[0001] Die Erfindung betrifft Verfahren zur Erwärmung von Wasser variablen Volumenstroms
nach dem Durchlaufprinzip nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 3, bei
denen ein Wärmeerzeuger ein von einer Pumpe in einem Kreislauf gefördertes Heizfluid
erwärmt, das Heizfluid ein im Durchlauf geführtes Wasser erwärmt, und mindestens ein
in einem Wasserweg angeordneter Messfühler eine Auslauftemperatur T
W und/oder einen Volumenstrom V
W des Wassers misst. Ferner betrifft die Erfindung ein Wassererwärmungssystem nach
dem Durchlaufprinzip nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 10 mit einem Wärmeerzeuger,
einem vom Wärmeerzeuger beheizten Heizfluidkreislauf, der von einer Pumpe gefördert
wird, einem vom Heizfluidkreislauf beheizten Wasserdurchlauf und mindestens einem
in einem Wasserweg angeordneten Messfühler zum Erfassen einer Auslauftemperatur T
W und/oder eines Volumenstroms V
W des Wassers.
[0002] Diese Verfahren kommen zum Beispiel in sogenannten Kombinationsheizgeräten zur Anwendung.
Kombinationsheizgeräte können zwei Heizaufgaben lösen, beispielsweise eine Warmwasserheizung
für die Raumerwärmung sowie eine Trinkwarmwasserbereitung für Anwendungen in Küche
und Sanitärbereich. In der Regel erwärmt ein im Heizgerät angeordneter Wärmeerzeuger
(Wärmequelle) über einen Primärwärmetauscher ein im Kreislauf fließendes Heizfluid
(Heizungswasser), das in einem Raumheizungsmodus von einer Pumpe (Umwälzpumpe) von
dem Heizgerät über Vorlauf- und Rücklaufleitungen bis in die zu beheizenden Räume
gefördert wird und dort die Wärme beispielsweise über Raumheizkörper (Verbraucher,
Wärmesenke) an den Raum abgibt. In einem Modus zur Trinkwarmwasserbereitung lenkt
ein Umschaltventil das Heizfluid zu einem oft ebenfalls im Heizgerät angeordneten
Sekundärwärmetauscher (zum Beispiel Plattenwärmetauscher), wo es die Wärme an ein
durchfließendes Trinkwasser überträgt.
[0003] Der Wärmeerzeuger kann ein mit Heizöl oder Erdgas befeuerter Brenner, aber auch ein
mit elektrischer Energie arbeitender Wärmeerzeuger sein. Der Wärmeerzeuger kann seine
Wärmeleistung einschalten und ausschalten sowie in der Regel auch zwischen einer von
Null verschiedenen Minimalleistung und einer Maximalleistung (Nennleistung) modulieren.
Im Trinkwarmwassermodus kann damit Trinkwasser unterschiedlicher Volumenströme erwärmt
werden. Für die Trinkwarmwasserbereitung können über einen Thermostaten, ein Regelgerät
und/oder andere Komponenten eine Trinkwarmwasser-Solltemperatur sowie minimal und
maximal zulässige Auslauftemperaturen vorgegeben werden. Der Betrag einer an den Wärmeerzeuger
gestellten Wärmeanforderung zur Erreichung der Trinkwarmwasser-Solltemperatur ergibt
sich aus dem Trinkwasservolumenstrom, der Temperatur des in den Sekundärwärmetauscher
einlaufenden kalten Trinkwassers (Einlauftemperatur), der Solltemperatur des aus dem
Sekundärwärmetauscher auslaufenden warmen Trinkwassers (Trinkwarmwasser) und der Wirkungsgradkette
für die Wärmeübertragung zwischen Wärmeerzeuger und Trinkwarmwasser.
[0004] Es können nur solche Wärmeanforderungen, die im Bereich zwischen Minimalleistung
und Maximalleistung des Wärmeerzeugers liegen, kontinuierlich und zuverlässig erfüllt
werden. Ist die Wärmeanforderung größer als die maximale Wärmeleistung, so wird entweder
die Solltemperatur oder der Volumenstrom des Trinkwarmwassers nicht erreicht (unterschritten).
Ist die Wärmeanforderung kleiner als die minimale Wärmeleistung, so bleiben der Wärmeerzeuger
und die Umwälzpumpe entweder dauerhaft ausgeschaltet oder sie müssen takten. Der Wärmeerzeuger
geht dann in einen taktenden Betrieb über, wenn bei minimaler Wärmeleistung die gemessene
Wasser-Auslauftemperatur die vorgegebene Wasser-Solltemperatur beziehungsweise die
vorgegebene maximal zulässige Auslauftemperatur überschreitet. Takten bedeutet, dass
der Wärmeerzeuger und/oder die Umwälzpumpe in kurzen Zeitabständen wiederholt einschalten
und ausschalten und so im zeitlichen Durchschnitt gemittelte Wärmeleistungen bereitstellen,
die kleiner als die minimale Wärmeleistung sind.
[0005] Im Taktbetrieb von Wärmeerzeuger und Umwälzpumpe kann die Auslauftemperatur des Trinkwarmwassers
nicht konstant auf Solltemperatur T
W0 gehalten werden, sondern schwankt synchron und eventuell etwas zeitversetzt mit den
Ein- und Austaktungen (Ein-und Ausschaltungen) zwischen einer minimal zulässigen Auslauftemperatur
T
W0,MIN und einer maximal zulässigen Auslauftemperatur T
W0,MAX. Diese minimal und maximal zulässigen Auslauftemperaturen bilden ein zulässiges Solltemperaturintervall
(Hysterese). Da der Wärmeerzeuger selbst bei Minimalleistung gemessen an der Wärmeanforderung
zuviel Wärme erzeugt, steigt die Auslauftemperatur des durch den Sekundärwärmetauscher
fließenden Wassers bei eingeschaltetem Wärmeerzeuger und eingeschalteter Umwälzpumpe
schnell an und erreicht bald die maximal zulässige Auslauftemperatur. Zu diesem Zeitpunkt
werden der Wärmeerzeuger und die Umwälzpumpe durch den Thermostaten oder das Regelgerät
ausgeschaltet, um ein Überschreiten der maximal zulässigen Auslauftemperatur und ein
eventuelles Verbrühen eines Nutzers zu verhindern. Somit strömt anschließend bei ausgeschaltetem
Wärmeerzeuger und ausgeschalteter Umwälzpumpe unerwärmtes, kaltes Wasser aus dem Sekundärwärmetauscher
aus, die Auslauftemperatur fällt schnell und erreicht bald die minimal zulässige Auslauftemperatur,
woraufhin der Wärmeerzeuger und die Umwälzpumpe schließlich wieder einschalten.
[0006] Besonders von Trinkwarmwasserbereitern wird ein hoher Warmwasserkomfort gefordert,
das bedeutet eine möglichst genaue Einhaltung der Trinkwarmwasser-Solltemperatur bei
verschiedenen Trinkwarmwasser-Zapfverläufen. Die einschlägigen Normen prüfen beispielsweise
die Abweichung der Auslauftemperatur von der Solltemperatur bei andauernder Zapfung
mit geringen und hohen Volumenströmen, bei unterbrochener Zapfung mit kürzeren und
längeren Zapfpausen und anderes mehr. Gerade der Taktbetrieb von Wärmeerzeuger und
Umwälzpumpe stellt hinsichtlich der Komfortanforderungen wegen der oben beschriebenen
Schwankungen der Auslauftemperatur einen kritischen Betriebspunkt dar.
[0007] Neben den ungünstigen Auswirkungen eines Taktbetriebes auf den Trinkwarmwasserkomfort
gibt es auch Aspekte der Lebensdauer und Effizienz, die gegen einen Taktbetrieb sprechen.
Ein häufiges Ein- und Ausschalten verringert durch die hohe Anzahl mechanischer und
thermischer Belastungszyklen die Lebensdauer und verkürzt die Wartungsintervalle der
verwendeten Komponenten. Außerdem wird auch die Wärmeübertragungseffizienz durch häufige
und wiederholte Auskühlverluste des Wärmeerzeugers verringert.
[0008] Bei Wärmeanforderungen zur Erwärmung von Wasser, die zwischen einer minimalen und
einer maximalen Wärmeerzeugerwärmeleistung liegen, kann die Solltemperatur im Dauerbetrieb
und ohne Takten von Wärmeerzeuger und Umwälzpumpe erreicht werden. Bei Änderungen
der Wärmeanforderung, wie sie sich beispielsweise aus einer Änderung des Wasservolumenstroms,
der Wassereinlauftemperatur oder der Solltemperatur ergeben, muss sich in gleichem
Maße auch die Wärmeerzeugerwärmeleistung ändern. Sprunghafte Änderungen der Wärmeanforderung
können in aller Regel jedoch nicht sofort, sondern nur zeitverzögert erfüllt werden.
Das liegt an der thermischen Trägheit des aus Wärmeerzeuger, primärem Wärmetauscher,
Heizfluidkreislauf und sekundärem Wärmetauscher bestehenden Wärmeübertragungssystems.
Auch durch die Zeitverzögerung wird der Warmwasserkomfort negativ beeinflusst.
[0009] Der Wärmeerzeuger hat in der Regel eine vorgegebene, nicht überschreitbare Änderungsrate
(Geschwindigkeit), mit der die Leistungsmodulation verändert werden kann. Die Wärmetauscher
haben aufgrund ihrer Masse sowie der spezifischen Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit
des Materials eine thermische Trägheit, die wie ein Wärmespeicher wirkt. Auch der
Heizfluidkreislauf hat aufgrund seines Wasservolumens sowie der Masse und des Materials
der verwendeten Rohrleitungselemente seine thermische Trägheit. Für den Heizfluidkreislauf
sind nach heutigem Stand der Technik zur Trinkwarmwasserbereitung nur zwei Strömungszustände
bekannt: Umwälzung bei nominellem Umwälzvolumen (Heizfluidvolumen) bzw. nomineller
Pumpendrehzahl sowie Null-Umwälzung bei ausgeschalteter Pumpe.
[0010] Ändert sich also die Wärmeanforderung sprunghaft, so wird die an das Wasser übertragene
Wärmeleistung nur zeitverzögert angepasst und wird die Solltemperatur nur zeitverzögert
erreicht. Beispielsweise wird sich bei einer sprunghaften Erhöhung des Wasservolumenstroms
die Wärmeerzeugerwärmeleistung mit der vorgegebenen Änderungsrate solange erhöhen
und das Wärmeübertragungssystem an die neue Wärmeanforderung anpassen, bis die Auslauftemperatur
nach einer anfänglichen Unterschreitung der Solltemperatur und/oder der minimal zulässigen
Auslauftemperatur die Solltemperatur wieder erreicht. Bei einer sprunghaften Verringerung
des Wasservolumenstroms wird dagegen die Auslauftemperatur die Solltemperatur oder
die maximal zulässige Auslauftemperatur anfänglich überschreiten, und zwar solange,
bis sich die Wärmeleistung mit seiner Änderungsrate entsprechend verringert und das
Wärmeübertragungssystem an die neue Wärmeanforderung angepasst hat. Durch schlecht
an die thermische Trägheit des Wärmeübertragungssystems angepasste Parameter eines
der Temperaturregelung zugrundeliegenden Regelungsalgorithmus' kann es auch zu mehreren
Über- und Unterschwingern der Auslauftemperatur gegenüber der Solltemperatur kommen.
[0011] Eine mögliche Lösung zur Gewährleistung eines hohen Trinkwarmwasserkomforts, einer
Schonung der Komponenten und einer Effizienzsteigerung ist die Ausweitung des Leistungsmodulationsbereiches
des Wärmeerzeugers. Heute weit verbreitete Wärmeerzeuger sind beispielsweise Ölbrenner
und Gasbrenner. Sie decken oft einen Leistungsmodulationsbereich von etwa 1 : 4 ab,
das bedeutet, dass sie zwischen 25 % und 100 % ihrer Nennwärmeleistung modulieren
können. Bei Wärmeanforderungen unterhalb von 25 % gehen sie in den taktenden Betrieb
über. Bei einer Ausweitung des Leistungsmodulationsbereiches auf zum Beispiel 1 :
10 können noch deutlich kleinere Wärmeanforderungen ohne Taktbetrieb erfüllt werden.
Diese Erweiterung des Modulationsbereiches erfordert jedoch oft den Einsatz teurer
Komponenten.
[0012] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erwärmung von Wasser
nach dem Durchlaufprinzip und ein Wassererwärmungssystem zu schaffen, die unter weitgehender
Beibehaltung herkömmlicher Komponenten die genannten Nachteile bei geringen und bei
wechselnden Wärmeanforderungen überwinden sowie einen hohen Warmwasserkomfort und
eine verbesserte Betriebsweise hinsichtlich der Komponentenlebensdauer bieten.
[0013] Erfindungsgemäß wird dies durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche
1, 3 und 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
[0014] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erwärmung von Wasser variablen Volumenstroms nach
dem Durchlaufprinzip, bei dem ein Wärmeerzeuger ein von einer Pumpe in einem Kreislauf
umgewälztes Heizfluid erwärmt, das Heizfluid ein im Durchlauf geführtes Wasser erwärmt,
und mindestens ein in einem Wasserweg angeordneter Messfühler eine Auslauftemperatur
T
W und/oder einen Volumenstrom V
W des Wassers misst, basiert darauf, dass die Auslauftemperatur T
W des Wassers anhand einer modulierbaren und/oder schaltbaren Wärmeleistung Q des Wärmeerzeugers
sowie eines modulierbaren und/oder schaltbaren Volumenstroms V
H des Heizfluides auf eine vorgebbare Solltemperatur T
W0 geregelt wird.
[0015] Dabei kann zur Regelung der Auslauftemperatur T
W und bei vorhandener Temperaturabweichung ΔT der Auslauftemperatur T
W von der Solltemperatur T
W0, wobei ΔT = T
W - T
W0, entweder nur die Wärmeerzeugerwärmeleistung Q, oder nur der Heizfluidvolumenstrom
V
H, oder sowohl die Wärmeerzeugerwärmeleistung Q als auch der Heizfluidvolumenstrom
V
H moduliert und/oder geschaltet werden.
[0016] Damit umfasst dieses Verfahren mit dem Heizfluidvolumenstrom V
H neben dem herkömmlichen variablen Parameter der Wärmeleistung Q noch einen zweiten
variablen Parameter, mit dem die Auslauftemperatur T
W beeinflusst und geregelt werden kann. Die Wärmeleistung Q und der Volumenstrom V
H weisen unterschiedliche Trägheiten beziehungsweise Reaktionszeiten beziehungsweise
Änderungsraten auf und können damit auf jeweils unterschiedliche Weise das Wärmeübertragungssystem
an eine gestellte Wärmeanforderung anpassen. Damit kann mit diesem Verfahren schneller
und einer jeweiligen Situation angemessener auf Über- und Unterschwinger der Auslauftemperatur
T
W gegenüber der Solltemperatur T
W0 reagiert werden.
[0017] Erfindungsgemäß wird bei einem taktendem Wärmeerzeugerbetrieb mit abwechselnden Ein-
und Aus-Schaltungen des Wärmeerzeugers, wobei eine Wärmeanforderung zur Erwärmung
des Wassers kleiner als eine minimale, von Null verschiedene Wärmeerzeugerwärmeleistung
Q
MIN ist, die Auslauftemperatur T
W in einem zulässigen Solltemperaturintervall geregelt.
[0018] So schaltet ungefähr zum Zeitpunkt des Erreichens einer minimal zulässigen Auslauftemperatur
T
W0,MIN der Wärmeerzeuger bei einer von Null verschiedenen Wärmeleistung (beispielsweise
Q
MIN) ein, während die Pumpe auf einen niedrigen, von Null verschiedenen Heizfluidvolumenstrom
(beispielsweise V
H,MIN) umschaltet. Wegen des niedrigen Heizfluidvolumenstroms und der damit verbundenen
niedrigen Strömungsgeschwindigkeit ist die Wärmeübertragung vom Wärmeerzeuger über
das Heizfluid auf das Wasser nicht optimal, der Temperaturanstieg im Wasser wird dadurch
gegenüber den Verfahren nach dem Stand der Technik verlangsamt. Die im Wärmeübertragungssystem,
umfassend Wärmeerzeuger, primärer Wärmetauscher, Heizfluid und sekundärer Wärmetauscher,
gespeicherte Wärme nimmt zu.
[0019] Ungefähr zum Zeitpunkt des Erreichens einer maximal zulässigen Auslauftemperatur
T
W0,MAX schaltet der Wärmeerzeuger aus, während die Pumpe auf einen hohen Heizfluidvolumenstrom
(beispielsweise V
H,MAX) umschaltet. Wegen des hohen Heizfluidvolumenstroms und der damit verbundenen hohen
Strömungsgeschwindigkeit ist die Wärmeübertragung vom Wärmeerzeuger über das Heizfluid
auf das Wasser gegenüber dem vorstehend geschilderten Fall nun deutlich verbessert,
der Temperaturabfall im Wasser wird dadurch gegenüber den Verfahren nach dem Stand
der Technik verlangsamt. Die im Wärmeübertragungssystem gespeicherte Wärme nimmt ab.
Der langsamere Temperaturanstieg und Temperaturabfall wird durch eine effektivere
Ausnutzung des Wärmespeichervermögens im Wärmeübertragungssystem ermöglicht. Damit
verlängern sich die Taktfrequenzen des Wärmeerzeugers, wodurch die beteiligten Komponenten
weniger beansprucht, also geschont werden.
[0020] In einer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Einschalten oder Ausschalten des
Wärmeerzeugers jeweils kurz vor oder gleichzeitig mit dem Erreichen der minimal oder
der maximal zulässigen Auslauftemperatur, während das Umschalten der Pumpe auf einen
niedrigen oder hohen Heizfluidvolumenstrom jeweils gleichzeitig mit oder kurz nach
dem Erreichen der minimal oder der maximal zulässigen Auslauftemperatur erfolgt. Die
Größe der zeitlichen Abstände "kurz vor" oder "kurz nach" ergeben sich in Abhängigkeit
der gegebenen (thermischen oder strömungsmechanischen) Trägheiten beziehungsweise
Reaktionszeiten beziehungsweise Änderungsraten der Wärmeerzeugerwärmeleistung und
der Pumpenförderleistung, wobei diese Trägheiten, Reaktionszeiten beziehungsweise
Änderungsraten im wechselwirkenden Zusammenhang mit den jeweils angeschlossenen Systemen
(Übertragung vom Wärmeerzeuger über den Primärwärmetauscher auf den Heizfluidkreislauf
(thermisch) beziehungsweise von der Pumpe auf den Heizfluidkreislauf (mechanisch))
gesehen werden müssen.
[0021] Bei einem Wärmeerzeugerdauerbetrieb, wobei eine Wärmeanforderung zur Erwärmung des
Wassers größer oder gleich einer minimalen Wärmeerzeugerwärmeleistung Q
MIN ist, wird die Auslauftemperatur T
W in einem zulässigen Solltemperaturintervall geregelt. Das zulässige Solltemperaturintervall
im Wärmeerzeugerdauerbetrieb kann identisch sein mit dem zulässigen Solltemperaturintervall
im taktenden Wärmeerzeugerbetrieb oder hiervon abweichen.
[0022] So heizt bei einer beliebigen ersten Wärmeanforderung der Wärmeerzeuger mit einer
der Wärmeanforderung entsprechenden Wärmeleistung, während die Pumpe einen Nenn-Heizfluidvolumenstrom
V
H,NOM fördert.
[0023] Erfindungsgemäß heizt der Wärmeerzeuger bei einer gegenüber der ersten Wärmeanforderung
erhöhten Wärmeanforderung (beispielsweise erhöhter Wasservolumenstrom) mit einer der
erhöhten Wärmeanforderung entsprechenden erhöhten Wärmeleistung, während die Pumpe
zunächst auf einen erhöhten Heizfluidvolumenstrom umschaltet und anschließend wieder
auf den Nenn-Heizfluidvolumenstrom V
H,NOM zurückstellt. Die Erhöhung der Wärmeerzeugerwärmeleistung erfolgt allmählich mit
einer vorgegebenen, endlichen (nicht sprunghaften) Änderungsrate. Bis sich diese erhöhte
Wärmeleistung über die träge Kette des Wärmeübertragungssystems im Wasservolumenstrom
bemerkbar macht, wäre nach den Verfahren nach dem Stand der Technik die Auslauftemperatur
T
W bereits abgefallen (Unterschwinger), um sich erst allmählich wieder der Solltemperatur
anzunähern. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sorgt der schnell erhöhte Heizfluidvolumenstrom
für eine schnell erhöhte Wärmeübertragung auf das Wasser, wodurch ein Abfallen der
Auslauftemperatur T
W verhindert wird. Mit zunehmender Wärmeerzeugerwärmeleistung und Erwärmung auch des
Wärmeübertragungssystems wird die Heizfluidförderleistung allmählich wieder auf den
Nenn-Heizfluidvolumenstrom V
H,NOM zurückgefahren. Die angenommene höchstmögliche Änderungsrate des Heizfluidvolumenstroms
(entspricht in etwa der Drehzahländerungsrate der Pumpe) liegt deutlich höher als
die angenommene höchstmögliche Änderungsrate der Wärmeerzeugerwärmeleistung. Auch
ist die Beeinflussung der Auslauftemperatur T
W durch den vergleichsweise massearmen Sekundärwärmetauscher viel direkter und daher
schneller als durch das komplette, vergleichsweise träge Wärmeübertragungssystem.
Deshalb lässt sich die Auslauftemperatur T
W mittels des Heizfluidvolumenstroms viel schneller korrigieren als mittels der Wärmeleistung.
[0024] Bei einer gegenüber der ersten und/oder der erhöhten Wärmeanforderung verringerten
Wärmeanforderung (beispielsweise verringerter Wasservolumenstrom) heizt der Wärmeerzeuger
mit einer der verringerten Wärmeanforderung entsprechenden verringerten Wärmeleistung,
während die Pumpe zunächst auf einen erniedrigten Heizfluidvolumenstrom umschaltet
und anschließend wieder auf den Nenn-Heizfluidvolumenstrom V
H,NOM zurückstellt. Hier sind die Verhältnisse gegenüber dem vorstehend Geschilderten genau
vertauscht: Die Verringerung der Wärmeerzeugerwärmeleistung erfolgt allmählich mit
einer vorgegebenen, endlichen (nicht sprunghaften) Änderungsrate. Bis sich diese verringerte
Wärmeleistung über die träge Kette des Wärmeübertragungssystems im Wasservolumenstrom
bemerkbar macht, wäre nach den Verfahren nach dem Stand der Technik die Auslauftemperatur
T
W bereits angestiegen (Überschwinger), um sich erst allmählich wieder der Solltemperatur
anzunähern. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sorgt der schnell verringerte Heizfluidvolumenstrom
für eine schnell verringerte Wärmeübertragung auf das Wasser, wodurch ein Ansteigen
der Auslauftemperatur T
W verhindert wird. Mit abnehmender Wärmeerzeugerwärmeleistung und Abkühlung auch des
Wärmeübertragungssystems wird die Heizfluidförderleistung allmählich wieder auf den
Nenn-Heizfluidvolumenstrom V
H,NOM zurückgefahren.
[0025] Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass sich eine erste
Zeitspanne vorgebbarer Dauer zur Beobachtung eines zeitlichen Verlaufs einer aktuellen
Temperaturabweichung ΔT der Auslauftemperatur T
W von der Solltemperatur T
W0 und eine zweite Zeitspanne vorgebbarer Dauer zur Regelung der Auslauftemperatur T
W auf Solltemperatur T
W0 abwechselnd wiederholen. Die Dauer der ersten und zweiten Zeitspanne kann als Festwert
vorgegeben sein oder sich in Abhängigkeit der Temperaturabweichung, des Betriebszustandes
oder anderer Situationen ändern.
[0026] In einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens wird, wenn eine durchschnittliche Temperaturabweichung
ΔT
D über der Zeit den Wert Null annimmt, zur Regelung der Auslauftemperatur T
W nur der Heizfluidvolumenstrom moduliert. Die Dauer einer betrachteten Zeitspanne
darf dabei nicht zu groß sein. Dieser Fall tritt beispielsweise dann ein, wenn der
Wasservolumenstrom leicht um einen Mittelwert schwankt. Die Auslauftemperatur T
W würde bei konstanter Wärmeleistung und konstantem Heizfluidvolumenstrom proportional
zur Wasserdurchflussänderung schwanken. Der Wärmeerzeuger stellt dann die im Mittel
erforderliche Energie zur Erwärmung des Wassers auf Solltemperatur bereit. Mittels
einer angepassten Modulation des Heizfluidvolumenstroms wird erfindungsgemäß immer
die dem momentanen Wasserdurchsatz zugeordnete Wärmemenge im Sekundärwärmetauscher
zur Verfügung gestellt und so die Auslauftemperatur konstant auf Solltemperatur gehalten.
[0027] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird, wenn eine durchschnittliche
Temperaturabweichung ΔT
D über der Zeit einen Wert verschieden von Null annimmt, zur Regelung der Auslauftemperatur
T
W mindestens die Wärmeerzeugerwärmeleistung moduliert. Dies entspricht im Wesentlichen
der herkömmlichen Leistungsmodulation des Wärmeerzeugers, wenn zusätzlich der zeitliche
Verlauf der momentanen Temperaturabweichung ΔT konstant ist. Ist der zeitliche Verlauf
jedoch nicht konstant, so kommt zu der Modulation der Wärmeerzeugerwärmeleistung auch
noch eine Modulation des Heizfluidvolumenstroms hinzu.
[0028] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird, wenn eine aktuelle Temperaturabweichung
ΔT innerhalb einer Zeitspanne vorgebbarer Dauer mindestens zwei Nulldurchgänge aufweist,
zur Regelung der Auslauftemperatur T
W mindestens der Heizfluidvolumenstrom moduliert. Die Auslauftemperatur ist hierbei
mal größer, mal kleiner als die Solltemperatur, was als Indiz dafür gelten kann, dass
sie im Durchschnitt etwa gleich der Solltemperatur ist. Die Regelung der Auslauftemperatur
entspricht ungefähr dem vorstehend geschilderten Fall, bei dem eine durchschnittliche
Temperaturabweichung ΔT
D über der Zeit den Wert Null annimmt.
[0029] In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird zur Regelung der Auslauftemperatur
T
W eine Frequenz F einer Auslauftemperaturschwankung erfasst und mit einer vorgebbaren
Grenzfrequenz F
G verglichen. Bei einer Frequenz F größer als die Grenzfrequenz F
G wird mindestens der Heizfluidvolumenstrom moduliert. Dieser Fall entspricht beispielsweise
kürzerfristigen Schwankungen der Auslauftemperatur um die Solltemperatur. Zur Ausregelung
der Auslauftemperatur muss mindestens der Heizfluidvolumenstrom moduliert werden,
da das komplette träge Wärmeübertragungssystem diesen Änderungen gar nicht "hinterher"
käme. Bei einer Frequenz F kleiner als die Grenzfrequenz F
G wird mindestens die Wärmeerzeugerwärmeleistung moduliert. Dieser Fall entspricht
beispielsweise längerfristigen Schwankungen der Auslauftemperatur um die Solltemperatur.
Zur Ausregelung der Auslauftemperatur reicht dann oft eine Modulation der Wärmeerzeugerwärmeleistung,
da das Wärmeübertragungssystem trotz seiner Trägheit schnell genug ist.
[0030] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet,
dass ein Wertepaar W aus Betrag und Gradient der Temperaturabweichung ΔT erfasst und
mit einem vorgebbaren Grenzwertepaar W
G aus Betrag und Gradient verglichen wird. Liegt ein Wertepaar W mit relativ kleinem
Betrag und relativ großem Gradienten vor, so wird mindestens der Heizfluidvolumenstrom
moduliert wird. In diesem Fall muss die Wärmeerzeugerwärmeleistung wegen des kleinen
Betrages der Abweichung gar nicht groß korrigiert werden, andererseits erfolgt die
Abweichung so schnell (großer Gradient), dass eine Modulation der Wärmeleistung gar
nicht angemessen schnell reagieren könnte, hier kann also (zunächst) nur mittels einer
Modulation des Heizfluidvolumenstromes angemessen reagiert werden. Liegt dagegen ein
Wertepaar W mit relativ großem Betrag und relativ kleinem Gradienten vor, so wird
mindestens die Wärmeerzeugerwärmeleistung moduliert, die bei derart langsamen Änderungen
ausreichend schnell reagieren kann.
[0031] Das erfindungsgemäße Wassererwärmungssystem nach dem Durchlaufprinzip mit einem Wärmeerzeuger,
einem vom Wärmeerzeuger beheizten Heizfluidkreislauf, der von einer Pumpe umgewälzt
wird, einem vom Heizfluidkreislauf beheizten Wasserdurchlauf und mindestens einem
in einem Wasserweg angeordneten Messfühler zum Erfassen einer Auslauftemperatur T
W und/oder eines Volumenstroms V
W des Wassers, ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Auslauftemperatur
T
W auf eine vorgebbare Solltemperatur T
W0 die Wärmeleistung des Wärmeerzeugers und der Volumenstrom des Heizfluidkreislaufs
modulierbar und/oder schaltbar sind.
[0032] Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Wassererwärmungssystems ist gekennzeichnet durch
eine mit dem Wärmeerzeuger, der Pumpe und dem mindestens einen Messfühler verbundene
Reglereinheit, die eine Eingabevorrichtung zur Einstellung von Sollwerten und/oder
Konstanten und/oder Grenzwerten umfasst, die den Betrieb der verbundenen Komponenten
beeinflusst und somit die Auslauftemperatur T
W regelt.
[0033] Mit dieser Erfindung ist ein Verfahren zur Erwärmung von Wasser nach dem Durchlaufprinzip
und ein Wassererwärmungssystem geschaffen, die auch bei geringen und bei wechselnden
Wärmeanforderungen einen hohen Warmwasserkomfort mit geringen Abweichungen der Auslauftemperatur
von der Solltemperatur sowie mit den verlängerten Taktzeiten eine verbesserte Betriebsweise
hinsichtlich der Komponentenlebensdauer bieten.
[0034] Die Zeichnungen stellen verschiedene Aspekte von Ausführungsbeispielen der Erfindung
dar und zeigen in den Figuren:
- Fig. 1
- ein der Erfindung zugrundeliegendes Wassererwärmungssystem,
- Fig. 2
- einen Signalflussplan eines Regelkreises zur Trinkwarmwasserbereitung nach dem Stand
der Technik,
- Fig. 3
- einen Signalflussplan eines Regelkreises zur Trinkwarmwasserbereitung nach der vorliegenden
Erfindung,
- Fig. 4
- beispielhafte Verläufe von typischen Betriebsdaten bei einer unter der minimalen Wärmeerzeugerwärmeleistung
liegenden Wärmeanforderung,
- Fig. 5
- beispielhafte Verläufe von typischen Betriebsdaten bei einer über der minimalen Wärmeerzeugerwärmeleistung
liegenden Wärmeanforderung.
[0035] Fig. 1 zeigt schematisch ein Kombinationsheizgerät für die Raumheizung und Trinkwarmwasserbereitung.
Das Heizgerät umfasst einen Wärmeerzeuger 1 (Wärmequelle), einen vom Wärmeerzeuger
1 über einen Primärwärmetauscher 2 beheizten Heizfluidkreislauf 3, der von einer Pumpe
4 gefördert (umgewälzt) wird, sowie einen an das Heizgerät angeschlossenen Wärmeverbraucher
5, beispielsweise ein Raumheizkörper 5. Das zirkulierende Heizfluid (Wärmeträgermedium)
transportiert die Wärme von der Wärmequelle 1 zum Wärmeverbraucher 5. Für die Trinkwarmwasserbereitung
umfasst das Heizgerät ein nach dem Durchlaufprinzip arbeitendes Wassererwärmungssystem
mit einem vom Heizfluidkreislauf 3 über einen Sekundärwärmetauscher 6 beheizten Wasserdurchlauf
7, mindestens einem in einem Wasserweg 7 angeordneten Messfühler 8, 9, 10 zum Erfassen
einer Auslauftemperatur T
W und/oder einer Einlauftemperatur T
K und/oder eines Volumenstroms V
W des Wassers sowie mindestens einem in einem Heizfluidweg 3 angeordneten Messfühler
11, 12 zum Erfassen einer Vorlauftemperatur T
HV und/oder einer Rücklauftemperatur T
HR des Heizfluides. Zur Regelung der Auslauftemperatur T
W auf eine vorgebbare Solltemperatur T
W0 sind die Wärmeleistung Q des Wärmeerzeugers 1 und der Volumenstrom V
H des Heizfluidkreislaufs 3 modulierbar und/oder schaltbar. Die beiden Heizaufgaben
Raumheizung und Trinkwarmwasserbereitung werden in der Regel nicht gleichzeitig, sondern
jeweils einzeln erfüllt. Dazu wird der Heizfluidkreislauf 3 zwischen den beiden Wärmeverbrauchern
Raumheizkörper 5 und Sekundärwärmetauscher 6 mittels eines Umschaltventils 13 umgeschaltet.
[0036] Fig. 2 zeigt den schematischen Signalflussplan eines Regelkreises zur Trinkwarmwasserbereitung
nach dem Stand der Technik mit der Eingangsgröße (Sollwert) T
W0, der Ausgangsgröße (Auslauftemperatur) T
W, dem Regler R, dem Stellglied (Wärmeerzeuger 1) und der Stellgröße Q. Mit dem Wärmeerzeuger
1 wird die Auslauftemperatur T
W beeinflusst.
[0037] Fig. 3 zeigt den schematischen Signalflussplan eines Regelkreises zur Trinkwarmwasserbereitung
nach der vorliegenden Erfindung mit der Eingangsgröße (Sollwert) T
W0, der Ausgangsgröße (Auslauftemperatur) T
W, dem Regler R, den Stellgliedern (Wärmeerzeuger 1 und Pumpe 4) sowie den Stellgrößen
Q und V
H. Mit dem Wärmeerzeuger 1 und der Pumpe 4 wird die Auslauftemperatur T
W beeinflusst.
[0038] Fig. 4 zeigt beispielhafte Verläufe von typischen Betriebsdaten bei einer unter der
minimalen Wärmeerzeugerwärmeleistung liegenden Wärmeanforderung. Der Wasservolumenstrom
V
W und/oder die erforderliche Temperaturerhöhung von der Einlauftemperatur T
K (Kaltwasser) auf die Solltemperatur T
W0 liegen so niedrig, dass der Wärmeerzeuger takten (ein- und ausschalten) muss. Bei
Erreichen oder kurz vor Erreichen der minimal zulässigen Auslauftemperatur T
W0,MIN wird der Wärmeerzeuger (Q) bei kleiner Wärmeleistung Q
MIN eingeschaltet. Bei Erreichen oder kurz nach Erreichen der minimal zulässigen Auslauftemperatur
T
W0,
MIN wird die Förderleistung der Pumpe auf einen kleinen Heizfluidvolumenstrom V
H,MIN heruntergefahren. Bei Erreichen oder kurz vor Erreichen der maximal zulässigen Auslauftemperatur
T
W0,MAX wird der Wärmeerzeuger ausgeschaltet (Q off). Bei Erreichen oder kurz nach Erreichen
der maximal zulässigen Auslauftemperatur T
W0,
MAX wird die Förderleistung der Pumpe auf einen hohen Heizfluidvolumenstrom V
H,MAX heraufgefahren.
[0039] Fig. 5 zeigt beispielhafte Verläufe von typischen Betriebsdaten bei einer über der
minimalen Wärmeerzeugerwärmeleistung liegenden Wärmeanforderung. Der Wasservolumenstrom
V
W und/oder die erforderliche Temperaturerhöhung von der Einlauftemperatur T
K (Kaltwasser) auf die Solltemperatur T
W0 liegen so hoch, dass die Auslauftemperatur im Wärmeerzeugerdauerbetrieb die Solltemperatur
erreicht. Bei einer plötzlichen Erhöhung der Wärmeanforderung durch eine plötzliche
Erhöhung des Wasservolumenstroms V
W erhöht der Wärmeerzeuger seine Wärmeleistung Q. Jedoch ist die Erhöhung der Wärmeleistung
Q relativ langsam. Bei einem Verfahren nach dem Stand der Technik ohne Pumpenmodulation
(V
H = konstant) würde die Auslauftemperatur T
W stark abfallen (gestrichelte Linie), bis der Wärmeerzeuger und das komplette, träge
Wärmeübertragungssystem (...) eine dem neuen Wasservolumenstrom V
W und der Solltemperatur T
W0 entsprechende Wärmeleistung Q bereitstellt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erhöht
die Pumpe kurzfristig ihre Förderleistung (V
H ≠ konstant) und damit den geförderten Heizfluidvolumenstrom V
H von einem Nenn-Volumenstrom V
H,NOM auf einen erhöhten Wert. Bald darauf und bei inzwischen gestiegener Wärmeleistung
beginnt die Pumpe den Heizfluidvolumenstrom V
H langsam wieder auf den Nenn-Volumenstrom V
H,NOM zu senken. Durch dieses Verfahren ist die auf das Wasser übertragene Wärmeleistung
immer dem sich erhöhenden Wasservolumenstrom V
W und der Solltemperatur T
W0 angepasst, wodurch die Auslauftemperatur T
W bei geringsten Temperaturschwankungen beinah konstant auf der Solltemperatur T
W0 liegt. Bei einer plötzlichen Verringerung der Wärmeanforderung, beispielsweise durch
eine plötzliche Verringerung des Wasservolumenstroms V
W, moduliert die Pumpe ihre Förderleistung kurzfristig auf einen niedrigen Volumenstrom
herunter, um einen ansonsten starken Temperaturanstieg (gestrichelte Linie) zu vermeiden.
Gleichzeitig beginnt auch der Wärmeerzeuger seine Wärmeleistung Q zu verringern. Bald
darauf und bei inzwischen gefallener Wärmeleistung beginnt die Pumpe den Heizfluidvolumenstrom
V
H langsam wieder auf den Nenn-Volumenstrom V
H,NOM anzuheben.
[0040] Die Stellsignale für den Wärmeerzeuger 1 und die Pumpe 4 hinsichtlich der Modulation
der Wärmeleistung Q und des Heizfluidvolumenstrom V
H werden von einem Regelgerät R gegeben, dessen Regelalgorithmus auf Messwerte der
Auslauftemperatur T
W und/oder des Wasservolumenstroms V
W zurückgreift.
1. Verfahren zur Erwärmung von Wasser variablen Volumenstroms nach dem Durchlaufprinzip,
bei dem ein Wärmeerzeuger ein von einer Pumpe in einem Kreislauf gefördertes Heizfluid
erwärmt, das Heizfluid ein im Durchlauf geführtes Wasser erwärmt, und mindestens ein
in einem Wasserweg angeordneter Messfühler eine Auslauftemperatur T
W und/oder einen Volumenstrom V
W des Wassers misst, wobei die Auslauftemperatur T
W des Wassers anhand einer modulierbaren und/oder schaltbaren Wärmeleistung Q des Wärmeerzeugers
sowie eines modulierbaren und/oder schaltbaren Volumenstroms V
H des Heizfluides auf eine vorgebbare Wasser-Solltemperatur T
W0 geregelt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass bei einem taktendem Wärmeerzeugerbetrieb mit abwechselnden Ein- und Aus-Schaltungen
des Wärmeerzeugers, wobei eine Wärmeanforderung zur Erwärmung des Wassers kleiner
als eine minimale, von Null verschiedene Wärmeerzeugerwärmeleistung Q
MIN ist, die Auslauftemperatur T
W geregelt wird, indem
• etwa bei Erreichen einer minimal zulässigen Auslauftemperatur TW0,MIN der Wärmeerzeuger bei einer von Null verschiedenen Wärmeleistung einschaltet und
die Pumpe auf einen niedrigen, von Null verschiedenen Heizfluidvolumenstrom VH,MIN umschaltet, und
• etwa bei Erreichen einer maximal zulässigen Auslauftemperatur TW0,MAX der Wärmeerzeuger ausschaltet und die Pumpe auf einen hohen Heizfluidvolumenstrom
VH,MAX umschaltet.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das Einschalten oder Ausschalten des Wärmeerzeugers jeweils kurz vor oder gleichzeitig
mit dem Erreichen der minimal oder der maximal zulässigen Auslauftemperatur erfolgt,
und das Umschalten der Pumpe auf einen niedrigen oder hohen Heizfluidvolumenstrom
jeweils gleichzeitig mit oder kurz nach dem Erreichen der minimal oder der maximal
zulässigen Auslauftemperatur erfolgt.
3. Verfahren zur Erwärmung von Wasser variablen Volumenstroms nach dem Durchlaufprinzip,
bei dem ein Wärmeerzeuger ein von einer Pumpe in einem Kreislauf gefördertes Heizfluid
erwärmt, das Heizfluid ein im Durchlauf geführtes Wasser erwärmt, und mindestens ein
in einem Wasserweg angeordneter Messfühler eine Auslauftemperatur T
W und/oder einen Volumenstrom V
W des Wassers misst, wobei die Auslauftemperatur T
W des Wassers anhand einer modulierbaren und/oder schaltbaren Wärmeleistung Q des Wärmeerzeugers
sowie eines modulierbaren und/oder schaltbaren Volumenstroms V
H des Heizfluides auf eine vorgebbare Wasser-Solltemperatur T
W0 geregelt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Wärmeerzeugerdauerbetrieb, wobei eine Wärmeanforderung zur Erwärmung des
Wassers größer oder gleich einer minimalen Wärmeerzeugerwärmeleistung Q
MIN ist, die Auslauftemperatur T
W geregelt wird, indem
• bei einer ersten Wärmeanforderung der Wärmeerzeuger mit einer der Wärmeanforderung
entsprechenden Wärmeleistung heizt und die Pumpe einen Nenn-Heizfluidvolumenstrom
VH,NOM fördert, und
• bei gegenüber der ersten Wärmeanforderung erhöhter Wärmeanforderung der Wärmeerzeuger
mit einer der erhöhten Wärmeanforderung entsprechenden erhöhten Wärmeleistung heizt
und die Pumpe zunächst auf einen erhöhten Heizfluidvolumenstrom umschaltet und anschließend
wieder auf den Nenn-Heizfluidvolumenstrom VH,NOM zurückstellt, und
• bei gegenüber der ersten und/oder der erhöhten Wärmeanforderung erniedrigten Wärmeanforderung
der Wärmeerzeuger mit einer der erniedrigten Wärmeanforderung entsprechenden erniedrigten
Wärmeleistung heizt und die Pumpe zunächst auf einen erniedrigten Heizfluidvolumenstrom
umschaltet und anschließend wieder auf den Nenn-Heizfluidvolumenstrom VH,NOM zurückstellt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass sich
• eine erste Zeitspanne vorgebbarer Dauer zur Beobachtung eines zeitlichen Verlaufs
einer aktuellen Temperaturabweichung ΔT, die sich aus der Auslauftemperatur TW und der Solltemperatur TW0 ergibt, wobei ΔT = TW - TW0, und
• eine zweite Zeitspanne vorgebbarer Dauer zur Regelung der Auslauftemperatur TW abwechselnd wiederholen, wobei die Dauer der ersten und zweiten Zeitspanne als Festwert
vorgegeben ist oder sich in Abhängigkeit einer Temperaturabweichung und/oder eines
Betriebszustandes ändert.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Auslauftemperatur TW nur der Heizfluidvolumenstrom moduliert wird, wenn eine durchschnittliche Temperaturabweichung
ΔTD der Auslauftemperatur TW von der Solltemperatur TW0 den Wert Null annimmt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Auslauftemperatur TW mindestens die Wärmeerzeugerwärmeleistung moduliert wird, wenn eine durchschnittliche
Temperaturabweichung ΔTD einen Wert verschieden von Null annimmt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Auslauftemperatur TW mindestens der Heizfluidvolumenstrom moduliert wird, wenn eine Temperaturabweichung
ΔT innerhalb einer Zeitspanne vorgebbarer Dauer mindestens zwei Nulldurchgänge aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz F einer Auslauftemperaturschwankung erfasst und mit einer vorgebbaren
Grenzfrequenz F
G verglichen wird, und dass zur Regelung der Auslauftemperatur T
W
• bei einer Frequenz F größer als die Grenzfrequenz FG mindestens der Heizfluidvolumenstrom VH moduliert wird, und
• bei einer Frequenz F kleiner als die Grenzfrequenz FG mindestens die Wärmeerzeugerwärmeleistung Q moduliert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Wertepaar W aus Betrag und Gradient der Temperaturabweichung ΔT erfasst und mit
einem vorgebbaren Grenzwertepaar W
G aus Betrag und Gradient verglichen wird, und dass zur Regelung der Auslauftemperatur
T
W
• bei einem Wertepaar W mit relativ kleinem Betrag und relativ großem Gradienten mindestens
der Heizfluidvolumenstrom VH moduliert wird, und dass
• bei einem Wertepaar W mit relativ großem Betrag und relativ kleinem Gradienten mindestens
die Wärmeerzeugerwärmeleistung Q moduliert wird.
10. Wassererwärmungssystem nach dem Durchlaufprinzip mit
• einem Wärmeerzeuger,
• einem vom Wärmeerzeuger beheizten, von einer Pumpe im Kreislauf geförderten Heizfluid,
• einem vom Heizfluid beheizten, im Durchlauf geförderten Wasser und
• mindestens einem in einem Wasserweg angeordneten Messfühler zum Erfassen einer Auslauftemperatur
TW und/oder eines Volumenstroms VW des Wassers,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Auslauftemperatur T
W auf eine vorgebbare Solltemperatur T
W0 die Wärmeleistung Q des Wärmeerzeugers und der Volumenstrom V
H des Heizfluidkreislaufs modulierbar und/oder schaltbar sind.
11. Wassererwärmungssystem nach Anspruch 10,
gekennzeichnet durch eine mit dem Wärmeerzeuger, der Pumpe und dem mindestens einen Messfühler verbundene
Reglereinheit,
• die eine Eingabevorrichtung zur Einstellung von Sollwerten und/oder Konstanten und/oder
Grenzwerten umfasst,
• die den Betrieb der verbundenen Komponenten beeinflusst und
• somit die Auslauftemperatur TW regelt.