Elektrische Heizanlage für intermittierende Stromaufnahme. Vielfach sind die Verteilungsnetze der Elektrizitätswerke und mitunter auch die Kraftwerke selbst insofern nur .gering aus genutzt, als sie für die höchste Belastungs- spitze bemessen ,sein müssen, die jedoch er fahrungsgemäss nur einmal im Jahre für wenige Stunden auftritt;
während aller übrigen Stunden des Jahres hingegen sind die Leitungen und Kabel nur zu einem mehr oder weniger geringen Bruchteil ihrer Lei stungsfähigkeit beansprucht. Diese Tatsache ergibt sich in erster Linie aus dem Anschluss der Lichtabnehmer, deren Strombedarf natur gemäss durch Jahres- und. Tageszeit bestimmt wird. Zwar hat man versucht, einen Aus gleich durch den Anschluss elektrischer Herde und Heisswasserspeicher zu schaffen, welch letztere namentlich während der Nachtzeit Strom entnehmen, doch sind diese zusätz lichen Verbraucher nicht in der Lage, eine gleichmässige Belastung .des Netzes herbei zuführen.
Dieser Mangel ist für die Elek- trizitätsversorgungsunternehmen um so fühl- barer, als gerade das Verteilungsnetz und namentlich das Niederspannungsnetz einen besonders hohen Kapitalaufwand erfordert, der ein Mehrfaches der Kosten für die Er richtung .des Kraftwerkes beträgt. Es ist daher, wie in neuerer Zeit erkannt wurde, weit wichtiger, das Verteilungsnetz eines Elektrizitätswerkes gleichmässig zu belaeten, als etwa nur das Kraftwerk.
Dieses Ziel kann durch den Anschluss er findungsgemässer elektrischer Heizanlagen für intermittierende Stromaufnahme erreicht werden, welche einen Wärmespeicher zur Deckung des Wärmebedarfes während der Stromsperrzeit und ausserdem eine Heizein richtung zur unmittelbaren Heizung während .der Stromentnahmezeit aufweisen. Zwar er fordert die elektrische Heizung zu ihrem wirtschaftlichen Betrieb überaus niedrige Strompreise, doch werden diese eingeräumt, wenn solche Heizanlagen die Spitzenlast nicht vergrössern und daher auch keine Er- weiterung der bestehenden Anlagen erfor dern.
Zur praktischen Verwirklichung der bes- seren Ausnutzung der Elektrizitätswerke und ihrer Verteilnetze sind die Zentralheizungs anlagen vorzüglich geeignet, da man bei die sen zum Beispiel nur den Feuerungskessel durch einen elektrischen Durchlauferhitzer zu ersetzen und hydraulisch-parallel zu die sem Durchlauferhitzer einen ,Speicher zu schalten braucht. Eine solche Heizanlage ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Zeichnung veranschaulicht und im fol genden näher erläutert.
litt 2 ist der Rücklauf und mit 3 der Vorlauf einer gewöhnlichen Warmwasser zentralheizungsanlage bezeichnet. Zwischen dem Rücklauf 2 und dem Vorlauf 3 ist der Rehälter 4 eingeschaltet, dessen Rauminhalt etwa 50 Liter betragen möge und daher als Durchlauferhitzer bezeichnet wird. Es sei ferner angenommen, dass der maximale etünd- liche Wärmebedarf des Hauses 39000 WE betrage. Demzufolge muss der Durchlauf erhitzer 4 eine Leistungsaufnahme von
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aufweisen.
Diese Leistung entnimmt er mit Hilfe der Heizelemente aus dem Netz F>, die zweckmässigerweise in mittels der Schütze 29a, 29b.<B>299e</B> einzeln schaltbare Gruppen 5a, 5b, <B>5e</B> unterteilt sind, so dass eine jede von ihnen 15 kW aufnimmt. Dem Durch lauferhitzer 4 ist der Speicher 7 parallel geschaltet, dessen Volumen sich aus dem maximalen stündlichen Wärmebedarf des Hauses und nach der Dauer der Strom unterbrechung richtet.
Beträgt diese @Strom- sperrzeit drei Stunden, so muss er <B>39000</B> - 3 =<B>117000</B> WE aufspeichern. Da nun das Wärmegefälle zwischen Vor- und Rücklauf normaler Warm- wasserzentralheizungsanlagen 20' beträgt, aus jedem Liter Speicherinhalt mithin 20 WE entnommen werden können, errechnet sich das Volumen des Speichers in dem angenom menen Falle zu
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Die Heizelemente des Speichers sind zweck- mässigerwei6e gleichfalls in drei Guppen 9a, 9b, 9c unterteilt,
welche normalerweise über das Schütz 25 parallel zu den entsprechenden Gruppen 5a bezw. 5b bezw. 5c des Durch lauferhitzers liegen. Während der beispiels- weise neunstündigen Betriebszeit des Durch lauferhitzers 4 wird daher der Speicher 7 mit ebensovielen Heizelementen aufgeheizt, wie Elemente des Durchlauferhitzers ein geschaltet sind.
Wird nun zur 'Spitzenzeit die Stromaufnahme in bekannter Weise durch die Sperruhr 30 unterbrochen, so wird das in dem Durchleuferhitzer 4 befindliche Warmwasser infolge der geringen Behälter kapazität von 50 Liter schnell durch den Vorlauf entwichen sein, und es beginnt dann der Speicher, sein Warmwasser abzugeben.
indem er von dem rücklaufenden, etwa 20' kälteren Wasser wieder aufgefüllt wird. Der Speicher ist jedoch so gross bemessen, dass das während der ganzen Stromsperrzeit vor laufende Wasser konstante Tmperatur be sitzt, dass also das in den Speicher zurück laufende Wasser vor der nächsten Aufheiz- periode nicht wieder in den Vorlauf gelangt.
Nach Beendigung der Spitzensperre werden die beiden Sätze 5 und 9 von Heizwider standegruppen wieder an das Netz an geschlossen. Infolge des geringen Wasser- inhaltes des Durchlauferhitzers erwärmt sich das in diesem inzwischen abgekühlte Wasser nahezu augenblicklich und übernimmt nun wieder die alleinige Versorgung der Anlage, bis :die Wassertemperatur im .Speicrer die Wassertemperatur des Durchlauferhitzers er reicht hat.
Tritt dieser Fall noch vor Be endigung der neunstündigen .Stromentnahme zeit ein, so läuft der 'Speicher bis zu deren Beendigung als zweiter Durchlauferhitzer mit, weil die weitere Wärmeentwicklung sei- ner Heizelemente mit Bezug auf das vom Durchlauferhitzer 4 geförderte Wasser eine Auftriebskraft erzeugt.
Wird nun, wie spä ter im einzelnen noch näher erläutert wird, dieses System in Abhängigkeit von der Raumtemperatur thermostatis.ch ein- und ausgeschaltet, so stellt sich in ihm von selbst jene mittlere Wassertemperatur ein, die dem jeweiligen Wärmebedarf das Gleichgewicht hält. Bei milder gälte wird nämlich der Thermostat schon bei einer Oberflächen temperatur der Radiatoren von beispielsweise <B>35'</B> ansprechen und den Durchlauferhitzer ausschalten, während bei strenger gälte der Thermostat erst bei Erreichen einer Radiator temperatur von beispielsweise<B>75'</B> anspricht.
Es kann nun aber vorkommen, dass der Wärmebedarf eines Hauses gerade während der Sperrzeit regelmässig ,geringer oder auch grösser ist als während ;der Zeit der Strom entnahme. Um dieser- Umstand Rechnung zu tragen, ist im gezeichneten Ausführungs beispiel eine Differentialschaltung vorge sehen, welche zum Beispiel aus den beiden Widerstandsthermometern 10,<B>11</B> besteht, deren eines sich im Speicher 7 und deren anderes sich im Durchlauferhitzer 4 befindet.
Die beiden Thermometer sind mittels der Widerstände 12,<B>13,</B> des Verbindungsleiters 14, sowie der 'Aromquelle 32 zu einer Wheat- stoneschen Brücke geschaltet, deren Diagonale 22 über die Spule eines polarisierten Relais 23 führt, welches den Stromkreis der Einschalt- und Haltespule 24 des Schützes 25 steuert und damit die Stromaufnahme der Heiz widerstandsgruppen 9a, 9b, 9c des Speichers 7 beherrscht.
Fliesst ein Ausgleichstrom in der Brückendiagonale 22 bezw. durch das Relais 23 in der einen Richtung, so wird der Strom- kreisder Spule 24 geschlossen, der Speicher 7 also eingeschaltet;
fliesst dagegen ein Aus- glerchstrom in der andern Richtung, so wird die Heizung des Speichers unterbrochen. Durch Verschieben des ,Schleifers an dein zur Stromquelle 32 führenden Leiter 17 längs der beiden Widerstände 12, 13 kann man nun beliebig einstellen, bei welcher Wideratands-differenz zwischen den Thermo metern 10 und 11 bezw. bei welcher Tempe raturdifferenz in den Behältern 7 und. 4 ;der Strom in der Diagonale 22 Null sein soll.
Befindet sich beispielsweise .der Schleifer des Leiters 17 in der elektrischen Mitte der Widerstände 12 und 13, so tritt Stromlosig- keit der Brückendiagonale bei Temperatur gleichheit der Behälter 7 und 4 auf.
Ist der Schleifer des Leiters 17 dagegen, wie in der Zeichnung dargestellt, aus der elektrischen Mitte ein wenig nach rechts verschoben, so befindet sich die Brücke im Gleichgewicht, wenn der Widerstand .des Thermometers 10 kleiner ist als der -des Thermometers 11 bezw. wenn die Temperatur des Speichers 7 unter der Temperatur des Erhitzers 4 liegt.
Im allgemeinen wird jedoch gerade der um gekehrte Fall erwünscht sein, das heisst dass das Speicherwasser eine etwas höhere Tem peratur aufweist als das Wasser im Durch lauferhitzer, weil erfahrungsgemäss die Stromsperrzeiten meistens gerade in die Tagesstunden fallen, in denen der grösste Wärmebedarf herrscht.
Man wird daher den Schleifer am Leiter 17 aus der elektrischen Mitte der elektrischen Widerstände 12, 1,3 nach links verschieben und in der den Rück lauf 2 mit dem Speicher 7 verbindenden Lei- tung ein Ventil 8 vorsehen, um zu verhin dern, dass das Speicherwasser nach Erreichen der im Durchlauferhitzer herrschenden Tem peratur an der Zirkulation teilnimmt.
Dieses Ventil kann selbsttätig arbeiten, beispiels- weise elektromagnetisch derart. gesteuert sein, -dass es nach Einschalten der Anlage geschlossen ist und sich bei Stromunter brechung selbsttätig öffnet.
Die Verschiebung des Schleifers des Drahtes 17 längs der Widerstände 12, 13 erfolgt zweckmässigerweise längs einer Skala, auf der die positive und negative Tempera turdifferenz zwischen dem Wasser des Spei chers 7 und dem des Durchlauferhitzers 4 aufgezeichnet ist.
Da ,die beiden Wider standsthermometer in Differentialschaltung liegen, ist der @Stromfluss in der Diagonale 22 in der Tat unabhängig von der wirklichen Temperatur und lediglich eine Funktion der Temperaturdifferenz. Überdies schafft die Verwendung der Differentialschaltung die Möglichkeit. die Thermometer 10,<B>1'1</B> statt aus Edelmetalldraht aus.
gewöhnlichem Kupferdraht zu wickeln und sie einer derart hohen Strombelastung auszusetzen, dass der Differentialstromfluss in der Diagonale 22 verhältnismässig gross wird, wodurch das Relais 23 spezifisch unempfindlicher, das heisst robuster und billiger gebaut werden kann.
Um zu verhindern, dass im Durchlauf erhitzer 4, z. B. bei zu starkem Drosseln des Wasserumlaufes, gefährliche Übertempera- turen auftreten, ist er mit einem sogenannten Tauchregler 15 versehen, der in der gemein- - amen Zuleitung 33 der Einschult- und Haltespulen 34a, 34b. 34c für die Schütze 29a, 29b, 29c liegt und diese Spulen ab schaltet, sobald die eingestellte Höchsttempe ratur erreicht ist.
Der Speicher 7 dagegen benötigt keinen solchen Tauchregler, weil in ihm Übertemperaturen gar nicht auftreten können, sofern sein Inhalt und seine Ui stungsaufnahme richtig bemessen sind und Gewähr für die Einhaltung der %Schaltzeiten besteht; werden diese durch Synchronuhren bestimmt, so erscheint diese Voraussetzung hinreichend erfüllt.
Die Anlage lässt sich sehr leicht derart in Abhängigkeit von der in den zu beheizen den Räumen gewünschten Lufttemperatur regeln, dass auf schnellste Weise alle Räume aufgeheizt werden, ohne irgendwo Über temperaturen zu erzeugen. Zu diesem Zwecke wird in jedem der zu beheizenden Räume ein Thermostat 18a, 18b,<B>18e,</B> 18d <B>...</B> vorgesehen. Die Thermostaten sind solche, welche bei steigender Temperatur einschal ten. und sie liegen sämtlich in Reihe mit der Steuerspule 19 eines in der gemeinsamen Zu leitung 33 der Spulen 34a, 34b, 34e liegen den Quecksilberschalters 20.
Hat beispiels- weise der Thermostat 18a die Endtempera- tur erreicht, so schliesst sein Kontakt. Es sei angenommen, dass dabei gleichzeitig der Heizkörper des betreffenden Raumes auto matisch dadurch geschlossen werde, dass die Thermostaten mit zusätzlichen Kontaktsätzen ausgerüstet sind, die im Stromkreis von elek- tromagnetischen Ventilen liegen,
mittels derer die weitere Wärmezufuhr zu den Radiatoren unterbunden wird. Hierdurch wird die Temperatur des vorlaufenden Was- sers alsbald zunehmen, so dass der nächste Thermostat, z.
B. 18b, um so schneller seinen Kontakt schliesst, worauf der ,Heizkörper in dem betreffenden Raum gleichfalls abgestellt wird, ohne jedoch die Stromaufnahme der Anlage zu beeinflussen. Die Wassertempe ratur wird daher nun sehr rasch ansteigen und die übrigen Thermostaten um so schneller zur Schliessung ihrer Kontakte veranlassen. Erst wenn der letzte Thermostat angespro chen hat, wird der Stromkreis der Spule 19 geschlossen,
der Quecksilberschalter 20 hier durch geöffnet, wodurch die Spulen 34a, 34b, 34e der Hauptschütze 29a, 29b, 29e stromlos werden und alle Heizwiderstandsgruppen der Anlage abschalten. Sobald jedoch in einem Raum die Temperatur den eingestellten Wert wieder unterschreitet, wird der Stromkreis der Spule 19 wieder unterbrochen und da durch die Schützen 29 wieder eingeschaltet.
Um nun zu vermeiden, dass bei kleinerem Wärmebedarf die Anlage mit vollem An schlusswert betrieben wird, was ein häufiges Ein- und Ausschalten grosser Leistungen und daher unerwünschte Stromstösse im Netz zur Folge haben würde, sind, wie bereits er wähnt,
die Heizwiderstandsgruppen des Durchlauferhitzers 4 und des Speichers 7 in beispielsweise je zwei Gruppen unterteilt. Im Stromkreis der Spulen 84b und 34c des zwei ten und dritten Schützes 29b und 29c wer den daher Schalter 35b bezw. <B>35e</B> vorgesehen, die aufeinanderfolgend oder gegebenenfalls auch gleichzeitig erst bei grösserem Wärme bedarf geschlossen werden.
Diese Schalter können unter Einfluss der Aussentemperatur stehende Thermostaten sein, welche auf ver schiedene Ansprechtemperaturen eingestellt sind.
Die bisher beschriebene Anlage erfüllt die Bedingung, dass ein Gebäude in kürzester Zeitspanne aufgeheizt wird, ohne da.ss irgend wo Übertemperaturen entstehen, wobei die Aufrechterhaltung der in den verschiedenen Räumen jeweils gewünschten Temperatur durch das Vorhandensein der erwähnten Thermostaten selbsttätig erfolgt.
Es kann nun aber überdies erwünscht sein, dass die Erreichung bezw. die Aufrechterhaltung der gewünschten Raumtemperaturen unter Be grenzung der in den Radiatoren herrschen den Wassertemperatur erfolgt. Bei mildem Wetter wird es beispielsweise als angenehmer empfunden werden, wenn die Oberflächen temperatur der Heizkörper dauernd nur un gefähr 45 C beträgt, als wenn die Radia toren zeitweilig mit<B>80'C</B> gespeist werden.
Um dies zu erreichen, können nie Spulen 34a 34b 34e .der Schütze 29a, 29b, 29c in Reihe mit weiteren Thermostaten 36a, 36b, <B>36e</B> liegen, welche an irgend einer .Stelle des zirkulierenden Systems sitzen und beispiels weise Tauchregler sind, die, wie der,Sicher- heitsregler 15, im. Durchlauferhitzer 4 an geordnet sind. Jeder dieser Tauchregler ist nun auf eine andere Ansprechtemperatur ein gestellt. Es sei angenommen, dass der Regler 36a bei 40' C, der Regler 36b bei 45' C und der Regler 3,6c bei<B>50'</B> C seine Kontakte öffnet. Öffnet sich nach längerer Betriebs pause, z.
B. im Herbst, einer der Thermo staten 18a<B>...</B> 18d, so wird die Wassertempe ratur im Durchlauferhitzer zum Beispiel 15 bis 20' C betragen. Infolgedessen werden alle drei Thermostaten 36a, 36b,<B>36e</B> geschlos sen sein, so dass jetzt alle drei Heizwider- standsgruppen 5a, 5b, 5e des Durchlauf erhitzern 4 .Strom aufnehmen. Da (nach Vor aussetzung) jedoch nur einer der Thermosta ten 18a..-. 18d geöffnet hatte, das heisst nur in einem einzigen Raum Untertemperatur herrscht und durch die automatische Steue rung der Radiatorventile auch nur die Radia toren in dem einen Raum offen sind, wird die Wassertemperatur im Durchlauferhitzer sehr schnell ansteigen.
Sobald sie 40' C er reicht hat, wird der Tauchregler 36a öffnen und daher die Heizwiderstandsgruppe 5a ab schalten. Die Wassertemperatur wird dann zwar langsamer, aber doch weiter ansteigen und schliesslich den Regler 36b zum An sprechen bringen und damit die Abschaltung der lleizwiderstandsgruppe 5b bei einer 'rem- peratur von 45 C zur Folge haben. Die dritte Heizwiderstandsgruppe 5e übernimmt nun die Heizung des dntertemperierten Rau mes allein.
Ist auch seine Leistung noch so gross, dass die Wassertemperatur <B>50'</B> C übersteigt, so wird auch diese dritte Reiz widerstandsgruppe 5c unter Wirkung des Thermostaten 3,6e zeitweilig ausschalten, bis ,die Wassertemperatur wieder unter<B>50'</B> C sinkt.
Ist dagegen die Leistung der einen Heizwiderstandsgruppen 5c zu klein, um nach Ausschalten des Heizkörpers 5b die Wassertemperatur von 45'C aufrechtzuerhal ten, so wird vorübergehend die Heizwider- standsgruppe 5b eingeschaltet. Dieses wech selseitige Spiel zwischen den Reglern 36a, 36b und 36e wird sich so lange wieder holen, bis auch der letzte der Thermostaten 18a <B>...</B> 18d seinen Kontakt wieder gesehlos- sen hat.
Die Regler 36a, 36b, 36c sind zweck mässigerweise so beschaffen, dass ihre An sprechtemperatur beliebig eingestellt werden kann.
Die Leistung der im Speicher 7 vor gesehenen Heizwiderstandsgruppe ergibt sich einerseits aus den aufzuspeichernden WE und anderseits aus -der Dauer -der zu ihrer Bereitstellung verfügbaren Aufheizzeit. Be trägt diese Aufheizzeit beispielsweise neun Stunden, so muss die Leistung der Heiz- widerstandsgruppen bei dem oben angenom menen Ausführungsbeispiel
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betragen. so dass die Anlage während der Stromentnahmezeit maximal 45 -f- 15.2 = 60,2 kW benötigt.
Da der Speicher -nur .den statischen Druck -der Wassersäule auszuhalten hat, der bei der üblichen Gebäudehöhe kaum mehr als 1-11/2 Atm. beträgt, so kann er aus ver hältnismässig .dünnen Blechen bestehen, wel che zweckmässigerweise zusammengeschweisst und sodann in. bekannter Weise isoliert wer den.