizienz der Wärmeübertragung im Primärwärmetauscher 3 erzielt, bzw. ein Brennwerteffekt mit höherer Kondensationsrate erreicht und der Modulationsbereich des Heizgeräts in Hinblick auf die Wärmesenke 17 erweitert. Für den Fall, dass das aus der Wärmesenke 17 in den Rücklauf 10 rückströmende Wärmeträgermedium eine Temperatur unterhalb der Temperatur des Brauchwassers in den unteren Schichten des Schichtenspeichers 14 hat, würde der Sekundärwärmetauscher 4 zu einem Wärmeentzug des Brauchwassers führen. Um dies zu vermeiden, kann in solchen Fällen in der Ventildurchflussrichtung der ersten Ventilstellung 18 die Pumpe 11 abgeschaltet werden.
  • In der Ventildurchflussrichtung in der zweiten Ventilstellung 19 des Ventils 7 wird die Wärme des Brenners 2 ausschließlich im Sekundärwärmetauscher 4 verwendet. Dies entspricht der Brauchwassererwärmung gemäß dem Stand der Technik.
  • Erfindungsgemäß ist es auch vorgesehen, eine Ventilstellung zwischen der ersten 18 und der zweiten Ventilstellung 19 vorzusehen. Dies dient der Erhöhung des Verhältnisses zwischen maximaler und minimaler an die Wärmesenke abgegebener Leistung..
  • Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Heizgeräts 1 ist, dass für alle Komponenten 2, 3, 4, 6, 7 dieselben Komponenten verwendet werden können, wie sie auch für Heizgeräte nach dem Stand der Technik eingesetzt werden. Dies hat Vorteile bei den Kosten und bei der Bevorratung mit Ersatzteilen. Zudem können modulare Heizgeräte hergestellt werden, die sich durch eine andere Verrohrung des Kreislaufs 5 entweder als konventionelle Heizgeräte nach dem Stand der Technik oder als erfindungsgemäße Heizgeräte 1 konfigurieren lassen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Heizgerät
    2
    Brenner
    3
    Primärwärmetauscher
    4
    Sekundärwärmetauscher
    5
    Kreislauf
    6
    Pumpe
    7
    Ventil
    8
    Verbindung
    9
    Anschluss für Vorlauf
    10
    Anschluss für Rücklauf
    11
    Pumpe
    12
    Anschluss
    13
    Anschluss
    14
    Schichtenspeicher
    15
    Warmwasseranschluss
    16
    Kaltwasserzulauf
    17
    Wärmesenke
    18
    Ventildurchflussrichtung in erster Ventilstellung
    19
    Ventildurchflussrichtung in zweiter Ventilstellung

Claims (3)

  1. Heizgerät (1) zum Heizen und zum Erwärmen von Brauchwasser mit einem im Betrieb in einem Kreislauf (5) zirkulierenden Wärmeträgermedium, umfassend einen Brenner (2), umfassend einen Primärwärmetauscher (3) zum Übertragen der vom Brenner (2) erzeugten Wärme auf das Wärmeträgermedium, umfassend Anschlüsse für Vorlauf (9) und Rücklauf (10) eines Heizkreislaufs einer Wärmesenke (17), umfassend einen Schichtenspeicher (14), wobei sich durch die unterschiedliche Dichte vom warmen und kalten Wasser innerhalb des Schichtenspeichers (14) eine Temperaturschichtung ausbilden kann, umfassend einen Sekundärwärmetauscher (4) zur Übertragung der Wärme von dem Wärmeträgermedium auf das in dem Schichtenspeicher (14) gespeicherte zu erwärmenden Brauchwasser, umfassend eine Pumpe (6) zum Fördern des Wärmeträgermediums und umfassend ein Ventil (7) zur Führung des Wärmeträgermediums in der Weise, dass der Wärmebedarf für Brauchwasser und/oder für die Wärmesenke gedeckt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärwärmetauscher (4) so im Kreislauf (5) angeordnet ist, dass er in einer ersten Stellung des Ventils (7) zur Deckung des Wärmebedarfs der Wärmesenke (17) im Betrieb in Reihe mit der Wärmesenke (17) schaltbar ist, so dass das Wärmeträgermedium stromab des Primärwärmetauschers (3) zuerst die Wärmesenke (17) und danach den Sekundärwärmetauscher (4) durchströmt und dass in einer zweiten Stellung des Ventils (7) zur Deckung des Wärmebedarfs zur Brauchwassererwärmung das Wärmeträgermedium stromab des Primärwärmetauschers (3) direkt den Sekundärwärmetauscher (4) durchströmen kann, und dass der Schichtenspeicher (14) über die Anschlüsse (12), (13) mit dem Sekundärwärmetauscher (4) und einer Pumpe (11) so verbunden ist, dass die Pumpe (11) das in einem Schichtenspeicher (14) gespeicherte Brauchwasser über die Anschlüsse (12), (13) zirkulieren kann, so dass dem Sekundärwärmetauscher (4) über den Anschluss (13) kaltes Brauchwasser aus dem unteren Bereich des Schichtenspeichers (14) zuführbar ist, so dass das im Kreislauf (5) zirkulierende Wärmeträgermedium, nachdem es die Wärmesenke (17) verlassen hat, zusätzlich abgekühlt werden kann.
  2. Heizgerät (1) nach Anspruch 1, wobei das Ventil (7) kontinuierlich zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung einstellbar ist.
  3. Heizungsanlage, umfassend ein Heizgerät (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, eine an den Vorlauf (9) und Rücklauf (10) des Heizgeräts angeschlossene Wärmesenke (17) und einen mit dem Sekundärwärmetauscher (4) des Heizgeräts (1) verbundenen Schichtenspeicher (14) zur Bereitstellung von erwärmtem Brauchwasser.
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