Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines hybriden Heizgerätes sowie ein hybrides Heizgerät. Ein hybrides Heizgerät im Sinne dieser Erfindung ist ein Heizgerät, das Wärme sowohl aus der Verbrennung eines fossilen Energieträgers wie Erdgas als auch aus einer elektrischen Energiequelle erzeugt und für die Beheizung eines Gebäudes zur Verfügung stellt.

Meist arbeiten Heizgeräte monovalent, d.h. die Wärme wird nur aus einem Energieträger bezogen. Aus ökonomischen und ökologischen Gründen ist dies häufig Erdgas. Aus technischen Gründen ist jedoch der Bereich zwischen minimaler und maximaler Leistung begrenzt, da die für die Gemischbildung benötigten Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft zu gering ist. In der Patentanmeldung EP2735793A2 erfolgt dies durch zusätzliche Vorrichtungsmerkmale in der Gemischbildungseinrichtung.

Dadurch kann zwar der Modulationsbereich nach unten, also im Bereich niedriger Leistungen erweitert werden. Modulationsbereiche bzw. Leistungsverhältnisse zwischen minimaler und maximaler Leistung von 1:20 sind nach dem Stand der Technik sehr gute Werte. Dennoch besteht weiterhin der Bedarf nach Heizgeräten, die einen noch geringeren Bereich abdecken.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem hybriden Heizgerät mit einem Brenner gemäß dem Stand der Technik und einem zusätzlichen elektrischen Heizer nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

Grundsätzlich sind hybride Heizgeräte oder Heizsysteme aus dem Stand der Technik bekannt. Das Gebrauchsmuster DE 9004025 U1 zeigt eine zusätzliche in einem Radiator integrierte elektrische Heizpatrone. Es ist offenbart, dass diese Heizpatrone beim Ausfall des Heizgeräts in Betrieb genommen wird.

Die Offenlegungsschrift DE 3109990 A1 zeigt eine vergleichbare Heizpatrone außerhalb des Radiators, aber auch außerhalb des Heizgerätes. Die DE 3109990 A1 lehrt, die elektrische Heizpatrone bei geringem Heizbedarf zu verwenden. Explizit sind hier die Frostschutzfunktion bei Abwesenheit oder der Betrieb außerhalb der normalen Heizperioden genannt. Auch hier ist ein Entweder-Oder-Betrieb vorgesehen.

Die DE 3325822 A1 zeigt einen Heizkessel mit elektrischer Vorwärmeinrichtung. Diese dient dazu, Kondensation zu vermeiden.

Die Patentanmeldung EP 2 189 729 A2 offenbart ein Verfahren zum Betrieb eine Heizungsanlage mit zwei Wärmeerzeugern, einen für die Grundlast und einen für die Spitzenlast. Die Erfindung richtet sich auf die Koordination der Leistungen beim Zuschalten des Spitzenlast-Wärmeerzeugers. Der Grundlast-Wärmeerzeuger ist eine Wärmepumpe und der Spitzenlast-Wärmeerzeuger ist ein Heizkessel.

Die Patentanmeldung EP 2 615 385 A1 beschreibt ein Verfahren zum Regeln eines Energiewandlers für mehrere Angebote von Wärme- oder Kälteleistung, um mehrere Wärmesenken energieeffizient zu versorgen.

In der Patentanmeldung CA 2 901 659 A1 wird ein Warmwasser-Heizer offenbart, der entweder mit Gas oder elektrisch betreibbar ist.

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2004 029 376 A1 ist ein Heizgerät mit Brenner und Primärwärmetauscher bekannt, bei dem zur Erweiterung des Modulationsbereichs unterhalb der minimalen Leistung des Brenners oder zusätzlich oberhalb des maximalen Leistungsbereichs ein im Vorlauf oder Rücklauf des Wärmeträgermediums vorgesehener elektrischer Zusatzheizer betrieben wird. Der Zusatzheizer wird betrieben, sobald der Wärmebedarf die minimale Leistung des Brenners unterschreitet bzw. die maximale Leistung überschreitet.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines alternativen Verfahrens zum Betreiben eines Heizgeräts mit Brenner und elektrischem Zusatzheizer zum Erweitern des Modulationsbereichs. Insbesondere soll im Übergangsbereich ein häufiges hin- und herschalten zwischen dem Brenner und dem elektrischem Zusatzheizer vermieden werden.

Der aktuelle Wärmebedarf kann beispielsweise durch eine Soll-Vorlauftemperatur des Wärmeträgermediums im Heizkreislauf definiert werden. Bei konstantem Volumenstrom des Wärmeträgermediums, also bei konstanter Drehzahl der Umwälzpumpe besteht eine direkte Proportionalität zwischen dem aktuellen Wärmebedarf und der Soll-Vorlauftemperatur. Nach dem Stand der Technik wird die Soll-Vorlauftemperatur in Abhängigkeit von der Außentemperatur und der gewünschten Raumtemperatur auf der Basis eines mathematischen Gebäudemodells (Heizkurven) ermittelt. Nach dem Stand der Technik passt ein Heizgerät seine Leistung mittels eines Reglers so an, dass die Ist-Vorlauftemperatur der Soll-Vorlauftemperatur entspricht. Daher wird das erfindungsgemäße Verfahren auf der Basis der Vorlauftemperatur durchgeführt. Dabei wird die erste Wärmequelle nicht unterhalb ihrer Minimalleistung betrieben. Für den Fall, dass diese Leistung oberhalb des aktuellen Wärmebedarfs liegt, führt dies zu einem Anstieg der Ist-Vorlauftemperatur. Sobald über einen bestimmten Zeitraum bei Betrieb mit Minimalleistung die Ist-Vorlauftemperatur um einen bestimmten Differenzbetrag oberhalb der Soll-Vorlauftemperatur liegt, wird die erste Wärmequelle abgeschaltet und die zweite Wärmequelle eingeschaltet, die nun die Wärmesenken mit Wärme versorgt. Dabei wird weiterhin die Vorlauftemperatur geregelt.

Steigt nun der Wärmebedarf wieder an, so wird erfindungsgemäß die Umschaltung auf die erste Wärmequelle gemäß Anspruch 2 oder 3 nach zwei alternativen Verfahrensvarianten durchgeführt. Entweder wird die zweite Wärmequelle mit maximal der Minimalleistung oder einer Leistung geringfügig oberhalb der Minimalleistung der ersten Wärmequelle betrieben. Ein erhöhter Wärmebedarf führt zu einem Absinken der Vorlauftemperatur, was nach dem oben beschriebenen Verfahren nach einem Überschreiten eines bestimmten Differenzbetrages über einen bestimmten Zeitraum führt. Dies wird erfindungsgemäß dazu, dass die zweite Wärmequelle abgeschaltet und die erste Wärmequelle eingeschaltet wird. Alternativ kann auch die Leistung der zweiten Wärmequelle über die Minimalleistung der ersten Wärmequelle hinaus erhöht werden. Wird die zweite Wärmequelle über einen bestimmten Zeitraum mit einer Leistung oberhalb der Minimalleistung der ersten Wärmequelle betrieben, führt dies erfindungsgemäß zum Abschalten der zweiten Wärmequelle und zum Einschalten der ersten Wärmequelle.

Bevorzugt sind die Differenzbeträge der Vorlauftemperaturen kleiner 1 K, besonders bevorzugt kleiner 0,5 K.

Die Messzeiträume, innerhalb derer die Temperaturabweichung der Ist-Vorlauftemperatur größer als der Differenzbetrag sein muss, um ein umschalten der Wärmequelle zu bewirken, ist bevorzugt mindestens die Umlaufdauer des Wärmeträgermediums im Heizkreislauf. Unter Umlaufdauer wird die da verstanden, die für ein vollständiges Umwälzen des Wärmeträgermediums im Heizkreislauf benötigt wird. Diese Zeit hängt ab vom Volumenstrom der Umwälzpumpe und vom Gesamtvolumen des Heizkreislaufs.

Die Minimalleistung und die Maximalleistung der ersten Wärmequelle wird bestimmt durch Messgrößen, die ohnehin im System bekannt sind. Dies ist die Drehzahl des Gebläses, ein aus der Drehzahl des Gebläses und der Stromaufnahme des Gebläses berechneter Luftmassenstrom, ein durch ein Volumen- oder Massenstromsensors gemessener Luftmassenstrom.

Eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens ist gemäß dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch geschützt.

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren detailliert erläutert.

Es stellen dar:

• Figur 1: eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens (Stand der Technik)
• Figur 2, 3: Leistungsverlauf der ersten und zweiten Wärmequelle und Vorlauftemperaturabweichungsverlauf während des Durchführens des erfindungsgemäßen Verfahrens

Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Heizgerät 1 umfasst die erste Wärmequelle 3 und die zweite Wärmequelle 4. Die erste Wärmequelle 3 ist ein mit Brenngas betriebener Brenner, dem über ein Gebläse 2 ein Brenngas-Luft-Gemisch zugeführt wird. Über einen hier nicht dargestelltes Abgasrohr werden die Abgase abgeführt. In der Wärmequelle 3 führt die durch die Verbrennung entstehende Wärme auf ein Wärmeträgermedium übertragen, dass in einem Heizkreislauf 11 mithilfe einer Umwälzpumpe 12 zirkuliert. Dabei überträgt das Wärmeträgermedium die Wärme auf eine Wärmesenke 8, beispielsweise eine Heizung für ein Gebäude oder auf eine Wärmesenke 9, beispielsweise ein Warmwasserspeicher für Brauchwasser. Über ein Dreiwegeventil 12 kann der Heizkreislauf 11 so eingestellt werden, dass das erwärmte Wärmeträgermedium entweder durch die Wärmesenke 8 oder durch den Sekundärwärmetauscher 6 geleitet wird, welcher die Wärme auf die Wärmesenke Warmwasserspeicher 9 überträgt.

In Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums ist hinter der ersten Wärmequelle 3 eine zweite Wärmequelle 4 angeordnet. Im vorliegenden Fall handelt es sich um eine elektrische Heizung in Form beispielsweise einer Heizpatrone, die von dem Wärmeträgermedium umspült wird. Die zweite Wärmequelle 4 kann alternierend oder zusammen mit der ersten Wärmequelle 3 Wärme auf das Wärmeträgermedium übertragen. Ein Steuergerät 5 steuert über das Gebläse 2 die Wärmequelle 3 sowie die Wärmequelle 4. Zudem liegt über den Vorlauftemperatursensor 13 dem Steuergerät 5 die Information über die aktuelle Vorlauftemperatur vor. Weiterhin ist das Steuergerät 5 eingerichtet, über einen Außentemperaturfühler 7, die gewählte Raumtemperatur und ein mathematisches Modell des Gebäudes den aktuellen Wärmebedarf vorzugeben. Dies kann beispielsweise in Form einer Soll-Vorlauftemperatur geschehen. Durch Vergleich mit der mittels des Vorlauftemperatursensors gemessenen Ist-Vorlauftemperatur können die erste Wärmequelle 3 und die zweite Wärmequelle 4 angesteuert werden.

Dabei ist die erste Wärmequelle 3 so ausgeführt, dass sie über eine Minimalleistung und eine Maximalleistung verfügt. Die Wärmequelle 3 kann keine Wärme unterhalb der minimalen Leistung liefern, ohne periodisch abgeschaltet zu werden. Aus diesem Grund ist in Reihe hinter die erste Wärmequelle 3 die zweite Wärmequelle 4 geschaltet, die mithilfe elektrischer Energie das Wärmeträgermedium mit geringen Leistungen beheizen kann.

Weiterhin ist es möglich, für hohen Wärmebedarf die erste Wärmequelle 3 und die zweite Wärmequelle 4 gleichzeitig zu betreiben.

Figur 2 und 3 zeigen anhand von grafisch dargestellten Verläufen von Wärmebedarf 101, Abweichung der Vorlauftemperatur 102 und Heizleistungen 103, 104 der ersten 3 und zweiten Wärmequelle 4. Die Figuren 2 und 3 unterscheiden sich durch unterschiedliche Verfahrensvarianten umschalten von der zweiten Wärmequelle 4 auf die erste Wärmequelle 3 zum Zeitpunkt t4. Nachfolgend werden die Figuren 2 und 3 gemeinsam beschrieben und auf Unterschiede hingewiesen.

Die Beschreibung erfolgt anhand eines Wärmebedarfs 101 der zunächst oberhalb der Minimalleistung P_1,min und unterhalb der Maximalleistung P_2,max der ersten Wärmequelle 3 ist. Der Wärmebedarf wird zunächst ausschließlich durch die erste Wärmequelle 3 gedeckt. Der Wärmebedarf singt zunächst kontinuierlich. Zum Zeitpunkt t1 unterschreitet der Wärmebedarf die Minimalleistung P_1,min der ersten Wärmequelle 3. Die Leistung der ersten Wärmequelle 3 kann nicht weiter reduziert werden, so dass die Abweichung der Vorlauftemperatur langsam ansteigt. Die Vorlauftemperatur überschreitet einen ersten Differenzbetrag ΔT₁. Nachdem dieser erste Differenzbetrag ΔT₁ über einen Mindestzeitraum Δt₁ vorliegt, wird zum Zeitpunkt t2 erkannt, dass über eine gewisse Dauer Δt₁ ein niedrigerer Wärmebedarf vorliegt. Die erste Wärmequelle 3 wird abgeschaltet, der Verlauf des Graphen 103 fällt auf Null. Zeitgleich wird die zweite Wärmequelle 4 in Betrieb genommen, so dass der Graph 104 von Null ansteigt. Da bereits eine Übertemperatur der Vorlauftemperatur vorliegt, nähert sich die Leistung der zweiten Wärmequelle 4 nur langsam dem Verlauf des Wärmebedarf an.

Die beschriebenen Schwellwerte in Form des ersten Messeraums Δt₁ und dem ersten Differenzbetrag ΔT₁ dienen dazu, sicherzustellen dass die Umschaltung von der ersten Wärmequelle 3 auf die zweite Wärmequelle 4 nur dann erfolgt, wenn der Wärmebedarf 101 sicher abgesunken ist. Damit wird im Übergangsbereich ein häufiges hin und herschalten zwischen den Wärmequellen 3 und 4 vermieden.

Der Wärmebedarf 101 steigt danach wieder an und überschreitet zum Zeitpunkt t3 die Minimalleistung der ersten Wärmequelle. In dem in Figur 2 gezeigten Verfahren ist die maximale Leistung der zweiten Wärmequelle begrenzt auf die minimale Leistung der ersten Wärmequelle. Alternativ ist es auch möglich, eine Leistungsbegrenzung knapp oberhalb, beispielsweise bei 110 % der Minimalleistung P_1,min der ersten Wärmequelle 3 vorzusehen. Analog zu dem oben beschriebenen Verfahren bei den Zeitpunkten t1 und t2 wird auch bei den Zeitpunkten t3 und t4 erst eine gewisse Zeit abgewartet, in der die Ist-Vorlauftemperatur die Soll-Vorlauftemperatur um den Differenzbetrag ΔT₂ unterschreitet. Dann wird zum Zeitpunkt t4 die zweite Wärmequelle 4 abgeschaltet, so dass der Graph 104 auf Null fällt. Zeitgleich wird die erste Wärmequelle wieder eingeschaltet, so dass der Graph 103 von Null aus ansteigt und zunächst über dem Verlauf des Graphen des Wärmebedarfs 101 hinaus schießt, um die Abweichung der Vorlauftemperatur auszugleichen. Anschließend folgt der Graph 103 der Heizleistung der ersten Wärmequelle 3 dem Graphen 101 des Wärmebedarfs.

Abweichend davon wird in dem Figur 3 gezeigten Verlauf der Heizleistung der zweiten Wärmequelle diese Heizleistung auch weiterhin den Wärmebedarf 101 nachgeführt. Nach dem dritten Mindestzeitraum Δt₃ wird der erhöhte Wärmebedarf erkannt und wie in Figur 2 zum Zeitpunkt t4 die zweite Wärmequelle 4 abgeschaltet und die erste Wärmequelle 3 angeschaltet.

Schließlich überschreitet zum Zeitpunkt t5 der Wärmebedarf 101 die Maximalleistung P_1,max der ersten Wärmequelle 3. in einer optionalen Weiterbildung der Erfindung wird nun zusätzlich zu der ersten Wärmequelle 3 die zweite Wärmequelle 4 betrieben, was an dem ansteigenden Graphen 104 zu erkennen ist. Dabei decken die Leistungen 103 der erste Wärmequelle 3 und 104 der zweiten Wärmequelle 4 in Summe den Wärmebedarf 101.

1

Heizgerät

2

Gebläse

3

Erste Wärmequelle

4

Zweite Wärmequelle

5

Steuergerät

6

Sekundärwärmetauscher

7

Außentemperaturfühler

8

Wärmesenke Heizung

9

Wärmesenke Warmwasserspeicher

10

Dreiwegeventil

11

Heizkreislauf

12

Umwälzpumpe

13

Vorlauftemperatursensor

101

Wärmebedarf

102

Abweichung der Vorlauftemperatur

103

Heizleistung der ersten Wärmequelle

104

Heizleistung der zweiten Wärmequelle

P_1,min

Minimalleistung der ersten Wärmequelle

P_1,max

Maximalleistung der ersten Wärmequelle

ΔT₁

Erster Differenzbetrag der Vorlauftemperatur

ΔT₂

Zweiter Differenzbetrag der Vorlauftemperatur

Δt₁

Erster Messzeitraum

Δt₂

Zweiter Messzeitraum

Δt₃

Dritter Messzeitraum

t1 - t5

Zeitpunkt