DE2517610A1

DE2517610A1 - Zentralheizung

Info

Publication number: DE2517610A1
Application number: DE19752517610
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Dipl Ing Kohnke
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 1975-04-21
Filing date: 1975-04-21
Publication date: 1976-11-04
Also published as: DE2517610C2

Description

STlEBEL ELTROM GmbH & Co. KG

16. April 1975 - TSR-Akte 370/To

Zentralheizung

Die Erfindung betrifft eine Zentralheizung mit Wärmepumpe und Zusatzheizung, wobei die Wärmepumpe nur bis zu einer bestimmten Außentemperatur I in Betrieb ist.

In der Literaturstelle H. Rietschels "Lehrbuch der Heiß- und Lüftungstechnik", 13. Auflage, Berlin/Göttingen/Heidelberg, 1958, Seite 234, ist erwähnt, daß sich ein unwirtschaftlicher Wärmepumpenb-etrieb vermeiden läßt, indem die Wärmepumpe nur an den zahlenmäßig überwiegenden Heiztagen mit Temperaturen über 0 ⁰C eingesetzt wird und bai niedrigeren Außentemperaturen die Heizwassererwärmung teilweise oder vollständig einer Kesselanlage übertragen wird. Vorschläge zur Verwirklichung dieser Idee sind in der genannten Literaturstelle nicht enthalten. Darüber hinaus ist es äußerst unwirtschaftlich, ganzjährig eine Kesselanlage bereit zu halten, die für die Deckung des gesamten maximalen Wärmebedarfs dimensioniert sein muß, und diese nur an sehr wenigen Tagen im Jahr einzusetzen.

Bei der Konzipierung neuer Heizungsanlagen sind neben der Wirtschaftlichkeit hinsichtlich Betriebs- und Anschaffungskosten weitere Forderungen zu beachten. So ist es wünschenswert, die Anschlußleistung der Zentralheizung zu verringern und eine 24-stündige Grundlast über ca. 200 Heiztage zu gewährleisten.

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Aufgabe der Erfindung ist es somit/ eine Zentralheizung der obengenannten Art vorzuschlagen, die mit einer Wärmepumpe arbeitet, die nur so stark ausgelegt ist, daß die Zusatzheizung, insbesondere ein Durchlauferhitzer, zur Deckung des Wärmebedarfs die Wärmepumpe nicht erst bei sehr niedrigen Außentemperaturen ab3_öst, sondern diese schon bei relativ hohen Außentemperaturen unterstützt, und bei der die aufgenommene elektrische Energie, günstig auf die Niedertarif zeit und die Hochtarifzeit verteilt ist.

Nach der Erfindung arbeitet die Zentralheizung mit einem Speicher für einen Wärmeträger und mit einem Durchlauferhitzer, der mit mehreren getrennt einschaltbaren Leistungsstufen versehen ist,

in der Niedertarifzeit ist ab einer bestimmten Außentemperatur II, die unter 20 ⁰C und über 0 ⁰C liegt, eine Leistungsstufe des Durchlauferhitzers mit etwa 1/4 bis 3/4 der Gesamtleistung des Durchlauferhitzers eingeschaltet,

in der Niedertarifzeit ist unterhalb der bestimmten Außentemperatur I die max. Leistung des Durchlauferhitzers eingeschaltet,

bei einer Außentemperatur III, die unterhalb der Außentemperatur II und oberhalb der Außentemperatur I liegt bzw. dieser gleich ist, ist bei Verringerung der Anschlußleistung der Wärmepumpe bzw. bei Abschaltung der Wärmepumpe eine die Verringerung der Anschlußleistung etwa ersetzende Leistungsstufe sowohl in der Niedertarifzeit als auch

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in der Hochtarifzeit eingeschaltet und bei einer Außentemperatur IV, die zwischen der bestimmten Außentemperatur II und der bestimmten Außentemperatur III liegt, wird in der Hochtarifzeit und in der Niedertarifzeit Wärmeträger aus dem Speicher entnommen.

Durch die Erfindung ist erreicht, daß oberhalb der bestimmten Außentempeatur II, beispielsweise 15 ⁰C, sowohl in der Hochtarifzeit als auch in der Niedertarifzeit nur die Wärmepumpe arbeitet. Sie hat beispielsweise eine Anschlußleistung von 5 kW. Unterhalb der bestimmten Außentemperatur II arbeitet zusätzlich zu der Wärmepumpe eine Leistungsstufe des Durchlauferhitzers. Diese heizt den Speicher auf. Ab einer Außentemperatur IV, beispielsweise 5 ⁰C, wird sowohl in der Hochtarifzeit als auch in der Niedertarifzeit dem von der Wärmepumpe hier nur noch ungenügend aufgeheizten Vor lauf v/asser des Heizkreislaufes Heißwasser aus dem Speicher zugemischt. Sinkt die Außentemperatur unter den bestimmten Temperaturwert I, beispielsweise O ⁰C, oder -15 ⁰C, dann wird die Wärmepumpe abgeschaltet, da ihr Betrieb hier nicht mehr wirtschaftlich ist. In der Hochtarifzeit wird jetzt eine Leistungsstufe des Durchlauferhitzers eingeschaltet, deren Anschlußwert dem Anschlußwert der Wärmepumpe entspricht. In der Niedertarifzeit arbeitet der Durchlauferhitzer bei dieser Außentemperatur mit seiner vollen Leistung.

Anstelle der vollständigen Abschaltung der Wärmepumpe kann nach der Erfindung weiterhin bei einer Außentemperatur III, beispielsweise

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zwischen O und -15 ⁰C die bei dieser Temperatur aus physikalischen Gründen zusätzlich zur Verminderung des Wirkungsgrades auftretende Reduzierung der aufgenommenen elektrischen Leistung dadurch ausgeglichen werden, daß zur Erhaltung der gewünschten Grundlast eine entsprechende Leistungsstufe des Durchlauferhitzers zugeschaltet wird.

Selbstverständlich hängt die Einschaltung der Wärmepumpe oder der Leistungsstufen des Durchlauferhitzers zusätzlich von dem tatsächlichen Wärmebedarf ab.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß eine Zentralheizung geschaffen ist, die einerseits die Vorteile einer Wärmepumpe ausnützt, aber andererseits deren Wärmeerzeugung sinnvoll durch stufenweise Zuschaltung einer elektrischen Beheizung ergänzt. Weiterhin ist von Vorteil, daß einerseits eine von den Elektrizitäts-Versorgungsunternehmen gewünschte Grundlast an das Stromnetz angeschlossen ist, daß diese aber hauptsächlich von der Wärmepumpe aufgenommen wird und in der Hochtarifzeit nur dann von dem Durchlauferhitzer verbraucht wird, wenn besonders niedrige Außentemperaturen herrschen, bei denen eine Wärmepumpe nur mit unverhältnismäßig großem Aufwand arbeiten könnte.

Weiter ergibt sich, daß die Nenn-Anschlußleistung der Zentralheizung gegenüber konventioneller Zentralheizungen um wenigstens 1/3 reduziert wird.

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In Ausgestaltung der Erfindung weist der Durchlauferhitzer drei Leistungsstufen auf, wobei die 1. Leistungsstufe, die bei Abschaltung der Wärmepumpe einschaltet, deren Anschlußleistung entspricht. Die beiden anderen Leistungsstufen sind vorzugsweise gleich groß.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß auch dann, wenn die Vorlauftemperatur des Wärmeträgers über eine gewisse Zeitspanne eine Temperatur von etwa 4 5 ⁰C unterschreitet, Wärmeträger aus dem Speicher entnommen wird. Damit ist sichergestellt, daß nichz nur bei einer Außentemperatur IV, beispielsweise 5 ⁰C, sondern auch bei plötzlich erhöhtem Wärmebedarf Heißwasser aus dem Speicher dem von der Wärmepumpe erwärmten Vorlauf wasser beigemischt wird.

Besonders einfach zu installieren ist die Zentralheizung dann, wenn die Wärmepumpe und der Durchlauferhitzer sowie die notwendigen Schalt- und Verbindungsmittel in einer Baueinheit integriert sind. Dies hat gleichzeitig den Vorteil einer raumsparenden Unterbringung.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Äusführungsbexspiels. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 den wassertechnischen Aufbau einer Zentralheizungsanlage schematisch und

Figur 2 die elektrische Schaltung der Anlage nach Figur 1.

Eine Wärmepumpe 1 ist ausgangsseitig mit einem Wärmetauscher 2 verbunden. Die Wärmepumpe 1 besteht in bekannter Weise aus einem Verdampfer, einem Kompressor, einem Kondensator und einem Drosselventil. Der Wärmetauscher 2 ist dabei an den Kondensator angeschlossen. Der Verdampfer wird eingangsseitig von einem Wärmeträger beaufschlagt. Im vorliegenden Fall dient als Wärmeträger insbesondere die Umgebungsluft, die über einen schematisch dargestellten Kanal 3 zu- und über ei.nen Kanal 4 abgeführt wird.

In den Wärmetauscher 2 mündet ausgangsseitig eine Rücklaufleitung 5 der Zentralheizungsanlage- Er ist über ein Magnetventil 6, einen Rückflußverhinderer 7 und eine Vorlaufpumpe 8 an eine Vorlaufleitung 9 angeschlossen.

Weiterhin ist ein in mehreren Stufen schaltbarer Durchlauferhitzer 10 vorgesehen. Eingangsseitig liegt dieser über ein Magnetventil 11 an der Rücklauf leitung 5 und ist mit dem Ausgang von zwei hintereinandergeschalteten Speicherbehältern 12 und 13 verbunden. Ausgangsseitig ist der Durchlauferhitzer 10 über eine Umlaufpumpe 14 an den Speicherbehälter 13 angeschlossen. Zwischen der Pumpe 14 und der Pumpe 8 ist eine Verbindung über ein Magnetventil 15 sowie ein Magnetventil 16 mit vorgeschaltetem Rückflußverhinderer 17 hergestellt.

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In der Vorlaufleitung 9 und der Rücklaufleitung 5 ist, wie üblich, ein Mischer 18 vorgesehen.

Der Aufbau und die Installation der Zentralheizung sind dadurch vereinfacht, daß die beschriebenen wesentlichen Bauteile 1, 2, 6 - 8, 10, 11, 14 - 17, auf einem Träger 19 installiert sind.

In Figur 2 sind die elektrischen Betätigungsmittel der beschriebenen Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen, die jene in Figur 2 tragen. Die Schaltung liegt zwischen dem Massepol Mp und der Phase R des Wechselstromnetζes. Zur Niedertarifzeit liegt zusätzlich am Pol RN die Netzspannung an. Es ist ein Außentemperaturfühler vorgesehen, über den mittels eines nicht näher dargestellten Reglers entsprechend der jeweiligen Außentemperatur vier Kontakte 20, 21, 22 und 23 geschlossen werden. Ab einer Außentemperatur von beispielsweise 15 ⁰C schließt sich der Kontakt 21, beim weiteren Absinken der Temperatur bei 5 ⁰C der Kontakt 20 und bei 0 ⁰C die Kontakte 22 und 23. Der Durchlauferhitzer ist mit drei Leistungsstufen 10a, 10b und 10c versehen. Die Leistungsstufe 10a liegt in Serie zum Kontakt 21. Die Leistungsstufe 10b liegt in Serie zum Kontakt 22. Dem Kontakt 23 ist eine Wicklung 24 eines Relais nachgeschaltet, das zwei Öffnerkontakte 25 und 26 und drei Schließkontakte 27, 28 und 29 aufweist. Der Kontakt 25 liegt vor dem Kompressor der Wärmepumpe -1 und dem Magnetventil 6. Der Kontakt

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liegt zv7ischen der Uralauf pumpe 14 sowie dem parallelgeschalteten Magnetventil 11 und dem Kontakt 21. Dem Kontakt 27 ist die Leistungsstufe 10c des Durchlauferhitzers nachgeschaltet. Der Kontakt 28 liegt vor der Umlaufpumpe 14 sowie dem Magnetventil 11. Der Kontakt 29 liegt in Serie zum Magnetventil 16.

In der Vorlaufleitung 9 ist ein Temperaturfühler vorgesehen, der einen Kontakt 30 schließt, wenn die Vorlauftemperatur 4 5 ⁰C unterschreitet. Der Kontakt 30 liegt, vor der Wicklung 31 eines weiteren Relais, das einen Kontakt 32 aufweist. Dieser Kontakt liegt parallel zum Kontakt 20. Der Parallelschaltung des Kontaktes 20 und des Kontaktes 32 ist das Magnetventil 15 nachgeschaltet.

Zusätzlich ist der Phase R ein Einschaltkontakt 33 und der Phase RN ein Einschaltkontakt 34 nachgeschaltet. Am Kontakt 33 liegen die Vorlaufpumpe 8, der Kontakt 25, der Kontakt 20, der Kontakt 30, der Kontakt 32, der Kontakt 23 und die Kontakte bis 29. Am Einschaltkontakt 34 liegen die Kontakte 21 und 22.

Die Arbeitsweise der beschriebenen Anordnung ist bei Wärmebedarf folgende:

1. Bei einer Außentemperatur über 1 5 ⁰C sind die Kontakte 20 bis 23 offen. Die Wärmepumpe 1 arbeitet. Das Magnetventil 6 ist geöffnet und die Vorlaufpumpe 8 läuft. Dies gilt sowohl für die Hochtarifzeit als auch für die Niedertarif zeit. 6Q8 84 5/Q403

2. Bei einer Außentemperatur zwischen 15 ⁰C und 5 ⁰C ändert sich an dem unter Ziff. 1 beschriebenen Schaltzustand in der Hochtarifzeit nichts. In der Niedertarifzeit wird zusätzlich die Leistungsstufe 10a, sowie über den geschlossenen Kontakt 26 die Umlaufpumpe 14 eingeschaltet und das Magnetventil 11 geöffnet. Die Leistungsstufe 10a des Durchlauferhitzers 10 beheizt jetzt die Speicherbehälter 12, 13.

3. Bei einer Temperatur zwischen 5 ⁰C und 0 ⁰C schließt zusätzlich der Kontakt 20. Dadurch wird das Magnetventil 15 geöffnet. Es wird jetzt dem von der Wärmepumpe 1 erwärmten Wasser Heißwasser aus den Speicherbehältern 12, 13 zugemischt. In der Niedertarifzeit arbeitet die Leistungsstufe 10a und die Umlaufpumpe 14, wie unter Ziff. 2 beschrieben.

4. Bei einer Außentemperatur unter 0 ⁰C

sind zusätzlich zu den Kontakten 20 und 21 die Kontakte und 23 geschlossen. Durch das Schließen des Kontaktes 23 werden über die Relaiswicklung 24 die Kontakte 25 und 2 6 geöffnet und die Kontakte 27, 28 und 2 9 geschlossen. Die Wärmepumpe 1 wird hierdurch abgeschaltet und das Magnetventil 6

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schließt sich. Es ist jetzt - auch in der Hochtarifzeit - anstelle der Wärmepumpe 1 die Leistungsstufe 10c angeschlossen, die den gleichen elektrischen Anschlußwert wie die Wärmepumpe 1 aufweist. Die Magnetventile 11 und 16 sind ebenso wie das Magnetventil 15 geöffnet. Die Pumpen 8 und 14 laufen. In der Niedertarifzeit sind über die geschlossenen Kontakte 21 und 22 die Leistungsstufen 10a und ICb zusätzlich eingeschaltet. Die gesamte Heizung erfolgt mittels des Durchlauferhitzers.

Unabhängig von der jeweiligen Außentemperatur wird dann, wenn, die Temperatur des Vorlaufwassers 4 5 ⁰C unterschreitet, der Kontakt 30 geschlossen. Hält diese niedrige Vorlauftemperatur einige Zeit, beispielsweise mehr als 5 Minuten an, dann schließt sich der Kontakt 32, so daß das Magnetventil. 15 geöffnet und somit Heißwasser aus den Speicherbehältern dem Vorlauf beigemischt wird.

Im folgenden werden pauschal die Anschlußverhältnisse abgeschätzt:

Geht man beispielsweise von einem 24-stündigen Wärmebedarf entsprechend 3 60 kWh aus, dann benötigt die Wärmepumpe unter Zugrundelegung einer Leistungsziffer von 3 ohne Berücksichtigung des Gesamtwirkungsgrades der Wärmepumpe eine elektrische Energie von 1 20 kWh, die Wärmepumpe muß demnach eine Anschlußleistung von 5 kW haben. Zur Erreichung einer Grundlast während der Heizperiode

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hat die Leistungsstufe 10c, die zur Hochtarifzeit unter 0 ⁰C anstelle Wärmepumpe arbeitet, ebenfalls eine Leistung von 5 kW. Muß ein Wärmebedarf von 3 60 kWh unter 0 ⁰C allein von dem Durchlauferhitzer gedeckt werden, dann müssen nach Abzug der 24-stündigen Energie der Leistungsstufe 10c noch 240 kWh im Speicherbetrieb aufgebracht werden. Dies bedeutet unter der Annahme einer 8-stündigen Niedertarifzeit, daß die Leistungsstufen 10a und 10b insgesamt eine Leistung von 30 kW haben müssen. Jede der Leistungsstufen 10a und 10b hat vorzugsweise die Hälfte dieser Leistung, also 15 kW. Insgesamt hat der Durchlauferhitzer damit eine Anschlußleistung von 3 5 kW.

Vergleicht man diesen Anschlußwert von 3 5 kW mit dem Anschlußwert, dem eine Zentralheizungsanlage haben müßte, die nur während einer 8-stündigen Niedertarifzeit arbeitet (45 kW), dann ergibt sich, daß die Anschlußleistung bei der erfindungsgemäßen Zentralheizungsanlage um etwa 1/3 erniedrigt ist.

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Claims

Patentansprüche

/i. j Zentralheizung mit Wärmepumpe und Zusatzheizung, bei der die Wärmepumpe nur bis zu einer bestimmten Außentemperatur I in Betrieb ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentralheizung mit einem Speicher (12, T3) für einen Wärmeträger und mit einem Durchlauferhitzer (10) arbeitet, der mit mehreren getrennt einschaltbaren Leistungsstufen (10a, 10b, 1Oc) versehen ist, daß in der Niedertarifzeit ab einer bestimmten Außentemperatur II, die zwischen 20 ⁰C und über 0 ⁰C liegt, eine Leistungsstufe (10a) des Durchlauferhitzers (10) mit etwa 1/4 bis 3/4 der Gesamtleistung des Durchlauferhitzers (10) eingeschaltet ist, daß in der Niedertarifzeit unterhalb der bestimmten Außentemperatur I die max. Leistung des Durchlauferhitzers (10) eingeschaltet ist, daß bei einer bestimmten Außentemperatur III, die unterhalb der Außentemperatur II und oberhalb der Außentemperatur I liegt bzw. dieser gleich ist, bei Verringerung der Anschlußleistung der Wärmepumpe (1) bzw. bei Abschaltung der Wärmepumpe (1) eine die Verringerung der Anschlußleistung etwa ersetzende Leistungsstufe (10c) sowohl in der Niedertarifzeit als auch in der Hochtarifzeit eingeschaltet ist und daß bei einer Außentemperatur IV, die zwischen der bestimmten Außentemperatur II und der bestimmten Außen-

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temperatur III liegt, in der Hochtarifzeit und in
der Niedertarifzeit Wärmeträger aus dem Speicher (12, 13) entnommen wird.
2. Zentralheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außentemperatur I bei 0 ⁰C liegt.
3. Zentralheizung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η nz e i c h ne t , daß die Außentemperatur I bei -15 ⁰C liegt.
4. Zentralheizung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außentemperatur IH bei 0 ⁰C liegt.
5. Zentralheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz eichnet , daß die Außentemperatur II bei +15 ⁰C liegt.
6. Zentralheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichne t, daß die Außentemperatur IV bei 5 ⁰C liegt.

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7. Zentralheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Außentemperatur II geschaltete Leistungsstufe (1Oa) etwa die Hälfte der Gesamtleistung beträgt.
8. Zentralheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz eich net , daß in der Niedertarifzeit unterhalb der Außentemperatur I alle Leistungsstufen (10a, 10b, 10c) eingeschaltet sind.
9. Zentralheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlauferhitzer (10} drei Leistungsstufen (10a, 10b, 10c) aufweist, wobei die 1. Leistungsstufe (10c) die bei Abschaltung der Wärmepumpe einschaltet, deren Anschlußleistung entspricht.
10. Zentralheizung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden anderen Leistungsstufen (10a, 10b) gleich groß sind.
11. Zentralheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die 1. Leistungsstufe in zwei Leistungsstufen unterteilt ist, deren

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eine bei Reduzierung der von der Wärmepumpe aufgenommenen Leistung eingeschaltet wird und deren andere beim Abschalten der Wärmepumpe zusätzlich zugeschaltet ist.
12. Zentralheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auch dann, wenn die Vorlauftemperatur des Wärmeträgers über eine gewisse Zeitspanne etwa 4 5 ⁰C unterschreitet, Wärmeträger aus dem Speicher (12, 13) entnommen wird.
13. Zentralheizung, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz eichn e t , daß die Wärmepumpe (1) und der Durchlauferhitzer (10) sowie die notwendigen Schalt- und Verbindungsmittel (2, 6, 7, 8, 11, 14, 15, 16, 17) in einer Baueinheit integriert sind.

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