DE9302040U1 - Kombinierte Solar-Brennstoff-Heizvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine kombinierte Solar-Brennstoff-Heizvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Heizvorrichtung dieser Art zu schaffen, welche äußerst umweltfreundlich und dennoch wirtschaftlich arbeitet.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 vorgesehen.

Da in unseren Breiten eine allein mit Solarkollektoren gespeiste Heizanlage bei trübem Wetter oder im Winter nicht ausreicht, die erforderlichen Temperaturen für die Brauchwasserbereitung und die Wohnraumheizung bereitzustellen, ist es erforderlich, Solar-Heizvorrichtungen durch brennstoffbetriebene Öfen zu unterstützen, solange die zur Verfügung gestellte Solarenergie für das Erreichen der erforderlichen Temperaturen nicht ausreicht. Die hierfür in erster Linie verwendeten Ölheizungen sind jedoch wegen des vergleichsweise teuren und wertvollen Brennstoffes Öl nicht wirtschaftlich genug und belasten auch durch die Abgase die Umwelt.

Aus diesem Grunde schlägt die Erfindung als Unterstützung für die Solarheizung einen besonders wirtschaftlich und umweltschonend arbeitenden Festbrennstoff-Ofen vor, wobei die Wärme für die Zentralheizvorrichtung nicht im Ofen selbst, sondern vielmehr im Rauchgastrakt gewonnen wird. Auf diese Weise kann der Ofen selbst nach optimalen Verbrennungsgesichtspunkten konstruiert werden, ohne daß auf den unmittelbaren Einbau oder Anbau von Wärmetauscherelementen Rücksicht genommen werden muß. Lediglich die Rauchgase des Ofens werden durch einen an geeigneter Stelle angeordneten Wärmetauscher hindurchgeleitet, wobei ausreichend viel Wärme

für beispielsweise die Beheizung eines Einfamilienhauses bereitgestellt werden kann.

Als Festbrennstoffofen für die erfindungsgemäßen Zwecke eignet sich beispielsweise ein Feuerungsofen, wie er in der DE-PS 37 05 153 beschrieben ist.

Für eine besonders wirtschaftliche Verwertung der zum Teil durch die Solarkollektoren, zum Teil durch den Festbrennstoffofen gewonnene Energie ist die Verwendung von mehreren Pufferspeichern nach Anspruch 2 vorteilhaft. Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn die Temperaturniveaus der drei Pufferspeicher gemäß Anspruch 3 abgestuft sind.

Die Regelung der Aufladung der Pufferspeicher erfolgt zweckmäßig nach den Ansprüchen 4, 5 und 8.

Die Entnahme der Wärme für die verschiedenen Heizkreise geht am zweckmäßigsten nach den Ansprüchen 6 und 7 vor sich.

Durch die Ausführungsform nach Anspruch 9 wird erreicht, daß am Beginn des Heizvorganges eine schädliche Kondensatbildung im Rauchgaswärmetauscher vermieden wird.

Erfindungsgemäß handelt es sich also um eine Kombination aus einer Solarheizvorrichtung und einem Kachelofen-Heizeinsatz mit nachgeschaltetem Rauchgaswärmetauscher, wobei durch eine temperaturmäßig differenzierte Beladung von Pufferspeichern zusammen mit dem Kachelofen die Warmwasserbereitung und Beheizung eines Einfamilienhauses bewerkstelligt wird.

Besonders zweckmäßig ist dabei die besondere hydraulische

Verschaltung gemäß vorliegender Erfindung, durch welche mit relativ geringem Steuerungsaufwand und mittels einfacher Differenztemperatursteuerungen eine Steigerung der Effektivität der Gesamtvorrichtung erreicht wird. Die gesteigerte Effektivität kommt insbesondere dadurch zustande, daß die Energieströme von und zu den Pufferspeichern so gelenkt werden, daß eine nachteilige Vermischung der verschiedenen Temperaturniveaus bis zum Verbraucher weitgehend vermieden wird. Weiter erweist es sich als vorteilhaft, daß das Volumen der Pufferspeicher der beiden Wärmequellen (Solarkollektoren/Festbrennstoffofen) je nach Notwendigkeit abwechselnd zur Verfügung steht, so daß die teuren Pufferspeicher doppelt ausgenutzt werden.

Vor allem aber zeichnet sich die erfindungsgemäße Heizvorrichtung durch Schonung der Resourcen und der Umwelt aus. Der Kachelofenheizeinsatz erreicht nämlich durch seine gezielt an die Physik des Verbrennungsprozesses von Holz angepaßte Konstruktion im Dauerbetrieb Emissionswerte, die weit unter denen gleichartiger Produkte liegen. Ein Beispiel für einen derartigen erfindungsgemäß verwendbaren Heizeinsatz entnimmt man der Patentschrift 37 05 153.

Die Sonnenkollektoren werden in zukunftsweisender Technik und sehr effektiv durch ein Vakuum im Kollektorinneren vor Wärmeverlusten geschützt, so daß die Kollektoren sehr leistungsfähig sind und nur aus Metall und Glas bestehen, was nach einer zu erwartenden Lebensdauer von über 2 0 Jahren ein vollständiges Recycling möglich macht.

Der Brennstoff Holz ist ein vollständig regenerativer Energieträger, der bei vernünftiger Bewirtschaftung auf lange Sicht genutzt werden kann, ohne zur Naturzerstörung beizutragen. Holz ist im übrigen ein heimischer Rohstoff, der keine Abhängigkeit von ausländischen Brennstoffen mit

sich bringt. Die Lagerung von Holz ist im Gegensatz etwa zu Erdöl oder Erdgas nicht kritisch und ungefährlich.

Die Nutzung der Sonnenenergie ist vollständig frei von Emissionen, und es fallen keine laufenden Kosten für die Energie selbst an.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen kombinierten Solar-Brennstoff-Heizvorrichtung und

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen mit Holz beheizbaren Festbrennstoffofen, an dem ein Rauchgaswärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet ist.

Nach Fig. 1 sind beispielsweise auf dem Dach eines Hauses angeordnete Solarkollektoren 11 über Flüssigkeitsleitungen 12, 13 mit einem Solarwärmetauscher 19 und einer Wärmetauscherschlange 14 im unteren Teil eines Brauchwasserspeichers 15 verbunden, dem Kaltwasser über eine Leitung zugeführt und von dem,Warmwasser zu einer Leitung 54 abgegeben wird. Eine Pumpe 28 ermöglicht es, ein in dem so gebildeten Solarkreislauf 38 vorhandenes Wärmeübertragungsfluid von den Solarkollektoren 11 zu den Wärmetauschern 14, 19 umlaufen zu lassen.

Im oberen Teil des Brauchwasserspeichers 15 befindet sich eine weitere Wärmetauscherschlange 16, die an einen mit einer Ladepumpe 41 versehenen Brauchwasserheizkreislauf angeschlossen ist, der durch einen Pufferspeicher 25 mit hohem Temperaturniveau und einem Inhalt von 1000 Litern beaufschlagbar ist.

Außer dem Pufferspeicher 25 mit hohem Temperaturniveau sind zwei weitere Pufferspeicher 23, 24 mit niedrigem und mittlerem Temperaturniveau vorgesehen, die ebenfalls einen Inhalt von 1000 Litern haben und miteinander so verbunden sind, daß das in den einzelnen Pufferspeichern vorhandene Wasser von einem zum nächsten Speicher gelangen kann, wenn dies durch die erfindungsgemäß vorgesehene Steuerung für zweckmäßig angesehen wird.

Die Pufferspeicher 23, 24, 25 können zum einen vom Solarwärmetauscher 19 über einen Ausgangskreis 37 aufgeheizt werden, welcher über Umschaltventile 35, 36 die Einspeisung des im Wärmetauscher 19 erwärmten Wassers mittels einer Umlaufpumpe 64 ermöglicht. Die Pumpe 64 und die Umschaltventile 35, 36 werden von einem Regelgerät 30 gesteuert, welches an Temperaturfühler 31, 32, 33 und 34 in den unteren Bereichen der Pufferspeicher 23, 24 und 25 und am Solarkreislauf 38 angeschlossen ist.

Ein zweites Regelgerät 4 2 ist mit Temperaturfühlern 43, 44, 45 an den Solarkollektoren 11, im unteren Teil des Brauchwasserspeichers 15 und im unteren Teil des Pufferspeichers 2 3 mit dem niedrigsten Temperaturniveau verbunden. Das Regelgerät 42 steuert die im Solarkreislauf 38 angeordnete Pumpe 28 an.

Der Pufferspeicher 2 5 mit dem höchsten Temperaturniveau ist über eine Leitung 17 an einen Rauchgaswärmetauscher 2 0 angeschlossen, der nach Fig. 2 am Rauchgasausgang 22 eines mit Holz zu beheizenden Festbrennstoffofens 21 angeordnet ist und am Heizungsrücklaufstutzen 4 6 über eine Pumpe 2 9 (Fig. 1) mit dem Wasser aus dem unteren Teil des Pufferspeichers 24 mit dem mittleren Temperaturniveau über eine Leitung 18 gespeist wird. Die Pumpe 29 wird über einen von einem am

Rauchgaswärmetauscher 20 angeordneten Temperaturfühler 55 beaufschlagten Regler 56 angesteuert. Ein thermostatisches Ventil 63 bewirkt, daß das Wasser im Rauchgaswärmetauscher 20 solange über eine Bypass-Leitung 61 im Kreis geführt wird, bis es sich auf mindestens 60° augeheizt hat. Erst dann gibt das stetig regelnde Thermostatventil 63 den Weg zum Pufferspeicher 25 teilweise frei, so daß über die Leitung 18 kühles Wasser vom Pufferspeicher 24 mit dem mittleren Temperaturniveau nachströmen kann. Damit wird schädliche Kondensatbildung am Rauchgaswärmetauscher 20 verhindert. Der Heizungsvorlaufstutzen 47 (Fig. 2) ist mit der Leitung 17 verbunden, die zum oberen Ende des Pufferspeichers 2 5 mit dem höchsten Temperaturniveau führt.

In dem Rauchgaswärmetauscher 2 0 ist nach Fig. 1 auch noch eine Sicherheitskühlvorrichtung 57 eingebaut, welche über eine Kaltwasserleitung 58 gespeist wird, durch die bei Feststellung einer übermäßigen Temperatur mittels eines Temperaturfühlers 59 und dadurch bedingter Öffnung eines Ventils 60 Kaltwasser zum Wäremtauscher 2 0 fließen kann.

Neben dem Solarkreislauf 38 und dem Ausgangskreis des Solarwärmetauschers 19 ist also auch noch ein Rauchgaswärmetauscherkreislauf 39 vorgesehen.

An die Pufferspeicher 23, 24, 25 sind über geeignete Leitungs- und Ventilverbindungen ein Heizkörperkreis 2 6 und ein Fußbodenheizungskreis 27 angeschlossen.

Die Regelung der beiden Heizungskreise 26, 27 und die Ansteuerung der zugehörigen Mischer 48, 49 erfolgt über eine herkömmliche witterungsgeführte Zweikreis-Vorlauftemperaturregelung 50.

Ein besonders vorteilhaftes Merkmal der beschriebenen kombi-

nierten Solar-Brennstoff-Heizvorrichtung besteht darin, daß zwischen den oberen Bereichen der Pufferspeicher 23, 24 und dem unteren Bereich des unmittelbar folgenden Pufferspeichers 24 bzw. 25 mit höherem Temperaturniveau jeweils zwei Verbindungsrohrleitungen 65, 66 bzw. 67, 68 vorgesehen sind. Hierdurch wird erreicht, daß sich die gegenläufigen Wasserströme durch die Pufferspeicher 23, 24, 25 hindurch nicht gegenseitig blockieren. Das Wasser aus dem Wärmetauscher 2 0 strömt von oben über ein Ventil 74 in den Pufferspeicher 25 ein, strömt dann nach unten, um über die Leitung 67 in den darunterliegenden Pufferspeicher 24 einzutreten. Von dort strömt das Wasser über die Leitung 65 in den unteren Pufferspeicher 23.

Umgekehrt wird das Wasser für die Heizkreisläufe 2 6 bzw. 27 auf der entgegengesetzten Seite (oben rechts in Figur 1) aus den Pufferspeichern 23, 24, 25, entnommen. Das Wasser aus dem Fußbodenheizungskreis 27 strömt dabei über ein Ventil von unten in den Pufferspeicher 2 3 ein und gelangt dann über die Verbindungsleitung 66 in den Pufferspeicher 24, von wo es - nach Erwärmung - über die Ventile 73, 40, 49 wieder dem Fußbodenheizungskreis 27 zugeführt wird. Entsprechend tritt über das Ventil 75 aus dem oberen Pufferspeicher 25 das warme Wasser für den Heizkörperkreis 2 6 aus.

Die weiteren Ventile 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85 sind normalerweise offen und nur zu dem Zweck vorgesehen, daß bei Wartung oder Reparatur eine zeitweise Schließung der Ventile möglich ist.

Die Arbeitsweise der beschriebenen Heizvorrichtung ist wie folgt:

Wenn die Temperatur der im Kollektorkreislauf zirkulierenden Wärmeträgerflüssigkeit höher ist als im Brauchwasserspeicher

-S-

15, wird die Wärmetauscherschlange 14 vorrangig durchströmt. Ansonsten wird die Solarenergie über den Solar-Plattenwärmetauscher 19 in die Pufferspeicher 23, 24, 25 eingespeist, wobei das Regelgerät 30 über die Umschaltventile 35, 36 darüber entscheidet, ob der Pufferspeicher 2 5 mit dem höchsten Temperaturniveau, der Pufferspeicher 24 mit dem mittleren Temperaturniveau oder der Pufferspeicher 2 3 mit dem niedrigsten Temperaturniveau beladen wird.

Die Einspeisung des heißen Wassers vom Rauchgaswärmetauscher 20 erfolgt in derselben Richtung, so daß als erstes wieder der Pufferspeicher 25 beladen wird.

Bei der Entnahme dreht sich innerhalb der drei Pufferspeicher 23, 24, 25 die Strömungsrichtung um, wobei der Heizkörperkreis 2 6 nur aus dem Pufferspeicher 2 5 mit dem höchsten Temperaturniveau gespeist wird. Der Fußbodenheizungskreis 27 entnimmt dagegen vorrangig Heißwasser aus den Speichern 23, 24, kann aber bei nicht mehr ausreichender Versorgung über das Ventil 40 auf den Pufferspeicher 2 5 mit dem höchsten Temperaturniveau umgeschaltet werden.

Zur Brauchwasserbereitung steht neben dem Solarkreislauf über die Ladepumpe 41 der Energieinhalt des Pufferspeichers 25 zur Verfügung (bei Umschichtung innerhalb der Pufferspeicher durch die Pumpe 34 auch der Energieinhalt der anderen beiden Pufferspeicher).

Zur Regelung und zur optimalen Energieverteilung innerhalb der Vorrichtung werden das Dreikreis-Differenztemperatur-Regelgerät 30 und das Zweikreis-Differenztemperatur-Regelgerät 42 und ein Einkreis-Differenztemperatur-Regelgerät verwendet, welches mit Temperaturfühlern 52, 53 im oberen Teil des Pufferspeichers 25 bzw. dem oberen Teil des Brauchwasserspeichers 15 verbunden ist und die Ladepumpe 41 an-

steuert, wenn die Temperatur des Temperaturfühlers 5 2 höher liegt als die des Temperaturfühlers 53.

Ziel der beschriebenen Schaltung- und Regelung ist es, die Wärme für die Brauchwasserbereitung und die Niedertemperaturwärme für die Fußbodenheizung möglichst vollständig durch Solarenergie zur Verfügung zu stellen. Nur in der Kernwinterzeit, wenn zum einen die Solarwärme nicht mehr zur Beheizung ausreicht und zum anderen auch die ansonsten kaum genutzten Heizkörper in Betrieb sind, soll eine variable Anzahl der 1000-1-Pufferspeicher 23, 24, 25 zur Speicherung der Hochtemperaturwärme aus dem Heizregister des Kachelofens 21 dienen. Das restliche Puffervolumen steht weiterhin der Solaranlage zur Verfügung.

Claims (9)

Ansprüche

1. Kombinierte Solar-Brennstoff-Heizvorrichtung mit flüssigkeitsdurchströmten Solarkollektoren (11), die über Flüssigkeitsleitungen (12, 13) und eine Pumpe (28) an eine vorzugsweise im unteren Teil eines Brauchwasserspeichers (15) angeordnete Wärmetauscherschlange (14) angeschlossen sind, wobei sich in dem Brauchwasserspeicher (15) außerdem - vorzugsweise oben - eine weitere Wärmetauscherschlange (16) befindet, die über Leitungen (17, 18) und eine, vorzugsweise zwei weitere Pumpen (29, 41) aufweisende Pumpenanordnung von einem brennstoffgeheizten Behälter (20) mit erwärmter Flüssigkeit versorgt wird,

dadurch gekennzeichnet , daß der Behälter als Rauchgaswärmetauscher (2 0) am Rauchgasausgang (22) eines vorzugsweise mit Holz beheizten Festbrennstoff-Ofens (21), insbesondere Kachelofens ausgebildet ist.

2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens ein und vorzugsweise mehrere Pufferspeicher (23, 24, 25) vorgesehen sind, die wahlweise direkt über den Rauchgaswärmetauscher (20) oder über einen Solar-Wärmetauscher (19) vom Solarkreislauf (38) aufheizbar sind, wobei an die Pufferspeicher (23, 24, 25) ein Heizkörperkreis (26) und/oder ein Fußbodenheizungskreis (27) angeschlossen ist.

3. Heizvorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet , daß drei gestaffelt aufheizbare Pufferspeicher (23, 24, 25) für niedriges, mittleres und hohes Temperaturniveau vorgesehen sind, wobei das Solltemperaturniveau der drei Speicher vorzugsweise bei 70°C, 50°C bzw. 30"C liegt.

4. Heizvorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet , daß ein erstes Regelgerät (3 0) vorgesehen ist, das mit Temperaturfühlern (31, 32, 3 3 und 34) an den Pufferspeichern (23, 24, 25) mit mittlerem bzw. hohem Temperaturniveau sowie im Solarkreis (38) verbunden ist und eine im Ausgangskreis (37) des Solarwarmetauschers (19) vorgesehene Umlaufpumpe (64) sowie zwei den Ausgangskreis (37) wahlweise mit einem der drei Speicher (23, 24, 25) verbindenden Umschaltventile (35, 36) derart ansteuert, daß jeweils derjenige der drei Pufferspeicher (23, 24, 25) vom Solarkreislauf (38) aufgeladen wird, der - je nach der momentanen Leistungsfähigkeit der Solaranlage und der schon erreichten Temperatur im jeweiligen Pufferspeicher - gerade noch beladen werden kann.

5. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Rauchgaswärmetauscherkreislauf (39) zuerst den Pufferspeicher (25) mit dem höchsten Temperaturniveau und dann den Pufferspeicher (24) mit dem nächst niedrigeren Temperaturniveau auflädt, wobei der Pufferspeicher (23) mit dem niedrigsten Temperaturniveau vorzugsweise weiterhin an den Solarkreislauf (38) angeschlossen ist.

6. Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Heizkörperkreis (26) nur vom Pufferspeicher (25) mit dem höchsten Temperaturniveau gespeist wird, der Fußbodenheizungskreis (27) dagegen vorrangig aus den Pufferspeichern (23, 24) mit den niedrigeren Temperaturniveaus, wobei jedoch durch ein Ventil (40) auch der Fußbodenheizungskreis (27) an den Pufferspeicher (25) mit dem höchsten Temperaturniveau angeschlossen werden kann, wenn die Versorgung durch die beiden anderen Pufferspeicher (23, 24) nicht ausreicht.

7. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die weitere Wärmetauscherschlange (16) durch eine Ladepumpe (41) aus dem Pufferspeicher (25) mit dem höchsten Temperaturniveau speisbar ist.

8. Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß ein weiteres Regelgerät (42) vorgesehen ist, welches mit Temperaturfühlern (43, 44, 45) an den Solarkollektoren (11), im unteren Teil des Brauchwasserspeichers (15) und im unteren Teil des Pufferspeichers (23) mit dem niedrigsten Temperaturniveau verbunden ist und die Pumpe (28) für den Solarkreislauf (38) in Betrieb setzt, wenn die Temperatur am Solar-Temperaturfühler (43) höher als an einem der beiden anderen Temperaturfühler (44, 45) ist.

9. Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß parallel zum Rauchgaswärmetauscher (20) eine Bypaß-Leitung (61) und zwischen dem Rauchgaswärmetauscherkreislauf (39) und der Bypaß-Leitung (61) ein thermostatisches

Umschaltventil (63) vorgesehen ist, welches das Wasser im Rauchgaswärmetauscher (20) solange über die Bypaß-Leitung (61) im Kreislauf führt, bis es soweit, insbesondere auf mindestesn 60⁰C aufgeheizt ist, daß eine schädliche Kondensatbildung im Rauchgaswärmetauscher (20) vermieden wird.