DE202007009391U1

DE202007009391U1 - Energiezentrale

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Publication number: DE202007009391U1
Application number: DE202007009391U
Authority: DE
Original assignee: PARABEL GmbH
Current assignee: PARABEL ENERGIESYSTEME GMBH, DE
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2007-06-29
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2017-06-30

Abstract

Energiezentrale (10) mit einem Wärmeerzeuger (24) und einem zugehörigen Wärmeerzeugerkreislauf (20), dessen Vorlaufleitung (20VL) mit einem Pufferspeicher, insbesondere Puffer-Schichtenspeicher (14), in Verbindung steht, der mit mindestens einem Abnehmerkreislauf (16, 18) verbunden ist, wobei die in dem mindestens einen Abnehmerkreislauf (16, 18) benötigte Wärmemenge durch Beladung des Pufferspeichers (14) erfolgt, aus dem der mindestens eine Abnehmerkreislauf (16, 18) die benötigte Wärmemenge entnimmt,
dadurch gekennzeichnet, dass
– die Vorlaufleitung (20VL) zur Optimierung des Betriebes des Wärmeerzeugers (24) in eine erste und zweite Einspeiseleitung (20VL-1, 20VL-2) mündet,
– um sowohl eine direkte Wärmeversorgung des mindestens einen Abnehmerkreislaufes (16, 18) über ein in der zweiten Einspeiseleitung (20VL-2) angeordnetes Umschaltventil (20-1)
– als auch eine Beladung des Pufferspeichers (14) über die erste Einspeiseleitung (20VL-1) in Abhängigkeit einer abnehmerkreislaufabhängigen Ventilstellung eines Heizungsregelventils (16-1), des mindestens einen Abnehmerkreislaufes (16, 18) über ein zwischen Vorlaufleitung (20VL) und der ersten Einspeiseleitung (20VL-1) angeordnetes Überströmventil...

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiezentrale mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
Aus der EP 0 384 423 B1 oder auch der DE 43 01 723 C2 ist es bekannt, Warmwasserspeicher als Warmwasser-Schichtenspeicher auszubilden. In derartigen Warmwasserspeichern wird warmes und insbesondere heißes Wasser bereitgehalten, damit es bei Bedarf entnommen werden kann. Die Entnahme erfolgt, um beispielsweise in einem Wärmetauscher eine Erwärmung von gerade benötigtem Brauchwasser vorzunehmen, wenn dieses etwa in Küche oder Bad angefordert wird oder um beispielsweise direkt einem Heizkreis für die Raumheizung zugeführt zu werden. Das entsprechend dadurch abgekühlte Wasser wird dann in den Warmwasserspeicher zurückgeleitet. Andererseits kann auch erwärmtes Wasser zugeführt werden, beispielsweise aus einem Solarkreislauf.
In dem als Warmwasser-Schichtenspeicher ausgebildeten Raum schichtet sich aufgrund der natürlichen Dichteunterschiede das Wasser so, dass das wärmste Wasser mit der geringsten Dichte sich oben befindet und das kälteste Wasser mit der höchsten Dichte unten. Heißes Wasser kann also oben gezapft werden.
Heute bekannte Anlagen weisen einen Warmwasser-Schichtenspeicher auf, der einerseits von einem Solarwärmeerzeugerkreislauf und andererseits von einem konventionellen Wärmeerzeugerkreislauf beladen wird. Anstatt des konventionellen Wärmeerzeugerkreislaufes kann selbstverständlich auch ein Fernwärmekreislauf als Wärmequelle dienen und am Warmwasser-Schichtenspeicher angeschlossen sein. Die Abnahme erfolgt über mindestens einen Abnehmerkreislauf.
Bei den meisten Anlagen wird zumeist der Warmwasser-Schichtenspeicher über den Vorlauf des konventionellen Wärmeerzeugerkreislaufes direkt beladen. Parallel dazu speist der Solarwärmeerzeugerkreislauf vorhandene Wärme in den Warmwasser-Schichtenspeicher ein. Die Versorgung des Abnehmerkreislaufes [Heizung und/oder Brauchwasser] mit heißem Speicherwasser findet zumeist durch Entnahme über mindestens einen Abnehmerkreislauf aus dem Warmwasser-Schichtenspeicher direkt statt.
Diese Vorgehensweise hat insbesondere den Nachteil, dass eine direkte regelungstechnische Abstimmung zwischen dem konventionellen Wärmeerzeugerkreislauf und dem mindestens einen Abnehmerkreislauf nicht erfolgt, da stets der Warmwasser-Schichtenspeicher zwischengeschaltet ist.
Dies hat zur Folge, dass in nicht effizienter Weise stets zuerst eine bestimmte Wärmemenge an den Warmwasser-Schichtenspeicher abgegeben wird, die gegebenenfalls über einen anderen Kreislauf, beispielsweise den Solarwärmeerzeugerkreislauf, eingespeist werden könnte.
Ferner ergibt sich insbesondere im sommerlichen Teillastbetrieb, bei dem die Abnahme des Abnehmerkreislaufes gering ist und zudem stark schwankt, dass der Wärmeerzeuger des konventionellen Wärmeerzeugerkreislaufes in einen „Taktbetrieb" übergeht, bei dem er je nach Wärmeabnahme des Abnehmerkreislaufes taktet, also ein- und ausgeschaltet wird. Diese Fahrweise ist aus ökonomischen und umwelttechnischen Gründen ineffizient.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energiezentrale mit einer Anordnung von Armaturen und Leitungen anzubieten, mittels denen die Abnahme der im Wärmeerzeugerkreislauf erzeugten Wärmemenge auf die Abnahme im Abnehmerkreislaufes abstimmbar ist, wobei erreicht werden soll, dass stets eine ausreichende Versorgung des als Warmwasserspeicher oder Pufferspeicher bezeichneten Wärmespeichers gewährleistet ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird ausgehend von einer Energiezentrale mit einem Wärmeerzeuger und einem zugehörigen Wärmeerzeugerkreislauf, dessen Vorlaufleitung mit einem Pufferspeicher, insbesondere Puffer-Schichtenspeicher, in Verbindung steht, der mit mindestens einem Abnehmerkreislauf verbunden ist, wobei die in dem mindestens einen Abnehmerkreislauf benötigte Wärmemenge durch Beladung des Pufferspeichers erfolgt, aus dem der mindestens eine Abnehmerkreislauf die benötigte Wärmemenge entnimmt, dadurch gelöst, dass die Vorlaufleitung zur Optimierung des Betriebes des Wärmeerzeugers in eine erste und zweite Einspeiseleitung mündet, um sowohl eine direkte Wärmeversorgung des mindestens einen Abnehmerkreislaufes über ein in der zweiten Einspeiseleitung angeordnetes Umschaltventil als auch eine Beladung des Pufferspeichers über die erste Einspeise leitung in Abhängigkeit einer abnehmerkreislaufabhängigen Ventilstellung eines Heizungsregelventils des mindestens einen Abnehmerkreislaufes über ein zwischen Vorlaufleitung und der ersten Einspeiseleitung angeordnetes Überströmventil, welches sich in Abhängigkeit eines sich an diesem Überströmventil ausbildenden Differenzdruckes öffnet und schließt, zu gewährleisten, so dass in einem Teillastbetrieb des Abnehmerkreislaufes eine Wärmeabgabe an den Pufferspeicher über die erste Einspeiseleitung erfolgt, wodurch eine Verlängerung der Laufzeit des Wärmerzeugers realisierbar und eine Taktung des Wärmerzeugers vermeidbar ist. Hierdurch ist insgesamt eine effizientere Fahrweise der Energiezentrale erreichbar.
Die Beladung über die erste Einspeiseleitung des Pufferspeichers, der bevorzugt als Pufferschichtenspeicher ausgebildet ist, erfolgt bevorzugt im oberen definierten Volumenbereich des Pufferspeichers.
Dabei erfolgt die Beladung des Pufferspeichers über die erste Einspeiseleitung in Abhängigkeit der abnehmerkreislaufabhängigen Ventilstellung des Heizungsregelventils des mindestens einen Abnehmerkreislaufes über das zwischen Vorlaufleitung und der ersten Einspeiseleitung angeordnete Überströmventil so lange, bis an einem im oberen Bereich des Pufferspeichers angeordneten Temperaturfühler ein vorgebbarer Schwellenwert erreicht ist, wonach eine Umschaltung des Umschaltventils erfolgt, eine Entnahmeleitung des Pufferspeichers zu dem mindestens einen Abnehmerkreislaufes geöffnet wird, wobei gleichzeitig eine Abschaltung des Wärmeerzeugers bewirkbar ist.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist das Überströmventil ein mit oder ohne Fremdenergie gesteuertes Ventil.
Ist das Überströmventil ein ohne Fremdenergie gesteuertes Ventil, wird die Anlage in diesem Leitungsbereich der Energiezentrale in Abhängigkeit eines sich an diesem Überströmventil ausbildenden Differenzdruckes gefahren, wobei sich das Ventil mit steigendem Differenzdruck öffnet und mit fallendem Differenzdruck wieder schließt.
Ist das Überströmventil ein mit Fremdenergie gesteuertes Ventil, wird es gemeinsam mit den weiteren anzusteuernden und/oder zu regelnden Armaturen der Energiezentrale in einem Steuer- und Regelsystem der Energiezentrale mit einem, wie bei dem energiefreien Heizungsregelventil entstehenden Regelverhalten analog eingebunden.
Bevorzugt weist die Energiezentrale neben dem konventionellen Wärmeerzeugerkreislauf einen weiteren Wärmeerzeugerkreislauf als Solarwärmeerzeugerkreislauf auf, mittels dem der Pufferspeicher ebenfalls mit Wärmeenergie beladbar ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles und den zugehörigen Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Energiezentrale;
2 ein Schaltschema der Energiezentrale.
Die 1 zeigt in einer prinzipiellen Übersicht ein mögliches Ausführungsbeispiel einer Energiezentrale 10, in welcher ein zugehöriges Steuerverfahren für einen Kessel 24 ausführbar ist.
Die Energiezentrale 10 umfasst einen Wärmerzeugerkreislauf 20 und mindestens einen Abnehmerkreislauf 16, 18. Als Abnehmerkreislauf 16 ist beispielsweise ein Heizungskreislauf und als Abnehmerkreislauf 18 beispielsweise ein Brauchwasserkreislauf an die Energiezentrale 10 angeschlossen.
Zusätzlich kann an die Energiezentrale 10 ein weiterer Wärmeerzeugerkreislauf, ein Solarwärmeerzeugerkreislauf 12, angeschlossen sein.
Im Zentrum einer Energiezentrale 10 ist in der Regel stets ein Pufferspeicher 14 angeordnet, der als Bindeglied zwischen dem optional angeordneten Solarwärmeerzeugerkreislauf 12, dem Wärmeerzeugerkreislauf 20 mit einem Wärmeerzeuger 24 und dem mindestens einen Abnehmerkreislauf 16, 18 fungiert.
Aus 2 wird die zentrale Anordnung des Pufferspeichers 14 ersichtlich, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Pufferschichtenspeicher 14 ausgeführt ist.
Das Schaltschema zeigt den optional anordbaren Solarwärmeerzeugerkreislauf 12, den Wärmeerzeugerkreislauf 20, der über einen Kessel 24 als konventioneller Wärmeerzeuger neben der Solaranlage zur Erzeugung der Wärmemenge innerhalb der Energiezentrale 10 dient.
Das Schaltschema zeigt ebenfalls detailliert den Abnehmerkreislauf 16 als Heizkreislauf und den Abnehmerkreislauf 18 als Brauchwasserkreislauf.
Die in der Energiezentrale 10 angeordnete Leitungsführung und die dazu notwendigen Armaturen sind im Ausführungsbeispiel zwischen dem Wärmeerzeugerkreislauf 20 und dem Abnehmerkreislauf 16, einem Heizkreislauf, vorgesehen.
Diese Anordnung der Leitungen und Armaturen kann jedoch gleichermaßen zwischen dem Wärmeerzeugerkreislauf 20 und dem Abnehmerkreislauf 18, dem Brauchwasserkreislauf, angeordnet werden, wobei ferner die Möglichkeit besteht, beide Abnehmerkreisläufe 16, 18 über eine zusätzlich anzuschließende Verbindungsleitung so zu steuern, dass beide Abnehmerkreisläufe 16, 18 analog zu dem nachfolgend beschriebenen Verfahren fahrbar sind.
Der Übersichtlichkeit halber wird jedoch das erfindungsgemäße Verfahren nur anhand der Schaltung zwischen Wärmeerzeugerkreislauf 20 und Abnehmerkreislauf 16, dem Heizkreislauf, beschrieben.
In einem Volllastbetrieb des Heizkreislaufes 16 ist das Heizungsregelventil 16-1 geöffnet und der Weg 16-1/A-AB geöffnet. Die Wärmeversorgung des Heizkreislaufes 16 erfolgt über eine Vorlaufleitung 20VL und ein Umschaltventil 20-1, welches in diesem Betriebszustand über den Weg 20-1/A-B über eine zweite Einspeiseleitung 20VL-2 in den Heizungskreislauf 16 als Abnehmerkreislauf geschaltet ist.
Das Überströmventil 20-2 ist in diesem Betriebszustand vollständig geschlossen.
Insbesondere im Teillastbetrieb, bei der die Abnahme im Heizkreislauf 16 gering ist beziehungsweise stark schwankt, käme es nach dem Stand der Technik mit dieser Schaltung durch die Schwankungen, insbesondere im Bereich geringer Wärmeabnahme, zum Taktbetrieb des Kessels 24.
Diese Taktung führt zu erheblichen Verschlechterungen des Kesselnutzungsgrades durch ständiges Aus- und Einschalten „Taktung" des Wärmeerzeugers 24.
Zur Vermeidung der Taktung des Kessels 24 wird die Vorlaufleitung 20VL in eine erste Einspeiseleitung 20VL-1 und in die zweite Einspeiseleitung 20VL-2 aufgeteilt. Die erste Einspeiseleitung 20VL-1 weist ein Überströmventil 20-2 auf, wobei die erste Einspeiseleitung 20VL-1 im Pufferspeicher 14, insbesondere im oberen Volumenbereich des Pufferspeichers 14 endet. Die zweite Einspeiseleitung 20VL-2 verläuft zum Umschaltventil 20-1.
Das Überströmventil 20-2 ist im Volllast-Betriebszustand zunächst vollständig geschlossen.
Bei dem erwähnten hinsichtlich der Fahrweise der Energiezentrale schwierigeren Teillastbetrieb wird sich das Heizungsregelventil 16-1 ausgehend vom Volllastbetrieb aus seiner Stellung mit dem Weg 16-1/A-AB schließen und den Weg 16-1/A-B zumindest teilweise öffnen. Durch das Öffnen des Weges 16-1/A-B ändert sich der Druck vor dem Überströmventil 20-2 in der Vorlaufleitung 20VL.
Durch den sich dadurch vor dem Überströmventil 20-2 aufbauenden Druck wird somit in Abhängigkeit der abnehmerkreislaufabhängigen Ventilstellung des Heizungsregelventils 16-1 die erste Einspeiseleitung 20VL-1 geöffnet, so dass eine Beladung des Pufferspeichers 14 in Abhängigkeit des sich an dem Überströmventil 20-1 ausbildenden Differenzdruckes Δp gewährleistet ist.
Der jeweilige Differenzdruck Δp bildet sich zwischen Kesselpumpen Saug- und Druckseite aus, wobei dieser Differenzdruck gleichermaßen an der Vorlaufleitung 20VL beziehungsweise der ersten Einspeiseleitung 20VL-1 vor und hinter dem Überströmventil 20-1 anliegt (siehe 2). Der dazwischen geschaltete Pufferspeicher 14 ändert daran an den Differenzdruckverhältnissen nichts.
Die Beladung des Pufferspeichers 14 in Abhängigkeit der abnehmerkreislaufabhängigen Ventilstellung des Heizungsregelventils 16-1 im Heizkreislauf 16 über das zwischen Vorlaufleitung 20VL und der ersten Einspeiseleitung 20VL-1 angeordnete Überströmventil 20-2 erfolgt so lange, bis an einem Temperaturfühler ts6 ein vorgebbarer Schwellenwert erreicht ist.
Dieser vorgebbare Schwellenwert ts6 wird außentemperaturabhängig über die Vorlauftemperatur des Heizkreislaufes 16 gebildet. Bei Erreichen des vorgebbaren Schwellenwertes erfolgt eine Umschaltung des Umschaltventils 20-1, wodurch eine Entnahmeleitung 16VL-1 ausgehend vom Pufferspeicher 14 zum Heizkreislauf 16 hin geöffnet wird. Gleichzeitig erfolgt die Abschaltung des Wärmeerzeugers 24 und das Überströmventil 20-2 schließt, da ein vorlaufseitiger Differenzdruck aus der Vorlaufleitung 20VL, der höher ist als der Druck hinter dem Überströmventil 20-2, nicht mehr anliegt. Die Wärmeenergie wird aus dem Pufferspeicher 14 entnommen und der Vorgang beginnt von neuem, sobald die Energiezentrale 10 wieder auf Teillastbetrieb oder aus einem Volllastbetrieb in den Teillastbetrieb umschaltet. Die Umschaltung erfolgt mittels des Umschaltventils 20-1 vom Weg 20-1/AB-B zum Weg 20-1/A-B und Zuschaltung des Wärmeerzeugers 24.
Die Steuerung und Regelung der Energiezentrale erfolgt über ein in 1 prinzipiell dargestelltes Steuer- und Regelsystem 22.

10: Energiezentrale
12: Solarwärmeerzeugerkreislauf
14: Pufferspeicher [Pufferschichtenspeicher]
14A: oberer Volumenbereich des Pufferspeichers
16: Abnehmerkreislauf [Heizungskreislauf]
16-1: Heizungsregelventil
16-1/A-AB: Heizbetrieb
16-1/A-B: Heizbetrieb Teillast
16VL-1: Entnahmeleitung aus Pufferspeicher
18: Abnehmerkreislauf [Brauchwasserkreislauf]
20: Wärmeerzeugerkreislauf [konventioneller Kessel]
20-1/A-B: Umschaltventil Heizbetrieb über Wärmeerzeuger [Kessel]
20-1/AB-B: Umschaltventil Heizbetrieb Teillast aus Pufferspeicher
20-2: Überströmventil
20VL: Vorlaufleitung Wärmeerzeugerkreislauf
20VL-1: erste Einspeiseleitung [Wärmeerzeuger zu Pufferspeicher]
20VL-2: zweite Einspeiseleitung [Wärmeerzeuger zu Heizungskreislauf]
22: Steuer- und Regelsystem
24: Wärmeerzeuger
Δp: Differenzdruck

Claims

Energiezentrale (10) mit einem Wärmeerzeuger (24) und einem zugehörigen Wärmeerzeugerkreislauf (20), dessen Vorlaufleitung (20VL) mit einem Pufferspeicher, insbesondere Puffer-Schichtenspeicher (14), in Verbindung steht, der mit mindestens einem Abnehmerkreislauf (16, 18) verbunden ist, wobei die in dem mindestens einen Abnehmerkreislauf (16, 18) benötigte Wärmemenge durch Beladung des Pufferspeichers (14) erfolgt, aus dem der mindestens eine Abnehmerkreislauf (16, 18) die benötigte Wärmemenge entnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass – die Vorlaufleitung (20VL) zur Optimierung des Betriebes des Wärmeerzeugers (24) in eine erste und zweite Einspeiseleitung (20VL-1, 20VL-2) mündet, – um sowohl eine direkte Wärmeversorgung des mindestens einen Abnehmerkreislaufes (16, 18) über ein in der zweiten Einspeiseleitung (20VL-2) angeordnetes Umschaltventil (20-1) – als auch eine Beladung des Pufferspeichers (14) über die erste Einspeiseleitung (20VL-1) in Abhängigkeit einer abnehmerkreislaufabhängigen Ventilstellung eines Heizungsregelventils (16-1), des mindestens einen Abnehmerkreislaufes (16, 18) über ein zwischen Vorlaufleitung (20VL) und der ersten Einspeiseleitung (20VL-1) angeordnetes Überströmventil (20-1), welches sich in Abhängigkeit eines sich an diesem Überströmventil (20-1) ausbildenden Differenzdruckes (Δp) öffnet und schließt, zu gewährleisten, so dass in einem Teillastbetrieb des Abnehmerkreislaufes (16, 18) eine Wärmeabgabe an den Pufferspeicher (14) erfolgt, wodurch eine Verlängerung der Laufzeit realisierbar und eine Taktung des Wärmerzeugers (24) vermeidbar ist.
Energiezentrale (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beladung des Pufferspeichers (14) über die erste Einspeiseleitung (20VL-1) im oberen definierten Volumenbereich des Pufferspeichers (14) erfolgt.
Energiezentrale (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beladung des Pufferspeichers (14) über die erste Einspeiseleitung (20VL-1) in Abhängigkeit der abnehmerkreislaufabhängigen Ventilstellung des Heizungsregelventils (16-1) des mindestens einen Abnehmerkreislaufes (16, 18) über das zwischen Vorlaufleitung (20VL) und der ersten Einspeiseleitung (20VL-1) angeordnete Überströmventil (20-1) so lange vornehmbar ist, bis an einem Temperaturfühler (ts6) ein vorgebbarer Schwellenwert erreicht ist, wonach eine Umschaltung des Umschaltventils (20-1) erfolgt, eine Entnahmeleitung (16VL-1) zu dem mindestens einen Abnehmerkreislaufes (16, 18) geöffnet wird, wobei gleichzeitig eine Abschaltung des Wärmeerzeugers (24) bewirkbar ist.
Energiezentrale (10) nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Überströmventil (20-1) ein mit oder ohne Fremdenergie gesteuertes Ventil ist.
Energiezentrale (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Überströmventil (20-1) gemeinsam mit den weiteren Armaturen der Energiezentrale (10) als mit Fremdenergie gesteuertes Ventil in ein Steuer- und Regelsystem (22) der Energiezentrale (10) eingebunden ist.
Energiezentrale (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferspeicher (14) neben dem konventionellen Wärmeerzeugerkreislauf (20) durch einen Solarwärmeerzeugerkreislauf (12) beladbar ist.