AT526452A1

AT526452A1 - Kombinierte Heiz- und Kühlanlage mit Sole-Wasser-Wärmepumpe und zwei Umweltwärmequellen

Info

Publication number: AT526452A1
Application number: ATA175/2022A
Authority: AT
Inventors: Masswohl Dipl -Ing Dr Techn Josef
Original assignee: Josef Masswohl Dipl Ing Dr Techn
Priority date: 2022-09-08
Filing date: 2022-09-08
Publication date: 2024-03-15
Also published as: AT526452B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine kombinierte Heiz- und Kühlanlage (1) auf der Basis einer Sole-Wasser-Wärmepumpe (2), welche Umgebungswärme sowohl aus der Umgebungsluft (4a) als auch aus einem erdvergrabenen Speicher (3) bezieht. Der erdvergrabene Speicher (3) erlaubt im Heizbetrieb (12) auch bei sehr niedrigen Lufttemperaturen einen effizienten Betrieb der Sole-Wasser-Wärmepumpe (2). Im Kühlbetrieb (13) dient er als Kältespeicher, der bei der Verfügbarkeit von kostengünstigem Strom, insbesondere aus Photovoltaikanlagen, aufgebaut wird und später ohne Aktivierung der Sole-Wasser- Wärmepumpe (2) Kälte an einen Verbraucher (5) abgibt. Der erdvergrabenen Speicher (3) wird in beiden Betriebsarten zumindest zeitweise als Latentwärmespeicher betrieben, wobei sich das Phasenwechselmaterial Wasser (3c) bevorzugt im Porenzwischenraum einer Festkörpermatrix (3d) befindet. Des Weiteren wird der erdvergrabene Speicher (3) nicht als Saisonspeicher, sondern so klein wie möglich ausgeführt. Während der Heizsaison wird er fortwährend regeneriert, indem Wärme aus der Umgebungsluft (4a) ohne Aktivierung der Sole- Wasser-Wärmepumpe (2) in den Speicher (3) verschoben wird.

Description

RINTERGKUND UND GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine kombinierte Heiz- und Kühlanlage {1} auf der Basis einer Sole-Wasser-Wärmepumpe (2), welche Umgebuüngswärme sowohl aus der Umgebungsiuft {da} als auch aus einem erdverarabenen Speicher (3) bezieht,

Der erdvergrabene Speicher (3) erlaubt im Haeizbetrieb {12} auch bei sehr niedrigen Lufttermperaturen einen effizienten Betrieh der Sole-Wasser-Wärmepumpe (2). Im Kühlbetrieb {13} dient er als Kältespeicher, der bei der Verfügbarkeit ven kostengünstigem Strom, insbesondere aus Photovoltaikanlagen, aufgebaut wird und später ohne Aktivierung der Sole-WasserWärmepumpe (2) Kälte an einen Verbraucher (5) abeibt.

Der erdvyergraäbene Speicher (3) wird in beiden Betriebsarten zumindest zeitweise als Latentwärmespeicher betrieben, wobei sich das Fhasenwechselmaterial Wasser {3c) bevorzugt im Forenzwischenraum einer Festkörpermatrix (3d} befindet,

Des Weiteren wird der erdvergrabene Speicher {3} nicht als Saisconspeicher, sohdern so klein wie mäglich ausgeführt, Während der Heizxsaison wird er fortwährend regeneriert. Dies erfolgt, indem bei milder Witterung ohne Aktivierung der SoleWasser-Wärmepumpe (2) über den Lu£twärmeabserber (4) Wärme aus der Umgebungsiuft {48) gewonnen und in den erdvergrabenen

Speicher {3} verschoben wird,

Zusammendgefasst besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Realisierung eines kombinierten Heiz- und Kühlsystems; dessen Wirkungsgrad im Heizbetrieb (12} durch wechselnde Umgesbungsbedingungen wenig beeinflusst. wird und das im Kühlberlrisb {13} - im Hinblick auf die Nutzung volatiler Tegenerativer Energiequellen - eine Speicherung von Kälte erlaubt, die später ohne Aktivierung der Wärmesumpe an den Verbraucher (3) abgegeben werden kann, Das System eignet sich insbesondere für Einrichtungen mit einem kombinierten Wärmeund Kältebedarf, wie dies insbesondere bei Wöhn- und Gewerbeimmnobilien gegeben ist.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine kombinierte Heiz-

z

und Kühlaniage {1} gemäß Anspruch 1.

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Aus US55072337A ist ein Heiz-/Kühlsystem bekannt, welches für die Beaetriebsarten Heizen und Kühlen jeweils zwei Unterbeiriebsarten zum Aufbau und zur Entnahme von Energie aus einem Latentwärmespeicher vorsieht, Der Latentwärmespeicher enthält zwei Phasenwechselmaterialien, wobei das erste (Wasser} in nicht eingekapselter Form und das zweite mit einem höheren Schmeizpunkt in eingeKapselter Form vorliegt. Dementsprechend dient das erste Phasenwechselmaterisal der Speicherung von Kälte und das zweite der Speicherung von Wärme, Unterschiedliche Betriebsarten und ein Wärmepumpensystem mic zwei Wärmetauschern, die jeweils als Verdampfer oder Verflilüssiger eingesetzt werden können. Nachteilig 1&8t insbesondere die aufwändige Hydraulik und der aufwändige Aufbau des Latentwärmespeichers,

Aus ATSL6403R1 desselben Anmelders ist ein Verfahren zur Regeneration des Frimärenergiespeichers einer Soclewasserwärmepumpe bekannt, bei dem ebenso wie bei der gegenständlichen Erfindung ein Luftsolewärmetauscher einen erdvergrabenen Speicher regeneriert, Jedach ist im Kühlbetrieb kein Kälteaufbau in diesem vorgesehen, ebenso wenig wie ein Abtaubetrieb des Luftwärmetauschers, Eben diese Betriebsarten oilden aber einen zentralen Bestandteil der gegenständlichen Erfindung.

Aus ATS20844B81 desselben Anmelders ist ein Wärmespeicher bekannt, bei dem ein Rohrkellektor in ein thermisch

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lJeitfählges Granulat, insbesondere einen Riündkies, eingebettet ist, wobei ein Phasenwechselmaterial, insbesondere Wasser, den Forenzwischenraum des Gramilats bis zur Sättigung durchsetzt. Aus (beispielsweise) Zeh, R & Stockinger, V. Kalte Nahwärme — Wärme- und Kälteversorgung der Zukunft für Quartiere, ingenieur Spiegel, 2018{(1), Seite 24-26, Bingen am Rhein, {018}, sind sogenanate „Erdeissteicher” hekannt, die das in den Kapillaren des Erdreichs befindliche Wasser als Phasenwechselmatfterial eines Latentwärmspeichers nutzen, Um eine grüßere Energiedichte zu erzielen, ist im Gegensatz zur kiassischen Gecthermie der Speicherkörper in mehreren horizontalen Schichten mit sceledurchflossenen Rohrwärmetauschern durchsetzt, Diese „Erdeisspeicher“ sind im Wesentlichen als Saisenspeicher konzipiert. Ein zentrales Anliegen der gegenständlichen Erfindung ist es dagegen, den

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erdvergrabenen Speicher zu klein wie möglich zu halten,

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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eriäutert.

Fig. 1 zeigt einen beispielhaften Aufbau der erfindungsgemäßen Heiz- und Kühlanlage {1} iu vereinfachter schematischer Form.

Fig. 2 fasst die verschiedenen Betriebsarten und Unterbeiriebsarten schematisch in einer hierarchischen Darstellung zusammen,

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 1 zeigt einen beispielhaften Aufbau der erfindungsgemäßen Heiz- und Kühlanlage {1} in vereinfachter schematischer Form,

Die Schlüsselkompenenten der Anlage sind gegeben durch eine Scie-Wasser-Wärmepumpe {2), einen erdvergrabenen Speicher (3) und einen Luftwärmeabsorber (4}, Der erdvergrabene Speicher {3} wird hydraulisch über einen Rohrkolilekteor (3a) in den Solekreis der Scle-Wasser-Wärmepumpe {2} eingebunden. Der Rohrkoliekteor {3a} ist im Wesentlichen Die Festkörpermatrix {30} ist bevorzugt durch einen enygestußften Kies mit Kornogrößen zwischen 4 und 8 Millimeter ausgebildet, Der Speicherkörper wird durch eine Folie gegen las umdebende Erdreich abgedichtet, sodass der Porenzwischenraum gesättigt mit dem Phasenwechselmaterial Wasser (30) befüllt werden kann, Der volumetrische Wasseranteil eines solchen Speicherkörpers beilrägt elwa 42 Prozen EN Alternativ kann die Festkörgpermaäatrix (34) auch durch das natüriiche Erdreich gegeben sein, Bei Bodenarten mit feinkörnigen Sedimenten (beispielsweise Ton, Lehm) wird viel Wasser adhäsiy gegen die Gravitation am Sediment gehalten („Haftwasser”"), weswegen auf eine Abdichtung des Speicherkörpers durch eine Folie verzichtet werden kann, Im Binbiick auf eine kompakte Bauweise und einen geringen Aeite 3

Prozen

EN

Alternativ kann die Festkörgpermaäatrix (34) auch durch das natüriiche Erdreich gegeben sein, Bei Bodenarten mit feinkörnigen Sedimenten (beispielsweise Ton, Lehm) wird viel Wasser adhäsiy gegen die Gravitation am Sediment gehalten („Haftwasser”"), weswegen auf eine Abdichtung des Speicherkörpers durch eine Folie verzichtet werden kann, Im Binbiick auf eine kompakte Bauweise und einen geringen

Aeite 3

von „Erdeissveichern“.

WILL man alle Hohlräume, insbesondere auch die sogenännten Grabpocren, für eine Wasserspeicherung nutzen, muss der Speicherkörper wie beim Kies-Wasser-Speicher durch eine Folie gegen das Erdreich abgedichtet werden. Man erreicht dann für Lehm- und Tonhböüden einen volumetrischen Wasseranteil von mehr als 50 Frozent, Im Gegensatz zu Kies-Wasser-Speichern kommt &s bei Erdeisspeichern jedoch beim Phasenwechsel des Wassers zu KHebungen und. Senkungen des Speicherkörpers, sodass Erdeisspeicher an der Oberfläche nicht versiegelt werden können,

Der Luftwärmeabsorber {4} ist bevorzugt als soledurchströmter Lamellenwärmetauscher ausgebildet. Ein solcher besteht im Wesentlichen aus parallelgeschalteten metallischen Kernrehren, in denen der Wärmefräger {Sole} geführt wird, Im Hinblick auf einen möglichst großen Wärmeaustausch mit der Umgebungslute (da} werden die Oberflächen der Kernrohre durch Lamellen vergrößert, Die Lamellen besitzen zur Aufnahme der Kernrchre deswegen sogenannte Krageniöcher, mithilfe derer zum einen ein definierter Abstand zwischen den Lamellen hergestellt und zum anderen der Wärmübergang zwischen Kernrechren und Lamellen optimiert wird. Des Weiteren wird ein Luftstrom durch die Lamellen mithilfe von Ventilatoren {4b} erzwungen. Eine bedeutende Ausprägung solcher Luftwärmeabsorber {4} besteht in sogenannten Rückkühlern, die der Abfuhr von Wärme aus

{da} dienen, Sie stehen marktbreit und in unterschiedlichsten Variationen und

industriellen Prozessen an die Umgebungsluft

Leistungsklassen zur Verfügung, In einer bevorzugten Ausführung der gegenständlichen Erfindung ist der Luftwärmeabsorber (4) deswegen durch einen marktgängigen Kückkühler ausgebildet. Entgegen seinem ursprünglichen Verwendungszweck dient er aber nun nicht nur der Abgabe von Wärme, Sondern such deren Aufnahme aus der Umgebungsliuft (da),

Bin entscheidender Aspekt der gegenständlichen Erfindung besteht darin, dass die beiden Umgebungswärmequellen im Solekreisiauf der Sole-Wasser-Wärmepumpe {2} hydraulisch so verschalt sind, dass im Heizberrieb {12} sowohl der erdvergräbene Speicher (3) als auch die Umgebungsluft {4a} als Umgebungswärmequelien am Verdampfer {2a} der Sole-Wasser-

Wärmepumpe 12) zur Verfügung stehen, Im Kühlbetrieb (13) wird

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Die Sole-Wasser-Wirmegumpe {2} nimmt an ihrem Soleeingang außerdem immer nur Wärme auf (und gibt in keiner Betriebsart Wärme ab}, sodass ihr Kältekreis nicht reversibel ausgeführt werden muss,

Die verschiedenen Baetriebsarten und Unferbetriebsarten der erfindungsgemäßhen Heiz- und Kühlanlage {1} werden nachfolgend aun im Detail erklärt:

HETIZBETRIEB

Die Gründlage des Meizbetriebs {12} und seinen Unterbetriebsarten (128, 12b, 12c} ist der Solehauptkreislauf {10a}, bei dem die beiden Umgebungswärmequellilen und der Verdampfer (2a) der Sole-Wasser-Wärmepumpe (2) in Serie geschaltet sind, Im Detail wird die Sole nach dem Verlassen des Verdampfers {2a} zunächst über ein Umschaltventil I (Ba in der Stellung AB-A zum 8ingang des Luftwärmeabsorber (4} geleitet. Van dessen Ausgang geht es weiter über ein Umschaltventil IT (6b) in der Stellung AB-A an den Eingang des erdvergrabenen Speichers (3), Von dessen Ausgang wird die Sole Schließlich über ein Umschaltventil III (6c}) ebenfalls in der Stellung AB-A und die Solepumpe I (7a) zurück zum Verdampfer (ga) geführt, womit der Solehauptkreislauf (10al geschlossen ist.

In einer ersten Unterbetriebsart (12a} (HEIZEN-Z-OUELLEN) des Heizbetriebs (12) wird exakt dieser Solehauptkreislauf {10a} betrieben, E12 wird von einer Steuerung (11} im Wesentlichen dann aktiviert, wenn die Lufttemperatur yröäßer ist als die Soletemperatur am Ausgang des Verdampfers (Za), Die Sole kann Auf ihrem Weg durch den Luftwärmeabsorber {2} bereits Wärme aufnehmen und verlässt diesen ivpischerweise auf einem Temperaturniveau, das noch unter jenem des erdvergrabenen Speichers (3) i1iegt, Die Sole nimmt auf ihrem Weg durch diesen folglich weiter Wärme auf und führt die kumlierte Wärme schließlich dem Verdampfer (2a) zu. Die Sole-Wasser-Wärmepumpe {2} hebt die zugeführte Wärme auf ein höheres Temperaturniveau

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Bei bestimmten Temperaturverhältnissen (hehe Lufttemperatur, niedrige Speichertemperatur} kann es auch vorkommen, dass die Soietemperatur nach dem Luftwärmeabsorber {2) das Termperaturniveau des erdvergrabenen Speichers {3} bereits überschreitet. Die Temperatur der Sole nimmt auf ihrem Weg Aäurch den erdvergrabenen Speicher (3) dann wieder ab, was sich zunächst ungünstig auf die Arbeitszahl der Sole-WasserWärmepumpe {Z) auswirkt. Dies kann aber auch ein Vorteil sein, weil damit Wärme in den Speicher {3} eingetragen wird, die später bei kalten Witterungsverhältnissen wieder zur Verfügung steht.

In der zweiten Unterbetriebsart {126} {HEIZEN-LUFT) wird die

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von der Sole-Wasser-Wärmepumpe (2} benötigte Umgebungswärme

ausschließlich der Ungebungsluft (da} entnommen, Die Steuerung {11} aktiviert diese Unterbefriebsart entweder bei sehr milden Witterungsverhältnissen oder wenn, insbesondere vor prognostizierten Kälitepericden, der erdvergrabene Speicher (3} geschont werden soll. Im Solekreis wird der Rohrkollekter (38&} des Speichers (3) dann durch das Umschalitventils IT (6bj in der Steilung AB-B und die Bypass-Leitung II ({14b) umgangen

EN

in der dritten Unterbetriebsart (126) (HEIZEN-SPEICHER}) wird die von der Sole-Wasser-Wärmepumpe {2} benötigte Umgebungswärme ausschließlich aus dem erdvergrabenen Speicher (37 entnommen, Der Unterschied zum Solehauptkreislauf (108) besteht darin, dass der Luftsoleabsorber (4) mithilfe des Umschaltventils I (6a} in der Stellung AB-B und der BypassLeitung I {lda} umgangen wird, Die Steuerung {11} aktiviert diese Unterbetriebsart entweder bei sehr kalten Witterungsverhältnissen oder wenn die Erzeugung von Heizwärme bei einer ÄAbtauung des Lüftwärmeahsorher (4) aufrechterhalten werden Soll.

Seile £

Steuerung (11) im Heizbetrieb (12} regelmäßig die

n

Ärbeitszaählen der Unterbetriebsarten (1fa, 12b, 12c} unter den aktuellen Bedingungen und aktiviert —- abgesehen von Aushahmesituationen - automatisch jene, welche die hächste

Ärbeitszahl aufweist,

Die besagten Arbeitszahlen hängen im Wesentlichen von der Soletemperatur im Verdampfer (Za}) und der Wassertemperatur im Verflüssiger (2b) ab (vergleiche Carnot-Wirkungsgrad}, Während die Wassertemperatur im VerFflüssiger {2b} für alle drei

die sich einstellende Soletemperatur im Verdamofer (Za} berechnet werden. Die exakten Temperaturen der Sole am Eingang und Ausgang des Verdampfers (Za) sind dabei Variable in einem nicht iinearen Gleichungssystem, welches neben der Lu£ft- und der Speichertemperatur auch anlagenspezifische Parameter wie beispielsweise die Wärmetauscherfläche und Luftleistung des Lu£ftwärmeabsörbers, den Seledurchfliluss, die

Tamperaturspreizüung der Wärmepumpe, etc. enthält, Die Soletemperaturen an Verdampfer-Aingang bzw. -Ausgang lassen glich durch die Steuerung {11} daher analytisch schwer ermittein, Mit der Rechenleistung einer modernen Steuerung {11} kann das Problem aber durchaus auch numerisch gelöst werden,

ABTAUBETRIEBR

Der Abtaubetrieb ist eite vierte Unterbetirliebsart (1720) des Heizbetriebes (12), Bedingt durch die Abkühlung der Umgebungsliuft {da} kömmt es zu einer Kondensation des in ihr enihaltenen Wasserdampfes und in weiterer Folge zu einer Eisbildung an den Lamellen und Kernrohren des Luftwärmeabsorbers (4), wenn die Sole- und/oder die vermindert den Wirkungsgrad des Luftwärmeabsorbers (4) beziehungsweise macht ihn überhaupt funktionsunfählg, sodass üas Eis während des Heizbetriebes (12) inmer wieder abgetaäut Werden Muss.

Lufttemperatur unter dem Gefrierpunkt iiegen,. Diese Eisbildung

In der gegenständlichen Erfindung kommt außerhalb der Sole

Wasser-Wärmepumpe {2} kein Kältemittel Zum Einsatr, Alle

Energleverschliebungen zwischen der Sole-Wasser-Wärmepumpe {2)

und den beiden Umgebungswärmequellen müsgen demnach auf der

Basis des Wärmeträgers Sole durchgeführt werden. Dies

erfordert größere Rohrleitungsquerschnitte, hat jedoch auch Seite 7

Die Abtauyung des Luftwärmeabsorbers (4) erfolgt also über die S0le,. Dazu Wird der Solehauptkreislauf {10a} in zwei autarke Unterkreisliläufe Soleunterkreislauf I (10b} und Soleunterkreislauf II {10c} aufgeteilt, Der Soleunterkreislauf IT {(10b} deckt sich weitgehend mit dem Solehauptkreislilauf {10a}, Jedoch wird bei diesem über das Umschaltventil TI (6a) in Stellumg AB-B und die Bypass-Leitung I {14a} der Lußtwärmeabsorber {4} umgangen. Da sich die Solepumpe I (7a) im Soleunterkreislauf II {10c} befindet, muss der Soieunterkreislauf {106) mit einem eigenen Antrieb ausgestattet werden, der durch eine Sclepumpe II (7b) qegeben 185,

Im Detail führt der Soleunkterkreislauf I ({10b} von der Öruckseite der Soilepumpe II {7b} ausgehend zunächst über den Sole-Warmwasser-Wärmetauscher (8a} und das Rückschlagventil {6} zum Lu£ftwärmeabsorber {4} und von diesem zurück zur Saugseite der Solepumpe II (7a), womit der Spleunterkreislauf I {10b} weschlossen ist, Das Rückschlagventil (6d) verhindert in der eysten beziehungsweise zweiten Unhterbetiriebsart (12a, 12b) einen Solefluss durch den Sole-Warmwasser-Wärmetauscher (Ba). Im gegenständlichen Abtaubetrieb (12d} wird es dagegen durch den Druckaufbau der Solepumpe II (7b) automatisch geöffnet und bildet dann annähernd keinen Druckverlust mehr aus. Selibstverständlich könnte das Rückschlagventil (6d} auch als motorisiertes Z/2-Wegeventile ausgeführt werden, %edoch müsste es dang explizit in die Steuerung {11} eingebunden werden, was mit einem größeren Integrationsaufwand und einer zusätzlichen Fehilerquelle verhunden wäre.

Die Abtauung des Luftwärmeabsoerbers {4} wird durch den Betrieh des Soleunterkreislaufes I (10h) aktiviert, Die Sole nimmt auf ihrem Weg durch den Sole-Wartgwasser-Wärmetauscher {Ra} Wärme auf und bringt diese über das Rückschlagventil (68) zum Lu£ftwärmeabsorber {4), wo sie das an dessen Lamellen und Kernrohren anhaftende Eis zum Schmelzen bringt.

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Des Weiteren ist in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung der innenliegende Kohrwärmetauscher {8A} im unteren Bereich des Warmwasserspeichers {8) angebracht, sodass bei einer Wärmsentnahme die Schichtung im cocbersten Bereich erhalten bleibt und das wärmste Wasser weiterhin für den Warmwasserverbraucher (Sa} und/oder den Verbraucher (5) zur Verfügung steht,

Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Abtaulödsung besteht darin, dass, bedingt durch die Unabhängigkeit der beiden Unterkreisläufe Soleunterkreislauf I (10b) und Soleunterkreislauf IX {10c), während der Abtauung die Heizwärmeserzeugung nicht unterbrochen werden müss, Die Umgebungswärme für die Sole-Wasser-Wärmepumpe (2) wird dann ausschließlich dem erdvergqrabenen Speicher (3) entnommen, Auch die Aktivierung der Ahbtauung kann praktisch nahtlos aus einer

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der drei ersten Unterbetriebsarten (12a, 12b, 121 erfolgen, weil keine Prozessumkehr im Kältekreis notwendig ist und sich die Verhältnisse in diesem deswegen nur wenig ändern. Würde man die Abtauung hingegen durch eine Prozessumkehr realisieren, wäre die Umschaltung komplex und zeitaufwändig, weil durch die Vertauschung der Funktionen von Verdampfer (Za) und Verflüssiger (2b) zunächst die Temperaturniveaus des Kältemitteis an die neue Situafion angepasst werden müssten,

Schließlich besitzt die in Fiq, 1 vorgeschlagene Lösung auch noch den Vorteil, dass die Abtauung mit großer Leistung und deswegen sehr schnell erfolgen kann, Der Grund dafür ı1iegt darin, dass die im Warmwasserspeicher {8) über einen längeren

Zeitraum aufgebaute Wärme nun in viel kürzerer Zeit abgeetrritet

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KEGENERATION

Die Regeneration des erdvargrabenen Speichers {3} ist eine fünfte Unterbetriebsart (12e) des Heizbetriebes {12}, Im Hinblick auf geringe Errichtungskosten und einen geringen Filächenbedarf, muss insbesondere der erdvergrahene Speicher (3) so klein wie möglich gehalten werden, Anders als bei Fiächenkoilekteren oder auch den noch in Entwicklung befindlichen Erdeisspeichern handelt es sich beim gegenständiichen Speicher {3} nicht um einen Saisonspeicher, Sondern um einen kleinen Hilfsspeicher, der innerhalb der Heizsailson bei jeder sich bietenden Gelegenheit regeneriert wird. Damit diese intrasaisonale Regeneration überhaupt

stattfinden kann, bedarf es der zweiten Umgebungswärmequelle Umgebungsluft (da), deren Wärme über den Iuftwärmeabsorber {4} abgegriffen wird,

Der erdvergrabene Erdspeicher [3} wird bevorzugt als Lateniwärmespeicher mit dem Phasenwechselmaterial Wasser (36) hetrieben, Wegen der aroßen latenten Wärmemenge im Bereich von 0°C stellt sich über weite Strecken der Heizsalison auch dieser Betriebspunkt ein, was wiederum eine natürliche Regeneration des Speichers bei Lufttemperaturen ermöglicht, die nur knapp über dem Gefrierpunkt Liegen. Dieses Temperaturniveanu wird in gemäßigten Klimazonen auch während ausgeprägter Kältephasen immer wieder erreicht, sodass der Speicher sogar inmitten splcher zumindest Leilweise regeneriert werden kann,

Das Weiteren sorgt in einer bevorzugten Ausführung der gegenständlichen Erfindung das Speichermanagement der Steuerung {11} dafür, dass während ausgeprägter Kälteperioden der erdvergrabenen Speicher (3) bestmöglich geschont und die Umgebungswärme bevorzugt der Umgebungsluft {4a} entnetmen wird. Die latente Energie des Speichers (3} steht dann tatsächlich für die kältesten Witterungsphasen zur Verfügung, in denen ansonsten eine (meist. elektrische) Zusatzheizung aktiviert werden müsste,

Modeilrechnungen zeigen, dass sich beispielsweise für Wien die Aktivierung einer Zusatzheizung auch in kalten Wintern

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Der Solekreislauf bei der Regeneration ist identisch mit dem Solehauptkreislauf (10a}, Die Sole wird durch. den Verdampfer {2a} der Sole-Wasser-Wärmepumpe {2} geleitet, jedoch ist aiese nicht aktiviert, scdass im Verdampfer (23) keine Wärmeabgabe stattfindet. Damit ist die Energqiebilanz recht einfach und besagt, dass die aus der Umgebungsluft {4a} aufgenommene Wärme eins zu eins in den erdvergrabenen Speicher (3) übertragen wird. Diese Unterbetriebsart {i12e}) wird von der Steuerung {113 aktiviert, wenn kein Bedarf für eine Wärmeerzeugung gegeben ist umd die Lufttemperatur größer als die Speichertemberatur ausfällt.

KÜHLBETRIEB

Die Grundlage des Kühlbetriebs (13} und seiner Unterbetriebsarten sind die unabhängigen Unterkreisläufe Soleunterkreisiauf I {105} und Solemnterkreislilauf IL {106}, wie sie schon bei der vierten Unterbetriebsart (12d}) (ABTAUEN} des Heizbetriebs {12} besprochen wurden,

In einer ersten Unterbetriebsart (138} (KÄLTEAUFBAU IM SPEICHER} des Kühlbetriebs (13) entzieht die Scle-WasserWärmepumpe (3) dem erdvargrabenen Speicher (3) über den Soieunterkreislauf II {10c} Wärme und hebt das Temperafturniveau auf der Wasserseite dann SO hoch an, dass die entzogenes Wärme über den Luftwärmeabsoörber {4} an die Umgebungsluft (4&) abgegeben werden kann, Dies erfolgt bevorzugt indirekt über den Warmwasserspeicher (8) und den SO1e-Wargwasser-Wärmetauscher (8a), weil dann auch während das Kühlbetriebs (13) immer ausreichend Warmwasser für einen Warmwasserverbraucher {Sa} zur Verfügung steht,

Diese erste Unterbetriebsart (13a) wird von der Steuerung (113 aktiviert, wenn die Bedingungen für eine kostengünstige Kälteerzeugung Vorliegen, Jedoch keine Abnahme der Kälte stakitfindet. Beispielsweise wäre hier ein Bürogebäude vorstelibar, das an den Wochenenden oder Feiertagen keinen Kältebedarf aufweist, ledoch Kälte preisgünstig aus einer

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In einer zweiten Unterbetriebsart (13b} (PARTIELLER KÄLTEAUFBAU) des Kühlbetriebs {13} wird ein Teil der durch die Sole-Wasser-Wärmepumpe (2} erzeugten Kälteleistung zur Deckung eines aktuellen Kältebedarfs verwendet, Der ändere Teil wird in den Kälteaufbau im erdvergrabenen Speicher (3) investiert, Diese Unterbetriebsart {13b) wird von der Steuerung {11} dan aktiviert, wenn der Kältebedart des Verbrauchers {5} unter der Leistunusgrenze der Sole-Wasser-Wärmepumpe {2} liegt und gleichzeitig preisgünstige elektrische Energie zur Verfügung steht.

Die Solekreisläufe ähneln jener der ersten Unterbetriebsart {13a}, wobei der Soleunterkreislauf TI {10b) überhaußt identisch betrieben wird. Im Soleunterkreislauf II wird über das Umschaltventil IIX (6c) in der Stellung AB-RB die BypassLeitung III {14c) deaktiviert und damit der Sole-KaltwasserWärmetauscher (Sa; in den Salekreis mitaufgenomnmen., Das Umschaltventil II {6b} ist bevorzugt als Misch- oder Begelventil ausgeführt, sodass die Steuerung {li} über die Bypass-Leitung IT {14b} einen kontinuierlich einstellbaren Teil des Solestroms am erdvergrabenen Speicher {3} vorbeiführen kann, wobei in der Stellung AB-B3 der gesamte und in der Stellung AB-A überhaupt kein Solestrom am Speicher vyorbeigeführt wird.

In einer dritten Unterbetriebsart {(13c} {PARPIELLER KÄLTEABBAU) des Kühlbetriebs (123) wird nur ein Teil der vom Verbraucher {5} benötigten Käliteleistung durch die SoleWasser-Wärmepumpe (2) erzeugt. Ein zweiter Teil wird dem erdvergrabenen Speicher {3} entnommen. Der Steuerung (11) aktiviert diese Unterbetriebsart (13c} beispielsweise dann, wenn elektrische Energie aktuell teuer ist, aber die benötigte Käliteleistung nicht ausschließlich aus dem erdvergrabenen Speicher {3) bezogen werden kann, Ein anderer Anwendungsfall ist gegeben, wenn vom Verbraucher {5} Kältespitzen benötigt werden, weiche die LeisCtungsgrenze der S3ole-Wasser-Wärmepumpe {2} übertreffen.

Die Solekreisiäufe für diese dritte Unterbetriebsart {13c3} decken sich mit jener der zweiten Unterbeiriebsart {12b}. Die beiden Unterbetiriebsarten sind von der Steuerung {11}

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In einer vierten Unterbetriebsart {130} (PASBIVES KÜHLEN) des Kühlbetriebs (13) wird die in der ersten und/oder zweiten Unferbeiriebsart {13a, 13b] im erdvergrabenen Speicher (37 aufgebaute Kälte ohne AkKtivierung der Sale-Wasser-Wärmepumnmpe (2) an einen Verbraucher (5) abgegeben, Sie wird von der Steuerung {11} beispielsweise dann aktiviert, wenn während der Nachtstunden kein Photovoltaikstrom verfügbar, aber dennoch ein Kältehedarf gegeben 18%. Die Soclekreisläufe sind identisch mit jenen der zweiten und dritten Unterbetriebsart {13b, 136), jedoch ist die Sole-Wasser-Wärmepumpe (2} deaktiviert.

In einer fünften Unterbetriebsart (13e) {KÜHLEN} des Kühlbetriebs {13) wird keine Kälte im erdvergrabenen Speicher (3} aufgebaut, sondern die gesamte Kälteleistung der SoleWasser-Wärmepumpe (2) an den Verbraucher (5A) abgegeben, Die Soiekreisläufe decken sich weitgehend mit jenen der zweiten Unterbetiriebsart (13b), jedach wird im Soleunterkreisiauf II {10c} über das Umschaltventil IX (6b} in der Stellung AB-B und die Bypass-Leitung II (14b) der erdvergrabene Speicher {3} VOoliständig umgangen.

Die Übertragung der Kälte an den Verbraucher (5) erfolgt in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung indirekt über einen Sole-Kaltwasser-Wärmetauscher (9a). Dieser ist bevorzugt durch einen imnenliegende Rohrwärmetauscher in einem Kaltwasserspeicher {9} ausgebildet, Grundsätzlich könnte er auch als Flattenwärmetauscher (in Fig, 1 nicht ausgeführt} realisiert werden, jedoch bestünde auch hier - ähnlich wie schen beim Sole-Warmwasser-Wärmetauscher (3a) - die Gefahr von Frostschäden,

Fig, 2 fasst die in Fig, 1 beschriebenen Betriebsarten und Interbeiriebsarten noch einmal schematisch in einer hierarchischen Darstellung zusammen,

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Aus Fig. Z und Tabelle I wird rasch klar, dass der Steuerungsaufwand für die gegenständliche Heiz- und Kühlanlage

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{1} micht unbeträchtlich ist. Für einen kostenoptimalen Betrieb der Anlage benötigt die Steuerung (11} insbesondere auch Temperatur- und Strompreisprognosen sowie Daten über die elektrischen Energiequellen, wie sie insbesondere durch Photovoltaikanlagen gegeben sind. Die Daten der letzteren kann die Steuerung {11} von modernen Wechselrichtern über standardisierte IT-Schnittstellilen und Protokolle abgreifen,. Strompreis- bzw. Temperaturprognosen sind über verschiedene Online-Portale verfügbar. Die stündlichen Marktoreise für Strom, die sich aus der täglich stattfindenden DAY-AHRADAuktion der EPEX (European Power Exchange] ergeben, stehen beispieiweise auf deren Portalen (EPEXSPOT) jeweils ab 14:00 für den darauffolgenden Tag zur Verfügung,

Der Steuerung {11} kommt nun die Aufgabe zu, zu jeder Zeit den proynocstizierten Wärme- bzw, Kältebedarf abzudecken und dabei die benötigte Wärme bzw. Kälte mit minimalen Kosten zu erzeugen, Diese komplexe Aufgabe lässt sich am einfachsten mit einem maodeilprädiktiven Regler lösen, Dieser enthält ein mathematisches Modell, nach dem sich die Kosten in

Variablen, die von der Steuerung {11} manipuliert werden können, werden auch als Entscheidungsvariable oder Stellgrößen bezeichnet, Die konkrete Aufgabe des Reqlers ist es also, fortlaufend die Steilgrößen so zu berechnen, dass sich für die Gesamtkosten innerhalb eines sogenannten Prädiktionshorizents 2in Minimum ergibt,

Eine spezielle Methode für die Formulierung des mathematischen Modells ist durch die gemischt-ganzzahlige Optimierung (engilsch:; MILP} gegeben. Das mathematische Modell liegt hier durch lineare Gleichungen beziehungsweise Ungleichungen var, bei dem eine Teilmenge der Variablen nur mit ganzzahligen oder diskreten Werten belegt werden. darf, Damit stehen wesentlich weniger Lösungskombinationen als bei kontinuierlichen Variablen zur Verfügung, Mit speziellen Salver-Programmen lassen sich MILP-Probleme dadurch sehr schnell und mit vertrectbaren Rechenleistungen lösen,

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In einer beverzugten Ausführung der Erfindung greift die Steuerung {11} Temperatur- und/oder Strompreisproghosen beziehungsweise Daten von zusätziichen elektrischen Energiequellen über eine Netzwerkschnittstelle von externen Geräten und/oder Online-Portalen ab. Sie berechnet zunächst den zeitlichen Verlauf des Wärme- bzw. Kältebedarfs, der sich bei Raumklimaanwendungen im Wesentlichen aus der Preoquose für die Lufttemperatur ergibt, Die Steuerung {11} enthält einen modeilprädiktiven Regler, in dessen mathematischem Modell Gleichungen vorliegen, über die sich die entstehenden Kosten in die verschiedenen Unterhbetriebsarten berechnen lassen (Zielfunktion}. Daneben existieren weitere Gleichungen und Ungleichungen (Nebenbedingungaen), welche die Wertebereiche der Variablen einschränken, Der modeliprädiktive Regler enthält einen Salver, der fortwährend versucht die Unterbetriebsarten So einzustellen, dass sich die Gesamtkosten unter Einhaltung der Nebenbedingungen innerhalb eines Prädikticonshorizonts zu einem Minimum ergeben,

Weitere Stelilgrößen des Reglers sind eventuell durch die Stellung des Mischventils II {65} und — bei einer Ausführung

der Sole-Wasser-Wärmepumpe {2} als Inverter-Wärmepunpe - die Frequenz des Kumpressaors gegeben.

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Heizen-2-Quellen {12a} AB-A | AB-A | ARB-A BIN AUS

EIN

Heizen-Luft. {12b) AB-A | AB-B | AB-A | EIN AUS

BIN

Heizen-Speicher {120} AB-B | AB-A ! AB-A | EIN | AUS

EIN

Abtauen (120) ABB Se - - EIN

Regeneration Speicher {12e} | AB-A | AB-A | AB-A | EIN | AUS

AUS

Kühlbetrieb {13}

Kälteaufbau im Speicher AB-B | AB-A | AB-A: EIN | EIN (13a)

EIN

Partieller Kälteaufbau AR-B | AB-A | AB-8 | ZIN BIN {13b) / Partieller AB-B Kälteabbau (13e} *)}

EIN

Passives Kühlen (130) AB-B | AB-A | AB-B | EIN AUS

N

ATTS AU Sl

Kühlen {136} AB-B | ABB. | AB-B | EIN EIN

EIN

Bemerkungen -— 12a: Umgebungswärme aus beiden Ouellen (Standardi - 12b: Umgebungswärme ausschließlich aus Umgebungsluft milder Witterung oder Schonung des Speichers vor Kälteperioden) - i2o: Umgebungswärme ausschließlich aus Speicher i{bei alter Witterung oder gleichzeitigem Abtäubetrieb‘

+ %

136,212d: bei Bedarf auch gleichzeitig

{bei

Ssahr

i1äb, 130: Bei Verfügbarkeit kostengünstiger elektrischer

Energie

- 12e‚,12d: Ohne Aktivierung der Wärmepumpe

- *)} Umschaltventil II (6b) bei einer Ausführung als Mischventil kontinuierlich zwischen AB-A und AB-B verstelibar

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1 Heiz- und Kühlanlage

2 Sole-Wasser-Wärmepumpe

2& Verdampfer

25 Ver£flüssiger

3 Erdvergrabener Speicher

38 (suledurchströmter) Rohrkollilektor

äöß Thermische Isolation

38 Phasenwechselmaterial Wasser

30 Feastkörpermatrix

A (soledurchströümter} Iuftwärmeabscorber

4a Umgebungsliuf£ft

4b Ventilator

5 Verbraucher

Sa Warmwasserverhraucher

52 Mmschalitventil I {Bypass Luftwärmeabsorber)}

6 Umschaltventil II {(Rypass erdvergrabender Speicher) ö© Umschaltventil III (Bypass Kaltwasserspeicher] &1 Rückschlagventil

7a BSolepumpe I

7b Solepumpe II

TC WFasserpumpDe

SE Karmwassersoeicher

8&R SOle-Warmwasser-Wärmetauscher

2 Kaltwasserspeicher

Qa Sole-Kalitwasser-Wärmetauscher

10a Solehauptkreislilauf

106 Soleunterkreisilauf I

1011 Steuerung

12 Heizbetrieb

12a Erste Unterbetriebsart (Heiszen-2-Quellen}

12b Zweite Unterbetriebsaäart (Heizen-Luft}

1250 Dritte Unterbetriebsart (Heigen-Apeicher}

12 Vierte Unterbetriebsart (Abtauen)}

ie Fünfte Unterbetriebsart (Regeneration Speicher) 13 Xühlbetirieb

i3& Erste Unterbeifiriebsart (Kälteaufbau im Speicher‘ 15 Zweite Unterbetriebsart {(Partieller Kälteaufbau} 1536 Dritte Unterbetriebsart (Partieller Kälteabbauf 13c Vierte Unterbetriebsart (Passives Kühlen)

13€ Fünfte Unterbetriehsart (Kühlen?

14a Bypass-Leitung I (Lu£ftwärmeabsorber)}

14b Bypass-Leitung II (erdvergrabender Speicher) 14c Bypass-Leitung III (Kaltwasserspeicher)

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Claims

1, Kombinierte Heiz- und Kühlanlage {1} mit einer Sole-WasserWärmepumpe {2} und Zwei Umgebungswärmequellen, erstens einem erdvergrabenen Speicher (3} mit einem soledurchatrömten Rohrkollekter (3a), bevorzugt ausgebildet als Kias-WasserSpeicher, und zweitens einem soledurchströmten Luftwärmeaäbsorber (4), bevorzugt ausgebildet als Lamellenwärmetauscher, gekennzeichnet dadurch, dass im

Heizbetrieb (1231:

— die Soie-Wasser-Wärmepumpe (2) in einer ersten Unterbetiriebsart (12a} sowohl dem erdvergrabenen Speicher (3} als auch der Umgebunmgsluft {da}

— und/oder in einer zweiten Unterbetriebsart (12b)} ausschließlich der Umgebungslurft (da}

— und/oder in einer dritten Unterbetriebsart {1203 Ausschließlich dem erdvergrabenen Speicher (33

Wärme entzieht, und diese als Heizwärme auf einem höheren Temperaturniveanu direkt oder Indirekt an einen Verbraucher {S) abgegeben wird;

und im Kühlbetrieb (13):

& X

Wärmepumpe {Z} im erdvergrabenen Speicher (3} Kälte aufbaut, und dabei die dem erdvergrabenen Speicher {3} enczogene Wärme über den Luftwärmeabsorber (4} auf ginem höheren Temperaturniveau an die UmgebungsLuft {4a} abgegeben wird,

— in wenigstens einer Unterbeftriebsart die Sole-Wasser-

— in wenigstens einer anderen Unferbetriebsart die im erdvergrabenen Speicher {3} aufgebaute Kälte direkt oder indirekt an den Verbraucher {5} abgegeben wird,

2. Koxbinierte Heiz- und Kühlanlage (1) nach Anspruch 1; gekennzeichnet dadurch, dass in einer vierten Unkterbetriebsart {12d) des Heizbetriebs {12} Aus der ersten und/oder zweiten und/oder dritten Unterbetriecbhsart (12a; 125, 126) stammende Heizwärme an den Luftwärmeabsorber {4} abgegeben und dadurch dort befindiiches Eis abgeschmolzen WLEd,

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4, Kombinierte Heiz- und Kühlanlage {1} mach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass im Heizhbetrieb (12i Sie dritte Unterbetriebsart (120) und die vierte Unterbeirichsart {1820} zeitgleich aktiviert werden,

5, Kombinierte Heiz- und Kühlaniage (1) nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass der erdvergrabene Speicher {3} sowohl im Heizbetrieb (12) als auch im Kühlbetlrieb {13} wenigstens zeitweise als Latentwärmespeicher im latenten Bereich des Phasenwechselmaterials Wasser {36} betrieben wird, wobei gich dieses bevorzugt im Porenzwischenraum einer Festkärpermalrix (3a) befindet.

6. Kombinierte Heiz- und Kühlanlage {1} nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass der erdverorabene Speicher {3} gegenüber dem umgebenden Erdreich durch eine thermische Isolation {3b} und/oder durch eine wasserdichte Folle getrennt ist,

7. Kombinierte Heiz- und Kühlanlage {1} nach den Ansprünhen 1 bis €&, gekennzeichnet dadurch, dass der latente Wärmeinhalt des erdvergrabenen Speichers {3} einen Grenzwert von LOG Stunden multipliziert mit der Nennheizleistung der SoleWasser-Wirmepumpe (2) nicht überschreitet,

8, Kombinierte Heiz- und Kühlanlage {1} nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass eine Steuerung (11} im Heizbetrieb (12) regelmäßig die Arbeitszahlen der SoleWasser-Wärmepungpe {ZZ} für die ersten drei Unterbeiriebsarten (12a, 125, 120} unter den aktuellen Bedingungen berechnet und die Anlage in die Unterbetriebsart mit der höchsten Arbeitszahl versetzt,

+. Kombinierte Heiz- und Kühlanlage (1} nach den Ansprüchen 1 bis &, gekennzeichnet dadurch, dass die elektronische Steuerung {11} Daten über die aktuelle oder zukünftige Verfügbarkeit zusätzlicher elektrischer Energiequellen (insbesondere von Photovoltaikanlagen] und/oder Temperaturund/oder Strompreisprognosen von externen elektronischen Geräten (insbesondere von Wechselrichtern]} und/oder OnlinePortalen abyreift.

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