MessestadtRiem wurde ein innovatives TWES mit sehr niedrigen Rücklauftemperaturen entwickelt. Das Grundprinzip, für das von der Hochschule München patentierte TWES, basiert auf einem Frischwassersystem mit Heizungspufferspeicher. Die Optimierungsmaßnahmen zielen vor allem auf die fortwährende Zirkulationsnachheizung ab. Das dabei noch warme Heizungswasser, welches auf hohem Temperaturniveau anfällt, wird getrennt von der eigentlichen Trinkwasser-erwärmung in den Pufferspeicher eingeschichtet und nicht direkt zum Wärmeerzeuger zurückgeführt. Um diese eingelagerte Wärmeenergie zu Spitzenlastzeiten wieder verwenden zu können, erfolgt die Pufferspeicherbeladung mit höherer Temperatur als zur Trinkwasser-erwärmung notwendig ist und wird somit wieder auf ein nutzbares Temperaturniveau angehoben.
Über das Frischwassersystem erfährt das Heizungswasser eine starke Auskühlung und wird in den unteren Pufferspeicherbereich eingeschichtet. Von dort gelangt es zum Wärmeerzeuger. Die Wiederverwendung der zwischengespeicherten Energie aus der Zirkulationsnachheizung und die bevorratete Energie im Pufferspeicher bewirken eine Lastglättung zwischen der Trinkwasser-erwärmung und der erforderlichen Wärmeerzeugerleistung. Es findet somit eine stetige Pufferspeicherbeladung mit geringer Wärmeleistung statt, die letztendlich zur angestrebten Rücklaufauskühlung führt.
Das bisher beschriebene Funktionsprinzip ist unabhängig vom Energieträger und bietet damit für zahlreiche Anwendungsfälle in der Trinkwassererwärmung (z.B. Wohngebäude, Hotels, Sport-heime) eine Art Universallösung. Zur Pufferspeicherbeladung eignen sich alle Standard-Wärme-erzeuger, die dauerhaft mit einer Vorlauftemperatur von mindestens 70 °C betrieben werden können.
In Fernwärmenetzen reduziert das TWES die notwendige Anschlussleistung und hält je nach Betriebszustand die vertragliche Fernwärmerücklauftemperatur ein. Im Bereich der Brennwert-technik führt die niedrige Rücklauftemperatur zu einer erhöhten Abgaskondensation, die sich in der Brennstoffeinsparung aufgrund der Wirkungsgradsteigerung äußert. Die Lastglättung erzeugt lange Laufzeiten der Wärmeerzeuger und eignet sich bestens für den Einsatz von BHKW-Anlagen.
Der Pufferspeicher, der gleichzeitig die Funktionen einer hydraulischen Weiche und Energie-zentrale übernimmt, ermöglicht zudem die Einbindung einer thermischen Solaranlage in Kombination mit konventionellen Wärmeerzeugern.
Mit einem Frischwassermodul werden die bestmöglichen Hygienebedingungen erreicht, da Stagnation durch bevorratetes Trinkwarmwasser vermieden wird. Gleichzeitig lassen sich durch die getrennte Zirkulationsnachheizung Temperaturschwankungen bei der Warmwasserbereitung ausgleichen und höchste Komfortansprüche erfüllen. Das Frischwassermodul ist im Gegensatz zu Trinkwasserspeichern auch für höhere Betriebsdrücke geeignet und kann problemlos in Hochhäusern eingesetzt werden.
Die modulare Bauweise aus Wärmeerzeuger, Pufferspeicher und Frischwassermodul ermöglicht eine individuelle Auslegung entsprechend der gegebenen Anforderungen. Im TWES sind ausschließlich handelsübliche Standardkomponenten verbaut, um die Investitions- und Instand-haltungskosten so gering wie möglich zu halten.
Gegenüber dem Standard-Durchflusssystem in Kapitel 3.4.3 werden folgende Optimierungsmaß-nahmen vorgenommen:
Trennung von Trinkwassererwärmung und Zirkulationsnachheizung und deren gesonderte Einschichtung in einen Pufferspeicher
Wiederverwendung der im Pufferspeicher eingeschichteten Wärmeenergie aus der Zirkulationsnachheizung
Dem Frischwassermodul wird eine Auskühlstufe für eine dauerhaft niedrige Rücklauf-temperatur und zur Reduzierung der VorlaufRücklauf-temperatur nachgeschaltet
6.2.1 Schema und Funktionsbeschreibung für die Anschlussart Fernwärme
Für den Anschluss an ein Fernwärmenetz wird das aus einem Frischwassermodul und Heizungs-pufferspeicher bestehende Trinkwassererwärmungssystem um eine Fernwärmeübergabestation zur Wärmeversorgung ergänzt. Unter gewissen Voraussetzungen kann die Übergabestation entfallen und der Pufferspeicher direkt angeschlossen werden (siehe Kapitel 7.2.1.1).
Abbildung 6.1 zeigt das Funktionsschema der Hausstation bestehend aus dem optimierten Trink-wassererwärmungssystem, Heizkreis zur Gebäudebeheizung mit optionaler Heizkreiseinbidung und der Fernwärmeübergabestation für den indirekten Anschluss an die Fernwärmeversorgung.
Die zur Funktionsbeschreibung erforderlichen Bauteile sind nummeriert und bezeichnet, die regelungs- und sicherheitstechnischen Einrichtungen sind ebenfalls ohne Anspruch auf Vollständigkeit abgebildet. Die wichtigsten verwendeten Komponenten sind in der Tabelle A.11 im Anhang zu finden.
Messtechnische Untersuchung
Abb. 6.1: Schema des innovativen Trinkwassererwärmungssystems für die Anschlussart Fernwärme
Eine Differenzenregelung sorgt dafür, dass der Pufferspeicher (9) stets mit der höchstmöglichen zur Verfügung stehender Temperatur beladen wird und begrenzt diese auf die maximale Betriebs-temperatur. Dazu wird über das Fernwärmeventil (2) der primäre Durchfluss so geregelt, dass sich eine sekundäre Austrittstemperatur aus dem obersten Wärmeübertrager (4) von ca. 3 K unterhalb der Fernwärmevorlauftemperatur einstellt (empfohlene Wärmeübertragerauslegung, siehe Anhang 9.7.3.2). Die Pufferladetemperatur kann je nach Fernwärmevorlauftemperatur zwischen 70 °C und 95 °C liegen. Bei annährend gleichen Wärmekapazitätsströmen stellt sich zwischen sekundärem und primärem Rücklauf am unteren Wärmeübertrager (6) ebenfalls eine Temperaturdifferenz von 3 K bis 4 K ein. Um den Temperaturhub von teilweise 85 K zu erreichen, ist eine serielle Verschaltung von drei Wärmeübertragern notwendig. Der sekundäre Heizwasserdurchfluss variiert je nach Beladezustand des Pufferspeichers nur geringfügig, wodurch sich eine quasi-stationäre Dauerbeladung einstellt. Ein Anlegefühler am Bereitschaftsvolumen erfasst den Ladezustand und regelt über ein Durchgangsventil (7) und eine Pufferladepumpe (8) den Beladevolumenstrom. Eine Alternativlösung besteht aus einer drehzahlgeregelten Pufferladepumpe und zwei Temperatur-fühlern am oder im Bereitschaftsvolumen des Pufferspeichers. Um den Pufferspeicher vor einer möglichen Überbeladung zu sichern, was nur bei einer Abschaltung der Zirkulationspumpe auftreten kann, schaltet ein Thermostat die Pufferspeicherbeladung aus.
Das Drei-Wege-Mischventil (10) mischt aus dem heißen Bereitschaftsvolumen und dem Taktvolumen Zirkulation eine Vorlauftemperatur von ca. 65 °C für die Trinkwassererwärmung und Zirkulationsnachheizung. Die Zirkulationsnachheizung befindet sich im Dauerbetrieb und sorgt für die stetige Temperaturreglung am Mischventil, wodurch größere Ausregelvorgänge und Temperaturschwankungen vermieden werden.
Der separate Zirkulationswärmeübertrager (11) heizt den Zirkulationsvolumenstrom von 55 °C auf 60 °C auf (Kapitel 3.2). Die heizungsseitige Umwälzpumpe läuft zeitgleich mit der trink-wasserseitigen Zirkulationspumpe und regelt über ein Durchgangsventil (12) mit Thermostatfühler die Warmwassertemperatur am Wärmeübertrageraustritt. Je nach Auslegung des Zirkulations-wärmeübertragers stellt sich eine Rücklauftemperatur von ca. 56 °C bis 59 °C ein. Dieses noch warme Heizwasser wird teilweise dem Drei-Wege-Mischventil zur Beimischung zugeführt und parallel in den Pufferspeicher eingeschichtet.
Das aus einem Strömungsschalter (16), Temperaturfühler, Wärmeübertrager (14) und drehzahl-geregelter Umwälzpumpe (15) bestehende Frischwassermodul sorgt für die Warmwasser-bereitung. Der Strömungsschalter registriert eine Warmwasserentnahme und regelt die Umwälzpumpe, sodass sich am Wärmeübertrageraustritt eine Warmwassertemperatur von 60 °C einstellt. Diese Funktion wird von dem frei programmierbaren Heizungsregler mit übernommen.
Zur Verbesserung des Regelverhaltens und einer tieferen Auskühlung des Heizungswassers auf ca.
2 K bis 5 K über der Kaltwassereintrittstemperatur, wird dem Frischwassermodul ein zusätzlicher Wärmeübertrager, der nachfolgend als Auskühlstufe bezeichnet wird, seriell nachgeschaltet. Das Frischwassermodul erhält über das Drei-Wege-Mischventil das vortemperierte Heizungswasser und schichtet es, nahezu auf Kaltwassertemperatur abgekühlt, unten in den Pufferspeicher ein. Je nach Temperaturverhältnis und Warmwasserentnahme ändern sich die Volumenströme in bzw. aus den jeweiligen Pufferspeicherzonen. Bei kleineren Warmwasserentnahmen wird das Rücklauf-wasser vom Zirkulationswärmeübertrager direkt zur Beimischung verwendet, bei mittleren und großen Entnahmen wird zusätzliches Beimischwasser aus dem Taktvolumen Zirkulation des Pufferspeichers entnommen.
Der Pufferspeicher ist mit Schichtladeeinrichtungen versehen, um ein Durchmischen der unterschiedlichen Temperaturzonen zu verhindern. Gleichzeitig zonieren die Positionen der Schichtladeeinrichtungen den Pufferspeicher in ein Bereitschaftsvolumen, Taktvolumen Zirkulation und, falls eine Heizkreiseinbindung vorhanden ist, in ein Taktvolumen Heizung. Der Ladeeinrichtung im unteren Pufferspeicherbereich gilt dabei besondere Aufmerksamkeit, da hier die größten Volumenströme und Durchmischungen auftreten. Für die untere Ladeeinrichtung wird ein Drallblech eingesetzt (Kapitel 7.3.2.5), die Zirkulationsnachheizung und die Heizkreis-einbindung erfolgen über ein Laderohr (Kapitel 7.3.2.4). Der Pufferspeicherinhalt sowie die Volumenanteile ergeben sich aus der Energiebilanz in Kapitel 7.2.1.1. Zusätzlich entkoppelt der Pufferspeicher die Fernwärmeübergabestation von der Trinkwassererwärmung und wirkt gleichzeitig als hydraulische Weiche.
Der Heizkreis wird mit einer außentemperaturgeführten Vorlauftemperaturregelung betrieben. Das Fernwärmeventil der Heizung (1) stellt den zum Erreichen der Vorlauftemperatur notwendigen Durchfluss ein. Werden Heizkreis und Trinkwassererwärmung parallel betrieben, ergibt sich am Gesamt-Fernwärmerücklauf die entsprechende Mischtemperatur. Diese hängt maßgeblich von der Rücklauftemperatur des Heizkreises und dessen Wärmeleistung im Verhältnis zur Trinkwasser-erwärmung ab.
Weiterhin bietet der Pufferspeicher die Möglichkeit einer Rücklaufabsenkung durch die Einbindung des Heizkreises. Dazu wird dem Heizungsrücklauf ein definierter Teilvolumenstrom entnommen und unten in den Pufferspeicher geführt. Das wärmere Wasser der Zirkulations-nachheizung (ca. 56 °C bis 59 °C) am Austritt des Taktvolumens Heizung wird dem Heizungs-vorlauf beigemischt. Der Vorlauftemperaturfühler des Heizkreises sitzt in Strömungsrichtung hinterhalb der Heizkreiseinbindung, so dass die Energieverschiebung durch das Fernwärmeventil der Heizung ausgerelt wird. Die Aktivierung der Heizkreiseinbindung erfolgt über ein Magnetabsperrventil in Abhängigkeit des Pufferspeicherladezustandes und der Heizungsrücklauf-temperatur. Der Durchfluss ergibt sich anhand der Zirkulationsverluste und wird am Regulierventil im Bypass eingestellt. Eine zusätzliche Umwälzpumpe wird durch den geringeren Druckverlust über den Pufferspeicher nicht benötigt.
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