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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine gasbeheizte Zentralheizungs-
und Warmwasserbereitungseinrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 und
in DE-A-21 59 827 dargestellten Merkmalen.
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Ein kombiniertes Gerät für Zentralheizung und Warmwasserbereitung mit den
selben Merkmalen laut Beschreibung in GB-A-2 220 052 ist für die Installation auf
Booten und in Caravans vorgesehen und hat dementsprechend eine nur begrenzte
Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Raumheizung und der Bereitstellung von
Heißwasser für Haushaltszwecke. Diese Einschränkung resultiert neben anderen
Ursachen aus dem geringen Durchmesser der Wärmeaustauscherleitung, die aus
einem spiralförmig um die Brennerkammer des Brenners angeordneten Abgaskanal
besteht.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein kombiniertes Gerät für
Zentralheizung und Warmwasserbereitung zum Gebrauch in Wohngebäuden und
ähnlichen Einrichtungen, wo hinsichtlich seiner Leistungsfähigkeit und insbesondere
seines Wirkungsgrades andere Anforderungen bestehen.
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In bekannten kombinierten Geräten für Zentralheizung und
Warmwasserbereitung für Wohngebäude und desgleichen wurde auf die eine oder
andere Art ein Wassertank (Boiler) zu einem Zentralheizungsboiler hinzugefügt,
wobei der Inhalt des Wassertanks von Wasser erwärmt wird, das im
Zentralheizungsboiler aufgeheizt wurde und in einem geschlossenen Kreislauf
zirkuliert. Im Prinzip gibt es dabei zwei verschiedene Konstruktionsmöglichkeiten,
nämlich:
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- ein Entnahme- bzw. Durchflußboiler entsprechend dem in Fig. 1 von DE-A-
21 59 827, der vollständig mit Wasser aus dem geschlossenen Kreislauf des
Zentralheizungsboilers gefüllt ist, bei dem eine Rohrschlange an einem Ende mit
dem Wassernetz verbunden ist und an deren anderem Ende Warmwasser für
Haushaltszwecke entnommen werden kann. Diese Konstruktion ist kompakt und
kann in den Abmessungen 30x30x100 cm ausgeführt werden. Der Betrieb dieser
Konstruktion ist mit dem eines (gasbetriebenen) Warmwasserbereiters vergleichbar;
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- ein Speicherboiler, bei dem eine große Wassermenge für Haushaltszwecke
gespeichert wird und bei dem die Heizung durch das Passieren von Heißwasser aus
der Zentralheizung durch eine Rohrschlange erfolgt. Diese Konstruktion läßt sich mit
ei nem (elektrisch betriebenen) Wasserboiler vergleichen. Die Abmessungen der
Speicherboiler sind im allgemeinen größer, beispielsweise 60x60x100 cm.
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Beide können unmittelbar neben dem Zentralheizungsboiler angeordnet
werden. Im Prinzip wird in beiden Fällen an einem anderen Ort (im
Zentralheizungsboiler) Wasser für einen bestimmten Zweck aufgeheizt, und dieses
Wasser erhitzt wiederum Wasser, das für einen anderen Zweck (Verwendung im
Haushalt) vorgesehen ist.
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Wie in Fig. 1 von DE-A-21 59 827 dargestellt, erstreckt sich eine zylindrische
Verbrennungskammer konzentrisch in einen Boilerkessel und eine
Heißwasserentnahme-Rohrschlange umgibt die Verbrennungskammer innerhalb des
Boilerkessels.
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Die bekannten kombinierten Boiler für Zentralheizung und
Warmwasserbereitung weisen den Nachteil auf, daß die Leistungsfähigkeit der Warmwasserbereitung
für Haushaltszwecke oft zu kurz kommt. Der Grund dafür ist, daß es bei einer
vorgegebenen Boilerleistung erforderlich ist, auf jeden Fall die zur Aufrechterhaltung
einer bestimmten Raumtemperatur benötigte Wärme bereitzustellen. Ein weiterer
Nachteil der bekannten kombinierten Boiler ist die lange sogenannte
Anlaufwartezeit, das heißt die Zeit, bis nach dem Öffnen des Warmwasserhahns
tatsächlich warmes Wasser aus diesem fließt.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, daß Gebäude mit einer immer
besser werdenden Wärmeisolierung ausgestattet sind und dementsprechend das
Verhältnis von Zentralheizungswasser zu Warmwasser für Haushaltszwecke
zugunsten des Haushaltswassers verschoben werden kann. Ein Ziel der
vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen neuartigen Zentralheizungsboiler
bereitzustellen, der neben einer kompakten Bauweise und einer umweltfreundlichen
Gestaltung für die normale Beheizung von Häusern geeignet ist und eine
vergleichsweise große Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Bereitstellung von Wasser
für Haushaltszwecke aufweist.
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Das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die
Brennerkammer und der Wärmeaustauscherals eine kompakte, U-förmige Einheit ausgelegt
ist, die in einem Stück aus einer Aluminiumlegierung gegossen wird. Dabei ist das
Verhältnis der Wassermasse in Litern, von der die eingetauchte U-förmige Einheit
(22, 23) in dem Tank umgeben ist, zur Masse der eingetauchten U-förmigen Einheit
in Kilogramm größer als 1; der Wärmeaustauscher ist zur Vergrößerung der
wirksamen Erwärmungsfläche mit längsverlaufenden Rippen ausgestattet.
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Wenn eine solche Konstruktion bei dem genannten Verhältnis und einer
konventionellen Brennerleistung von 25 kW (Minimum 18 kW) eingesetzt wird, kann
im Tank eine Wassertemperatur von 87 ºC (Maximum 97 ºC) erzielt werden, das
bedeutet, daß bei Verwendung eines Mischventils im Wasserhahn kontinuierlich pro
Minute 7 Liter Heißwasser mit einer Temperatur von 60 ºC entnommen werden
können, ohne daß es zu nennenswerten Temperaturschwankungen kommt.
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Dabei hat das Verhältnis der Wassermenge im Tank zur Masse der darin
eingetauchten Aluminiummasse eine große Bedeutung.
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Tatsächlich ist es so, daß bei einer zu geringen Wassermasse im Verhältnis
zur Masse des Wärmeaustauschers nach dem Abschalten des Brenners vom
erwärmten Material des Wärmeaustauschers auch weiterhin Wärme an das Wasser
im Tank abgegeben wird. Das führt bei zu geringer Wassermasse dazu, daß die
Temperatur bis auf 160 ºC ansteigen kann und diese Wärme dann an das
Zentralheizungssystem abgeleitet wird. Dieses als Hot Shot bezeichnete Phänomen
ist eindeutig unerwünscht. Wenn dagegen das oben erwähnte Verhältnis von
Wasser- zu Aluminiummasse zum Einsatz kommt, kann bei gegebenem minimalem
Wasserspeicher von 35 Litern die gewünschte Entnahmemenge von 7 Litern pro
Minute bei 60 ºC kontinuierlich garantiert werden, ohne daß das Hot-Shot-
Phänomen auftritt. lm Fall von noch größeren Wassermengen, kann eine noch
gleichmäßigere Bereitstellung von Heißwasser erreicht werden.
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Schaut man sich die kompakte Bauweise der Brenner-Wärmeaustauscher-
Einheit genauer an, so handelt es sich um eine U-förmige Konstruktion, bei der am
oberen Ende des einen U-Schenkels ein Brenner mit Einrichtungen befestigt ist,
durch welche ein brennbares Gas-Luft-Gemisch nach unten in den Brenner
gefördert wird, und der untere Teil des besagten Schenkels und der andere U-
Schenkel einen Wärmeaustauscher bilden, der einen Austausch mit der
Wassermasse gewährleistet, in welche die beschriebene Anordnung eingetaucht ist.
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Der Vorteil dieser Konstruktionsweise liegt darin, daß hier bei einem Boiler
mit beschränkten Abmessungen eine ausreichende Wassermenge auf einer
Temperatur gehalten werden kann, um eine sofortige Verfügbarkeit - demzufolge
eine sehr kurze Anlaufwartezeit - von Heißwasser für Haushaltszwecke zu
gewährleisten. Die Leistungsfähigkeit der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der
Bereitstellung von Heißwasser für Haushaltszwecke ist mit der Leistungsfähigkeit
von viel größeren Speicherboilern mit einer eigenen Heizquelle vergleichbar.
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Die U-Form der Anordnung und die erreichten guten Bedingungen für einen
optimalen Wärmeaustausch mit der umgebenden Wassermasse erfordern
Maßnahmen, mit denen die Kondensation in der Biegung der U-Anordnung verhindert
wird, insbesondere wenn der Boiler eingeschaltet wird und bei niedriger Temperatur
der Wassermasse im Tank.
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Um zu garantieren, daß die Temperatur am tiefsten Punkt der U-Anordnung
zu jedem Zeitpunkt um einiges über der Verdampfungstemperatur (150 ºC) liegt, ist
es angebracht, an dieser Stelle ein Element zu installieren, das im Verhältnis zur
Aluminiumlegierung des Wärmeaustauschers eine geringe thermische Leitfähigkeit
aufweist.
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Beim Passieren von Abgasen steigt die Temperatur dieses Elements
sprunghaft an und bleibt auch auf diesem hohen Niveau, da nicht sofort eine
Abgabe der aufgenommenen Wärme an die Umgebung erfolgt.
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Bei einer weiteren Vervollkommnung der Erfindung kann dieses Element als
Stopfen von geringer Masse in der Wand der U-Anordnung ausgeführt werden,
wobei der Stopfen gleichzeitig als Kernträger verwendet werden kann, wenn das U-
förmige Rohr kernfrei gegossen wird.
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Durch ein Beispiel soll jetzt eine Ausführungsform des kombinierten Boilers
mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, von denen:
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Fig. 1 und Fig. 2 eine schematische Darstellung des Wirkprinzips der
bekannten Systeme von kombinierten Boilern ist;
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Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung in Längsrichtung des
kombinierten Boilers entsprechend der vorliegenden Erfindung ist;
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Fig. 4 eine Schnittdarstellung entlang den Pfeilen in Fig. 3 ist; und
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Fig. 5 eine detaillierte Schnittdarstellung des in Fig. 3 mit einem V am Pfeil
gekennzeichneten Elements ist.
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In Fig. 1 und Fig. 2 werden ein Heißwassertank (1) eines Entnahme- bzw.
Durchflußboilers sowie ein Heißwassertank (2) eines Speicherboilers gezeigt. Beim
Entnahme- bzw. Durchflußboiler nach Fig. 1 ist der Tank (1) mit Wasser des
Zentralheizungskreislaufs gefüllt, das über die Rohrleitung (3) zugeführt wird und über die
Rohrleitung (4) durch die Umlaufpumpe (nicht dargestellt) des
Zentralheizungsboilers abgeleitet wird. Durch den Tank (1) verläuft spiralförmig ein
Rohr (5), das an seinem einen Ende (6) an das Wassernetz angeschlossen ist und
am anderen Ende einen Wasserhahn (7) aufweist. Beim Speicherboiler nach Fig. 2
ist der Tank (2) mit Wasser aus dem Wassernetz gefüllt, das über die Rohrleitung
(8) zugeführt wird, und der Tank ist darüber hinaus mit einem Wasserhahn (9)
verbunden. Das Wasser aus dem Wassernetz im Tank (2) wird über eine
Rohrschlange (10) beheizt, die über die Rohrleitungen (11 und 12) mit dem
Zentralheizungskreislauf verbunden ist.
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In beiden Fällen wird die Wärme vom Zentralheizungsboiler über
Rohrleitungen (3, 4 bzw. 11,12) in einen Tank geleitet, der sich in räumlicher
Distanz zur Wärmequelle - nämlich dem Wärmeaustauscher des
Zentralheizungsboilers - befindet.
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Beim kombinierten Boiler entsprechend der vorliegenden Erfindung, der dem
Durchflußprinzip entspricht, wird ein Tank (13) in den geschlossenen Kreislauf der
Zentralheizung eingeschlossen. Das geschieht über eine Umlaufpumpe (14), die mit
einer Rücklaufrohr (15, 15a) und über ein Dreiwegventil (16) mit dem
Druckleitungsrohr (17, 17a) verbunden ist, das zu Radiatoren oder ähnlichen
Raumheizelementen führt. Das Dreiwegventil (16) ist über die Bypass-Leitung (18)
an die Ausgangsseite der Pumpe (14) angeschlossen.
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In den Tank (13 ragt eine Rohrschlange (19), die über die Leitungen (20 und
21) (über ein Mischventil M) mit dem Wassernetz und einem Wasserhahn (beides
nicht dargestellt) verbunden ist.
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Eingetaucht in den Tank (13) befindet sich eine aus einem Stück bestehende
Anordnung aus einem Brenner (22) und einem U-förmigen Wärmeaustauscher (23).
Der Wärmeaustauscher (23) ist an ein Flammrohr (24) für die Verbrennungsgase
angeschlossen.
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Der Brenner (22) befindet sich im Inneren einer Verbrennungskammer (25)
am oberen Ende des einen U-förmigen Wärmeaustauschers (23). Der Brenner wird
durch ein Gebläse (26) und ein Gasventil (27) mit einem Gas-Luft-Gemisch gespeist.
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Die Verbrennungsgase werden durch den U-förmigen Wärmeaustauscher
(23) in Richtung des Flammrohrs (24) befördert. Im Verlauf dieses Prozesses wird
die Wärmeabgabe an das Wasser im Tank (13) dadurch unterstützt, daß der
Wärmeaustauscher (23) über längs angeordnete Rippen (28) verfügt, wodurch die
wirksame Erwärmungsfläche vergrößert wird.
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In den am weitesten unten liegenden Abschnitt der U-förmigen Anordnung
wird ein Stopfen (29) aus einem Material eingeschraubt, das im Verhältnis zum
Aluminiumwerkstoff des Wärmeaustauschers eine geringe thermische Leitfähigkeit
aufweist.
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Der Betrieb des kombinierten Boilers entsprechend der vorliegenden
Erfindung läuft wie folgt ab:
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Das Rücklaufwasser aus dem Zentralheizungskreislauf wird vom Rücklaufrohr
(15) über die Zirkulationspumpe (14) und das verlängerte Rücklaufrohr (15a) in den
Tank (13) geleitet und über das Steigrohr (17a) und das Zuleitungsrohr (17) wieder
in den Zentralheizungskreislauf zurückgeführt. Im Tank (13) wird das Wasser der
Zentralheizung durch die direkt darin eingetauchte Anordnung von Brenner (22) und
Wärmeaustauscher (23) erhitzt. Das heiße Wasser im Tank (13) bildet gleichzeitig
die Wärmequelle für das in der Rohrschlange (19) fließende Wasser für
Haushaltszwecke. Wenn vergleichsweise viel Heißwasser für Haushaltszwecke
benötigt wird, kann die Wasserversorgung zum Wohnbereich über das
Zuleitungsrohr (17) mit Hilfe des Dreiwegventils (16) kurzfristig unterbrochen
werden, indem das Ventil (16) die Ausgangsseite der Zirkulationspumpe (14) über
die Bypass-Leitung (18) direkt mit dem Zuleitungsrohr (17) kurzgeschlossen werden.
In diesem Fall wird das Zentralheizungswasser erneut durch die Radiatoren
geschickt und umgeht den Boiler. Unter diesen Bedingungen wird die gesamte durch
den Brenner (22) produzierte Wärme über die jetzt im Tank (13) abgeschlossenen
Wassermenge direkt an die Rohrschlange (19) abgegeben. Da während dieses
Prozesses im Tank (13) keine Zirkulation infolge irgendwelcher Pumpentätigkeit
auftritt, muß für eine schnelle Wärmeübertragung von den Abgasen zur im Tank
abgeschlossenen Wassermenge gesorgt werden. Aus diesem Grund werden im
kombinierten Boiler entsprechend der vorliegenden Erfindung vergleichsweise große
längs angeordnete Rippen (28) eingesetzt, mit denen die wirksame
Erwärmungsoberfläche vergrößert wird. Diese Rippen (28) weisen beispielsweise an
der Abgasseite eine Höhe von 4 bis 5 cm und an der Wasserseite eine Höhe von 1
bis 1,5 cm auf.
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Die Kondensation im Wärmeaustauscher (23) wird dadurch vermieden, daß
bei normalem Betrieb der Stopfen (29) aus einem Material, das eine vergleichsweise
geringe thermische Leitfähigkeit aufweist, eine hohe Temperatur erreicht hat und
diese Temperatur oberhalb von 150 ºC auch bei behält, wenn die Temperatur im
Wärmeaustauscher (23) sinkt, so daß am niedrigsten und damit kältesten Punkt des
U-förmigen Wärmeaustauschers (23) jedes entstehende Kondensat sofort verdampft
wird.
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In einem kombinierten Boiler entsprechend der vorliegenden Erfindung mit
einer Brennerleistung von ungefähr 25 kW, einem Bruttovolumen des Tanks von 35
Litern und einer Wasserverdrängung der Brenner-Wärmeaustauscher-Einheit von
16 Litern, wird bei der Entnahme von Heißwasser für Haushaltszwecke innerhalb der
ersten zwei Minuten die Wassertemperatur von etwa 85 ºC auf etwa 68 ºC absinken.
Im Mischventil (M) kann kaltes Leitungswasser hinzugefügt werden, um die
gewünschte Entnahmetemperatur von 60 ºC zu gewährleisten. Während der
nächsten 12 Minuten sinkt die Entnahmetemperatur auf etwa 60 ºC ab, und nach
und nach muß die Menge des zugesetzten Kaltwassers reduziert werden. Die
Entnahme von Wasser einer Temperatur von 60 ºC kann unbegrenzt fortgesetzt
werden.
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Nach dem Abbruch der Warmwasserentnahme steigt die Temperatur in der
Entnahme-Rohrschlange wieder auf etwa 85 ºC an, bei erneuter Entnahme
wiederholt sich der oben beschriebene Temperaturverlauf.