Hintergründiges zur Hydraulik
Auf dierser Seite werden die grundsätzlichen Funktionen sowie einige Besonderheiten des vorgestellten Systems erläutert.
Vorlauf-Temperaturregelung
Die BAFA fördert den Einbau thermostatischer Regler zur Regelung des Volumenstroms zur Verbesserung der Heizungsanlage durch den hydraulischen Abgleich und die Installation derartiger Systeme.
Hier sorgt der thermostatische Regler für eine Vorlauftemperatur mit anpassbarer Temperatursteuerung sowie für die gleichbleibende Regelung der Vorlauftemperatur. Dies bewirkt einen Schutz gegen Kondensation bei Heizwertkesseln, die an Pufferspeicher angeschlossen sind (optimale Ladung des oberen Pufferinhalts) und die Vermeidung der Abkühlung der heißen Zone im Pufferspeicher während des Pumpennachlaufs bei der Abkühlung des Kessels.
Erläuterung der Skizze
Die Zusammenstellung der Einzelteile beinhaltet einen thermostatischen Regler als 3-Wegemischventil mit passendem Thermostatkopf zur Einstellung der Vorlauftemperatur, die zwischen 60°C und 90°C angepasst werden kann, eine Tauchhülse zum Einschrauben in ein abgewinkeltes T-Stück für die Montage direkt am Anschluß des Kesselvorlaufs und passende Einlegeteile.
Die Installation kann sowohl vertikal als auch horizontal erfolgen, wobei die Fließrichtung durch Pfeile zu beachten ist. Der Fühler sollte in der Nähe des Kessels im Vorlauf platziert werden, während das Ventil im Rücklauf installiert wird. Der Sollwert der Vorlauftemperatur wird am Thermostatkopf festgelegt. Durch das Mischen von Kesselvorlaufwasser in den Kesselrücklauf wird die Vorlauftemperatur des Kessels stabil auf den gewählten Sollwert geregelt. Dafür sollte die Kesselkreispumpe auf die maximale Leistung (Stufe III) eingestellt sein. So passt sich der Volumenstrom während der Pufferbeladung an die Kesselleistung an und die Vorlauftemperatur bleibt auch bei wechselnder Kesselleistung konstant. Der Puffer wird stets von oben mit heißem Wasser gefüllt, was eine exakt temperierte heisse Ladung ermöglicht. Zudem wird der Kessel vor einem Kondensationsschaden bewahrt, und ein späteres Abkühlen der Heißzone während des Pumpennachlaufs zur Nutzung der Restwärme) wird effektiv unterbunden.
Zum Einsatz kommt hier die Pumpengruppe Typ I des Anschlußmoduls.. Die Pumpe wird entfernt und in den Rücklauf des Vorlauf Regelkreises montiert.
In der Pumpengruppe wird statt dessen ein 130mm Distanzstück verbaut.
Der bivalente 4-Wegemischer der Pumpengruppe zieht vorrangig Wasser aus der mittleren Schiene des Hydraulikverteilers und mischt nach Bedarf entweder warmes Wasser aus dem Kesselvorlauf oder kaltes Wasser aus der unteren Schiene bei, um die vom Regler vorgegebene RL-Temperatur von z.B. 65 C einzustellen.
Dies geschieht erst, wenn nach Erreichen der hohen VL-Temperatur das 3-Wegemischventil durchgeschaltet wird und der Pumpenkreis auf das System erweitert wird.
Zusammenhang von Wassertempertur und -dichte
Warmes Wasser steigt nach oben. Das ist allgemein bekannt.
Die Begründung liegt an der geringeren Dichte des warmen Wassers.
Welche Bedeutung hat das für die Temperatur-schichtung in einem Pufferspeicher?
Ausreichend heisses Wasser im oberen Teils des Puffers hat 2 Vorteile:
1.) Bei der Entladung nach den 2-Zonenprinzip wird nur wenig Wasser zum Beimischen benötigt. Die Warmwasserentnahme steht länger zur Verfügung.
2.) Nach dem Laden mit durchgängig heissem Wasser steht mehr nutzbare Energie für die Entladung bereit.
Generell gilt es also, eine Pufferladetemperatur von rund 85 GRD anzustreben. Das stellt eine stabile Schichtung und eine maximale Speicherkapazität sicher.
Ensprechende Verfahren für die Nutzung von Wärmepumpe und Solarthermie sind in den betreffenden Beiträgen beschrieben.
Als Näherung gilt: Um 1 l Wasser um 1 K zu erwärmen, muss eine Energie von 1 kWh zugefühert werden.
Welche nutzbare Energie steht im Puffer zur Verfügung, wenn das 40-grätige RL-Wasser auf 60 GRD erwärmt wird?
Es sei angenommen, daß bei optimalen Lade- und Entladeverfahren (2-Zonenprinzip) nur 800l eines 1000l Pufferspeichers mit nutzbarer Temperatur bereit stehen.
Das heißt also: 800l werden um 20 GRD erwärmt. Dafür muß eine Energie von rund 16 kWh zugeführt werden.
Nimmt nun der Heizkreis im Winter 10 kW Leistung ab, werden 6 kWh mit 60 GRD netto in den Puffer geladen. Der 18 kW Kessel schaltet somit nach 20 Minuten wieder ab. Die 16 kWh Energie im Puffer werden bei Abnahme von 10 kW nach 1,6 h aufgebraucht sein.
Eine Lade/Entladeperiode dauert knapp 2h. Der Kessel taktet also 12 mal am Tag.
Wird der Puffer allerdings mit 85 GRD beladen, ergibt sich folgendes Szenario:
Für die Erwärmung von 800l von 40 GRD auf 85 GRD wird eine Enerie von 36 kWh benötigt. Dies steht für die Entladung bereit.
Da die Energieabnahme auch während des Ladevorgngs erfolgt, würde ein 18 kW Kessel netto lediglich 8 kw in den Puffer einlagern und würde somit rund 4,5h ununterbraochen in Betrieb sein.
Nun stehen 36kWh im Puffer für die Entnahme zur Verfügung. Der Kessel wird also erst nach rund 3,5 h wieder einschalten.
Eine Lade/Entladeperiode dauert 8h. Der Kessel taktet also 3 mal am Tag.
Wie groß muss der Pufferspeicher sein?
Statt des 18 kW Pelletkessels soll nun ein 40 kW Holzvergaserkessel zum Einsatz kommen.
Ist das Feuer einmal angezündet, wird es das eingeschichte Holz aufbrauchen.
Es soll eine übliche Abbranddauer von rund 4 h angenommen werden.
Während dieser 4 h werden 160 kWh Wärmeenergie erzeugt. Bei einer Abnahme von 10 kW werden somit rund 120 kWh netto in den Puffer eingeladen.
Auch bei diesem Beispiel soll 40 grätiges RL-Wasser auf 85 GRD erwärmt werden.
Vieviel Volumen wird benötigt? 120 kWh / 45 K = 2.700 l. Bei einem “Pufferwirkungsgrad” von 80% werden somit (2.700 l / 0,8) 3.400 l Puffervolumen benötigt.
Hier wäre ein Puffervolumen von 3.500 l angebracht. Ein nachladen des Kessels wäre nach ca. 16h fällig. Duchaus komfortabel. Dies gilt bei voller Heizlast von 10 kW im Winter.
Werden in der Übergangszeit im frühen Herbst oder späten Frühling lediglich 2,5 kW als Heizlast benötigt, ergibt sich ein anderes Puffervolumen.
Während der 4 h Abbrandzeit werden 160 kWh – 10 kWh = 150 kWh netto in den Puffer geladen. Auch hier gilt analog die Rechnung 150 kWh / 45 K / 0,8 = 4.200l
Dies gilt wohlgemerkt bei einer 2-Zonen Be- und Entladung wie auf dieser Webseite proklamiert!
Die Nachheizzeit errechnet sich somit auf 4h + 150/2,5 = 64 h!
Die Abkühlverluste des Puffers wurden Näherungsweise bedacht durch weglassen des Faktors 1,163 Wh/ kg/K und der vereinfachten Formel zu Anfang.
Ein Festbrennstoffkessel mit wesentlcih geringerer Leistung als 40 kW wird wegen der kürzeren Ladezyklen lästig.
