CH721935A1 - Anlage zur wärmeversorgung eines gebäudes und betriebsverfahren - Google Patents

Abstract

Anlage zur Wärmeversorgung eines Gebäudes, weist nebst einem Aussenluft-Wärmetauscher (11), einer Ventilatoreinrichtung (12) zum Fördern von Aussenluft durch den Aussenluft-Wärmetauscher (11), einem Latentwärmespeicher (13) mit geschlossenem Tank (18) und einer Wärmepumpe (15) ein mit einem flüssigen Arbeitsmedium gefülltes Leitungssystem (16) sowie eine Pumpeinrichtung (17) zum Fördern des Arbeitsmediums durch das Leitungssystem auf. Das Leitungssystem (16), die Pumpeinrichtung (17), der Aussenluft-Wärmetauscher (11), die Wärmepumpe (15) und der Latentwärmespeicher (13) bilden einen geschlossenen Kreislauf für das Arbeitsmedium und sind so eingerichtet sind, dass das Arbeitsmedium auf dem geschlossenen Kreislauf nacheinander in dieser Reihenfolge den Aussenluft-Wärmetauscher (11) den Latentwärmespeicher-Wärmetauscher (19) und einen Verdampfer-Wärmetauscher (21) der Wärmepumpe (15) durchströmt, bevor es wieder zum Aussenluft-Wärmetauscher (11) zurückgeführt wird.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft das Gebiet der Wärmeversorgung von Gebäuden, d.h. der Gebäudeheizung und/oder des Bereitstellens von Wannwasser. Sie betrifft insbesondere eine Anlage zur Wärmeversorgung eines Gebäudes sowie ein Betriebsverfahren für eine solche Anlage.

[0002] Wärmeversorgungssysteme mit Wärmepumpen umfassen nebst den nur unter speziellen Umständen in Frage kommenden Wasser/Wasser-Wärmepumpen, welche dem Grundwasser Wärme entziehen, einerseits Systeme mit Wärmetauschern im Erdreich (sogenannte Erdsondenwärmepumpensysteme) und andererseits Systeme mit Aussenluft-Wärmetauschern, welche die Umgebungsluft als Wärmequelle nutzen. Letztere benötigen deutlich weniger Investitionen als die Erdsondenwärmepumpensysteme, haben aber den Nachteil, dass ihre Effizienz geringer ist. Diese geringere Effizienz fällt insbesondere dann ins Gewicht, wenn die Aussentemperaturen tief sind und damit der Bedarf an Heizenergie besonders hoch ist. Ein weiterer Nachteil von Wärmepumpensystemen mit Aussenluft-Wärmetauscher sind die doch grossen Lärmemissionen, welche darauf zurückzuführen sind, dass ein Ventilator stets Luft durch den Aussenluft-Wärmetauscher fördern muss, wenn die Wärmepumpe in Betrieb ist - namentlich auch des Nachts.

[0003] Zur Überwindung dieser Nachteile wurde bereits die Verwendung von Eisspeichersystemen vorgeschlagen, beispielsweise in der EP 2614330 A1. Bei einem solchen Eisspeichersystem entzieht ein Entzugswärmetauscher während der Heizperiode Wärme aus einem Eisspeicher, bis der Eisspeicher thermisch entladen ist. Bei thermischer Entladung ist ein vorbestimmtes Volumen um den Entzugswärmetauscher vollständig zu Eis erstarrt. Dies erfolgt in kontrollierter Weise. Das Wasser um die Wärmetauscherrohre des Entzugswärmetauschers erstarrt gezielt von innen nach aussen. Um den Eisspeicher wieder zu laden, wird nach der Heizperiode Wärme, insbesondere von der Aussenluft, über einen Regenerationswärmetauscher in den Eisspeicher eingebracht. Dabei taut das Eis um den Entzugswärmetauscher ebenso gezielt und gerichtet wieder auf. Die hydraulischen Kreisläufe zum Entzug und zur Regeneration müssen streng getrennt sein, um ein unkontrolliertes Auftauen oder Einfrieren zu vermeiden, was den Eisspeicher unkontrollierbar machen würde oder im ungünstigsten Fall durch Abplatzungen von Eis die Wärmetauscherrohre beschädigen oder sogar zerstören könnte. Nebst der daraus resultierenden Komplexität ist an solchen Eisspeichersystemen gemäss dem Stand der Technik auch nachteilig, dass sie einen grossen Platzbedarf haben, damit der Eisspeicher genügend gross ist, um in der warmen Jahreszeit Wärme für die Heizperiode zu speichern.

[0004] Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, eine Anlage mit Aussenluft-Wärmetauscher zur Wärmeversorgung eines Gebäudes zur Verfügung zu stellen, welches Nachteile des Standes der Technik überwindet und die Vorteile von Wärmepumpensystemen mit Aussenluft-Wärmetauscher nutzt, wobei dessen Nachteile vermieden oder mindestens reduziert werden sollen. Eine weitere Aufgabe ist das Zur-Verfügung-Stellen eines entsprechenden Betriebsverfahrens.

[0005] Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Anlage sowie ein Verfahren, wie sie in den unabhängigen Patentansprüchen definiert sind.

[0006] Die Anlage zur Wärmeversorgung eines Gebäudes weist wie an sich bekannt einen Aussenluft-Wärmetauscher und eine Ventilatoreinrichtung zum Fördern von Aussenluft durch den Aussenluft-Wärmetauscher auf. Daneben besitzt sie einen Latentwärmespeicher, eine Wärmepumpe, ein mit einem flüssigen Arbeitsmedium gefülltes Leitungssystem, eine Pumpeinrichtung zum Fördern des Arbeitsmediums durch das Leitungssystem, sowie eine Anlagensteuerung zum Steuern der Pumpeinrichtung, der Ventilatoreinrichtung und der Wärmepumpe. Der Latentwärmespeicher weist einen geschlossenen Tank zur Aufnahme eines Speichermediums - beispielsweise Wasser - auf, welches während des Betriebs in einem flüssigen und/oder festen Zustand ist, d.h. je nachdem, wie weit der Latentwärmespeicher geladen oder entladen ist, ist ein grösserer oder kleinerer Anteil des Speichermediums im flüssigen Zustand.

[0007] Dass der Tank zur Aufnahme des Speichermediums geschlossen ist, bedeutet, dass er ein definiertes Volumen hat und auch nach oben geschlossen ist, so dass das Speichermedium nicht unkontrolliert verschmutzt werden kann und auch nicht grosse Mengen des Speichermediums verdampfen können. Es ist aber nicht ausgeschlossen, dass der Tank eine bspw. kleine Öffnung oder mehrere kleine Öffnungen hat, beispielsweise für einen Druckausgleich mit der Umgebung, d.h. er muss nicht luftdicht sein. Es schliesst selbstverständlich auch nicht aus, dass der Tank geöffnet werden kann, indem er zum Teil durch einen entfernbaren oder bspw. wegschwenkbaren Deckel gebildet wird.

[0008] Der Tank ist insbesondere lichtdicht, damit er - wenn das Speichermedium beispielsweise Wasser ist - nicht veralgt.

[0009] Nebst dem Tank weist der Latentwärmespeicher einen im Innern des Tanks angeordneten Latentwärmespeicher-Wärmetauscher zum Austausch von Wärme zwischen dem Speichermedium und dem Arbeitsmedium auf.

[0010] Das Leitungssystem, die Pumpeinrichtung, der Aussenluft-Wärmetauscher, die Wärmepumpe und der Latentwärmespeicher sind in der Anlage so miteinander verbunden, dass ein geschlossener Kreislauf für das Arbeitsmedium - bspw. eine Sole - gebildet wird. Der Kreislauf ist so, dass das Arbeitsmedium nacheinander, in dieser Reihenfolge, den Aussenluft-Wärmetauscher, den Latentwärmespeicher-Wärmetauscher, die Wärmepumpe - konkret: einen Verdampfer-Wärmetauscher der Wärmepumpe - und dann wieder den Aussenluft-Wärmetauscher durchströmt.

[0011] Bei Latentwärmespeichern (wenn das Speichermedium Wasser ist, wird manchmal von 'Eisspeichern' gesprochen) gemäss dem Stand der Technik ist für die Entnahme von Wärme aus dem Latentwärmespeicher (das thermische Entladen des Speichers) und für die Regeneration des Latentwärmespeichers durch Zuführen von Wärmeenergie je ein Kreislauf vorgesehen. Das vorliegend vorgeschlagene Vorgehen sieht hingegen vor, dass das Arbeitsmedium zunächst dem Aussenluft-Wärmetauscher und dann den Latentwärmespeicher-Wärmetauscher durchströmt. Das hat bedeutende Vorteile, Erstens kann beim normalen Heizbetrieb - wenn die Wärmepumpe läuft - bei fast allen Wetterverhältnissen das Arbeitsmedium vor dem Eintritt in den Latentwärmespeicher-Wärmetauscher durch den Aussenluft-Wärmetauscher bereits etwas erwärmt werden. Daher muss für den Heizbetrieb dem Latentwärmespeicher weniger Energie entzogen werden. Für einen Regenerationsbetrieb kann das Arbeitsmedium auf demselben Weg zunächst den Aussenluft-Wärmetauscher und dann den Latentwärmespeicher-Wärmetauscher durchströmen um diesen zu regenerieren. Die dadurch resultierende Einfachheit des Aufbaus ist ein weiterer Vorteil des Vorgehens: es kann beispielsweise eine einzige Pumpe für das Arbeitsmedium ausreichen, die sowohl für den Heizbetrieb als auch für den Regenerationsbetrieb verwendet wird. Auch sind keine aktiv geschalteten Umschaltventile nötig. Beides verringert die Investitionskosten und Reparaturanfälligkeit im Vergleich zu komplexeren Lösungen und vereinfacht die Regelung sowie auch den Unterhalt, ohne dass sich in Bezug auf die Effizienz markante Nachteil ergäben.

[0012] Der Verdampfer-Wärmetauscher dient, wie von Wärmepumpen bekannt, dem Entzug von Wärme aus dem Arbeitsmedium zwecks Verdampfens eines Wärmepumpenmediums auf der Kaltseite der Wärmepumpe. Der Begriff Verdampfer-Wärmetauscher schliesst selbstverständlich nicht aus, dass in einem optional auch möglichen, insbesondere sommerlichen, Kühlbetrieb die Wärmepumpe umgekehrt betrieben wird. Bei einem solchen optionalen umgekehrten Betrieb wirkt der Verdampfer-Wärmetauscher als Kondensationswärmetauscher, über welchen Wärme aus dem Wärmepumpenmedium mittels dessen Kondensation abgeführt und ans Arbeitsmedium übertragen wird.

[0013] Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Verdampfer-Wärmetauscher im Regenerationsbetrieb auch dann vom Arbeitsmedium durchströmt wird, wenn die Wärmepumpe gar nicht in Betrieb ist, d.h. wenn deren Kompressor nicht läuft und das Wärmepumpenmedium nicht zirkuliert. Das kann insbesondere auch unter der genannten Voraussetzung der Fall sein, dass die Anlage frei von aktiv geschalteten Umschaltventilen ist, was einen besonders einfachen Aufbau ermöglicht.

[0014] Die Anlagesteuerung kann insbesondere so programmiert und konfiguriert sein, dass die Ventilatoreinrichtung zur Nachtzeit und/oder zu anderen Zeiträumen mit erhöhter Lärmsensitivität nicht oder nur mit beschränkter Ventilatorleistung, im Wesentlichen lautlos, betrieben wird. Auf diese Weise kann der erfindungsgemässe Ansatz die Überwindung eines der grössten Nachteile von Wärmepumpensystemen mit Aussenluft-Wärmetauscher bewirken: Oft ist der Bedarf an Wärmeversorgung des nachts, bei tiefen Aussentemperaturen, und insbesondere in frühen Morgenstunden, wenn zusätzlich noch eine Nachtabsenkung beendetet und wird und Warmwasser aufbereitet werden muss, besonders hoch. Um eine entsprechende Wärmeleistung zur Verfügung zu stellen, muss zu diesen Zeiten ein solches Wärmepumpensystem mit hoher Ventilatorleistung für den Aussenluft-Wärmetauscher betrieben werden, was mit Lärmemissionen verbunden ist. Solche sind bekanntlich insbesondere während der nächtlichen Ruhezeiten unerwünscht. Trotzdem ist bei einem solchen Vorgehen gemäss dem Stand der Technik der Wirkungsgrad der Wärmepumpe wegen der im Allgemeinen tieferen nächtlichen und frühmorgendlichen Lufttemperaturen besonders ungünstig.

[0015] Beispielsweise kann die Anlagesteuerung bewirken, dass die Ventilatoreinrichtung generell einen Schallleistungspegel L<WA>im Freien nach ErP Label in dB(A) von nicht mehr als 42 dB(A), insbesondere nicht mehr als 40 dB(A) und in einem Nachtbetrieb einen entsprechenden Schalleistungspegel von nicht mehr als 38 dB(A) bewirkt.

[0016] Der erfindungsgemässe Ansatz ermöglicht es, dass die Betriebszeiten der Wärmepumpe einerseits und des der Ventilatoreinrichtung andererseits voneinander unabhängig sind. So kann die Wärmepumpe des nachts und in den frühen Morgenstunden laufen und eine gewünscht hohe Wärmeleistung zur Verfügung stellen, während die Ventilatoreinrichtung nicht oder nur mit geringer Ventilatorleistung, d.h. leise, läuft. Durch diese Betriebsart wird von selbst bewirkt, dass dann ein grösserer Teil der bezogenen Wärmeleistung dem Latentwärmespeicher entnommen wird. Tagsüber, wenn beispielsweise die Aussentemperatur etwas höher ist, kann das Arbeitsmedium hingegen durch den Aussenluft-Wärmetauscher gefördert werden, währen die Ventilatoreinrichtung mit höherer Ventilatorleistung betrieben wird - und zwar auch sowohl dann, wenn die Wärmepumpe läuft, als auch dann, wenn gar keine Wärmeleistung bezogen wird. In letzterem Fall dient der Betrieb ausschliesslich dem Laden des Latentwärmespeichers, d.h. der Regeneration. Durch das erfindungsgemässe Vorgehen können also die Lärmemissionen auf diejenigen Tageszeiten gelegt werden, an denen sie am ehesten akzeptierbar sind.

[0017] Mit anderen Worten kann die Anlagesteuerung insbesondere programmiert sein, tageszeitabhängig zwischen einem Nachtruhebetrieb und einem Tagbetrieb zu unterscheiden. Dabei wird im Nachtruhebetrieb bedarfsabhängig die Wärmepumpe eingeschaltet, wobei die Ventilatorleistung der Ventilatoreinrichtung begrenzt ist (insbesondere auf einen tieferen Wert als eine tagsüber maximal beziehbare Ventilatorleistung), und zwar auch dann, wenn die Wärmepumpe läuft. Mindestens im Tagbetrieb wird ausserdem mindestens zeitweise auch dann, wenn die Wärmepumpe nicht läuft, das Arbeitsmedium durch den Kreislauf gepumpt und die Ventilatoreinrichtung betrieben.

[0018] Die Ventilatorleistung der Ventilatoreinrichtung kann abhängig von der Tageszeit sowie von der Aussentemperatur sein. So kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Ventilatoreinrichtung im Tagbetrieb während der kalten Jahreszeit mit relativ hoher Leistung betrieben wird, wenn die Aussentemperatur grösser ist als die Temperatur des Speichermediums - bspw. 0°. Je nach Bedürfnis kann auch eine Absenkung der Ventilatorleistung über Mittag, an Sonntagen und/oder anderen Ruhetagen und/oder beim Unterschreiten eines gewissen Geräuschpegels in der Umgebung vorgesehen sein.

[0019] Ergänzend oder alternativ zu einer Unterscheidung zwischen Tagbetrieb und Nachtruhebetrieb kann entsprechend auch ein geräuschpegelabhängiger Betrieb, beispielsweise mindestens an Ruhetagen, vorgesehen sein. Zu diesem Zweck kann die Anlage mindestens einen Geräuschsensor aufweisen, welcher einen Geräuschpegel in einer Umgebung misst. Allgemein kann ein Geräuschsensor in einer Umgebung des Gebäudes (aber in genügend Abstand zur Ventilatoreinrichtung, damit die Ventilatorgeräusche keinen Einfluss auf die Geräuschpegelmessung haben) und optional zusätzlich ein Geräuschsensor in der Nähe der Ventilatoreinrichtung vorhanden sein. Letzterer kann jedoch auch gut weggelassen werden, wenn die Lärmemissionen der Ventilatoreinrichtung in Funktion von deren Leistung bspw. aufgrund von Referenzmessungen und/oder Simulationen bereits bekannt sind.

[0020] Der Latentwärmespeicher kann wie angedeutet insbesondere ein Eisspeicher sein, d.h. das Speichermedium kann Wasser sein.

[0021] Latentwärmespeicher aus dem Stand der Technik, welche insbesondere dem Speichern von Wärme während der warmen Jahreszeit für die kalte Jahreszeit dienen, müssen entsprechend gross dimensioniert sein, damit sie sinnvoll genutzt werden können. Entsprechend gross ist auch ihr Platzbedarf. Durch das erfindungsgemässe Vorgehen sind hingegen auch Latentwärmespeicher mit deutlich kleinem dimensioniertem Tank sinnvoll. So kann bspw. die Tankgrösse (definiert durch das Volumen des vorgesehenen Tankinhalts) in Ausführungsformen weniger als 2 m<2>betragen, bspw. höchstens 1'500 1, in Ausführungsformen 1'200 l oder noch weniger. Ein so kompakter Tank kann auch in einer Garage, einer Waschküche oder einem Keller stehen - oder er kann in einem kleinen Garten vergraben werden. Er kann ausserdem über seine Oberfläche noch etwas Wärme aus der Umgebung aufnehmen, was letztlich zur Heizleistung beitragen kann, wenn sich der Tank in einem nicht-beheizten Teil des Gebäudes, bspw. der Garage, oder im Garten befindet.

[0022] Der Tank kann aus Kunststoff gefertigt sein, beispielsweise aus schwarzem (schwarz eingefärbtem) Kunststoff. Er kann insbesondere als Kunststoff-Formteil ausgebildet sein.

[0023] Der Latentwärmespeicher-Wärmetauscher ist insbesondere der einzige Wärmetauscher im Latentwärmespeicher, d.h. es muss kein separater Wärmetauscher für die Regeneration des Speichermediums vorhanden sein - was den eingangs diskutierten einfachen Aufbau mit einem einzigen Arbeitsmedienkreislauf, der sowohl für die Zufuhr von Wärme zur Kaltseite der Wärmepumpe als auch für die Regeneration des Latentwärmespeichers dient, begünstigt.

[0024] Die Anlage kann modular sein. Modular bedeutet, dass die Anlagesteuerung eingerichtet ist, dass sie so konfiguriert werden kann, dass mehr als ein Latentwärmespeicher (je mit Tank und Latentwärmespeicher-Wärmetauscher) und/oder mehr als ein Aussenluft-Wärmetauscher mit zugeordneter Ventilatoreinrichtung vorhanden ist. Die Anlagesteuerung kann insbesondere mehrere parallel zueinander und/oder eventuell auch in Serie nacheinander, angeordnete Latentwärmespeicher und/oder Aussenluft-Wärmetauscher unterstützen. Auch beim Vorhandensein von mehr als einem Latentwärmespeicher und/oder von mehr als einem Aussenluft-Wärmetauscher kann optional nur ein einziger Kreislauf vorhanden sein, d.h. es reicht bspw. eine einzige Pumpe und/oder die Anlage kann auch dann frei von aktiv geschalteten Umschaltventilen sein.

[0025] Bei einer parallelen Anordnung von mehreren Latentwärmespeichern und/oder mehreren Aussenluft-Wärmetauschern durchströmen Teile des Arbeitsmediums je einen der Latentwärmespeicher bzw. Aussenluft-Wärmetauscher. Der Kreislauf kann so eingerichtet sein, dass er trotzdem mit nur einer einzigen Pumpe und ohne aktiv geschaltete Umschaltventile auskommt - wenn der Durchflusswiderstand durch die verschiedenen Latentwärmespeicher bzw. Aussenluft-Wärmetauscher jeweils ungefähr gleich ist, stellt sich von selbst ein ungefähr gleich grosser Durchfluss durch die Latentwärmespeicher bzw. Aussenluft-Wärmetauscher ein.

[0026] Das erfindungsgemässe Vorgehen, welches einen Latentwärmespeicher mit relativ kleinem Tank ermöglicht, und welches erlaubt, mit von Luftwärmepumpensystemen bekannten, ab Stange erhältlichen Aussenluft-Wännetauschmodulen (Aussenluft-Wärmetauscher mit Ventilatoreinrichtung) zu arbeiten, begünstigt diese Modularität: Reicht die Heizleistung nicht aus, wenn nur ein Latentwärmespeicher und/oder nur ein Aussenluft-Wärmetauscher vorhanden ist, kann/können einfach ein oder mehrere weitere solche Elemente hinzugefügt werden, ohne dass die ganze Anlage auf eine ganz andere Art konzipiert werden müsste.

[0027] Nebst der Anlage zur Wärmversorgung eines Gebäudes betrifft die Erfindung auch ein Betriebsverfahren, wobei das Arbeitsmedium auf dem genannten geschlossenen Kreislauf zirkuliert und dabei im Aussenluft-Wärmetauscher Wärme von der Aussenluft aufnimmt, bevor es in den Latentwärmespeicher-Wärmetauscher gelangt, wo es je nach Temperatur weitere Wärme aufnimmt oder auch zur Regeneration Wärme an den Latentwärmespeicher-Wärmetauscher abgibt, bevor es in den Verdampfer-Wärmetauscher der Wärmepumpe gelangt. In diesem dient es je nach Betriebszustand der Wärmepumpe dem Verdampfen eines Wärmepumpenmediums - oder die Wärmepumpe wird bloss durchströmt. Anschliessend gelangt es zurück zum Aussenluft-Wärmetauscher.

[0028] Das Verfahren kann insbesondere so durchgeführt werden, dass in einem Heizbetrieb die Wärmepumpe läuft und das Arbeitsmedium im Verdampfer-Wärmetauscher ein Verdampfen eines Wärmepumpenmediums bewirkt und im Regenerationsbetrieb die Ventilatoreinrichtung und die Pumpeinrichtung laufen, während die Wärmepumpe ausgeschaltet ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Arbeitsmedium auch im Regenerationsbetrieb durch den Verdampfer-Wärmetauscher der Wärmepumpe fliesst, obwohl dann die Wärmepumpe gar nicht läuft - was die vorstehend bereits beschriebene Vereinfachung in Aufbau und Steuerung ermöglicht.

[0029] Das Verfahren kann insbesondere so durchgeführt werden, dass die Anlagesteuerung bewirkt, dass eine maximale Ventilatorleistung der Ventilatoreinrichtung während eines Nachtbetriebs tiefer ist als während eines Tagesbetriebs - das heisst des Nachts, bspw. zu vorprogrammierten Uhrzeiten, kann unabhängig vom Bedarf an Wärmeleistung eine Leistungsbegrenzung für die Ventilatoreinrichtung gelten, welche strikter ist als eine Leistungsbegrenzung für einen Tagbetrieb.

[0030] Ganz allgemein kann die Ventilatorleistung der Ventilatoreinrichtung abhängig von der Tageszeit und/oder einem gemessenen Lärmpegel sowie der Aussentemperatur und eventuell einem Speicherzustand des Latentwärmespeichers (Temperatur, Anteil an gefrorenem Speichermedium) gewählt sein - und nicht, oder nicht primär, wie aus dem Stand der Technik bekannt, vom Betriebszustand der Wärmepumpe und/oder dem Bedarf an Wärme des Gebäudes.

[0031] Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren beschrieben. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder analoge Elemente. Es zeigen:

Fig. 1

Ein Schema einer Anlage zur Wärmeversorgung eines Gebäudes;

Fig. 2

den Schallpegel in Funktion der Tageszeit in der Nähe des Aussenluft-Wärmetauschers einer ähnlich einem Wärmepumpensystemgemäss dem Stand der Technik betriebenen Anlage; und

Fig. 3

eine zu Fig. 2 analoge Darstellung für eine bestimmungsgemäss betriebene Anlage der in Fig. 1 dargestellten Art.

[0032] Die Anlage 1 zur Wärmeversorgung eines Gebäudes 41 weist ein Aussenluft-Wärmetauschermodul auf, welches einen Aussenluft-Wärmetauscher 11 sowie eine Ventilatoreinrichtung 12 umfasst. Die Ventilatoreinrichtung ist eingerichtet, Aussenluft durch den Aussenluft-Wärmetauscher 11 zu fördern, um das eingangsseitig (in der Darstellung gemäss Fig. 1 oberseitig) kalte, flüssige Arbeitsmedium aufzuwärmen.

[0033] Die Anlage weist ein Leitungssystem 16 auf, welches einen Kreislauf für das Arbeitsmedium bildet, und welches eine Pumpe 17 aufweist, die das Arbeitsmedium unidirektional durch den Kreislauf fördert.

[0034] In Arbeitsmedium-Strömungsrichtung anschliessend an den Aussenluft-Wärmetauscher 11 folgt der Latentwärmespeicher 13, mit einem Tank 18, in dessen Inneren der Latentwärmespeicher-Wärmetauscher 19 angeordnet ist, und der mit einem Speichermedium, bspw. Wasser, gefüllt ist. Das Speichermedium ist je nach Speicherzustand flüssig und/oder fest - je mehr der Latentwärmespeicher entladen ist, desto höher ist der Anteil an Speichermedium im festen Aggregatszustand. Wenn das Speichermedium Wasser ist, bildet sich also Eis innerhalb des Tanks 18.

[0035] Anschliessend an den Latentwärmespeicher-Wärmetauscher 19 durchströmt das Arbeitsmedium einen Verdampfer-Wärmetauscher 21 einer der Wärmepumpe 15. Wenn die Wärmepumpe 15 in Betrieb ist, wird im Verdampfer-Wärmetauscher 21 der Wärmepumpe in einem Wärmepumpenkreislauf ein Wärmepumpenmedium (das in der Wärmepumpe zirkulierende Medium wird in diesem Text „Wärmepumpenmedium“ genannt; es kann im Vergleich zum Arbeitsmedium eine andere oder auch eine gleiche oder ähnliche Zusammensetzung aufweisen) bei tiefem Druck verdampft. Wie an sich bekannt weist die Wärmepumpe 15 ausserdem einen Kondensator-Wärmetauscher 22 auf. Wenn die Wärmepumpe läuft, fördert deren Kompressor das verdampfte Wärmepumpenmedium mit Druck zum Kondensator-Wärmetauscher 22, wo es kondensiert und dabei Wärme an den Kondensator-Wärmetauscher 22 abgibt, bevor es über ein Expansionsventil wieder zum Verdampfer-Wärmetauscher 21 zurückgelangt.

[0036] Vom Verdampfer-Wärmetauscher 21 gelangt das Arbeitsmedium zurück zum Aussenluft-Wärmetauscher 11.

[0037] Die an den Kondensator-Wärmetauscher abgegebene Wärme kann für die Wärmeversorgung des Gebäudes 41 genutzt werden. Die an die Warmseite der Wärmepumpe angeschlossenen Elemente und Kreisläufe können zu diesem Zweck wie an sich bekannt ausgestaltet sein und können von bestehenden Gebäudeheizungs- und Warmwasserversorgungssystemen übernommen werden - je nach Situation vorinstallierte Systeme oder dediziert beim Einbau der erfindungsgemässen Anlage eingerichtete Systeme. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind ein weiterer Wärmespeicherkreislauf eines Wärmemediums mit Wärmespeicher 23, bspw. mit Boiler für den Warmwasserbezug, sowie, davon abgezweigt, ein Heizungskreislauf zu Fördern dieses Wärmemediums durch Radiatoren, Böden, Wände und/oder Decken des Gebäudes zu dessen Heizung vorhanden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Wärmespeicherkreislauf und der Heizungskreislauf mit einer gemeinsamen Kreislaufpumpe 42 ausgestattet und der Heizungskreislauf mit einer zusätzlichen Heizungspumpe 43 versehen. Ein T-Stück 44 ermöglicht es durch Wahl der Betriebszustände der Kreislaufpumpe 42 und der Heizungspumpe 43 zwischen verschiedenen Betriebsarten umzuschalten, wobei die von der Wärmepumpe abgegebene Wärme direkt für die Gebäudeheizung oder zum Laden des Wärmespeichers 23 verwendet werden kann oder die im Wärmespeicher gespeicherte Wärme zur Gebäudeheizung verwendet werden kann. Die Ausgestaltung der Gebäudeheizung und/oder -warmwasserversorgung ist aber nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Die Gebäudeheizung und -warmwasserversorgung kann auch in anderen Ausgestaltungen erfolgen als der dargestellten.

[0038] Je nach Ausgestaltung der Gebäudetechnik (insbesondere der Gebäudeheizung) kann die Wärmepumpe eingerichtet sein, in einem Sommerbetrieb umgekehrt betrieben zu sein, d.h. der Wärmepumpenkreislauf kann so umschaltbar oder umgestaltbar sein, dass der Verdampfer-Wärmetauscher 21 in diesem Sommerbetrieb nach dem Kompressor kommt und der Kondensator-Wärmetauscher 22 nach dem Expansionsventil - wodurch den Verdampfer-Wärmetauscher 21 als Kondensator funktionieren kann und der Kondensator-Wärmetauscher 22 als Verdampfer. D.h. in einem solchen optionalen Sommerbetrieb kann der Gebäudeseite Wärme entzogen und dem Arbeitsmedium zugeführt werden, zwecks Gebäudekühlung, wobei die Wärme über den Aussenluft-Wärmetauscher abgeführt und/oder bei Bedarf auch der Latentwärmespeicher 13 regeneriert werden kann.

[0039] Die Anlagesteuerung 31 ist eingerichtet und programmiert, die Pumpe 17, die Ventilatoreinrichtung 12 und die Wärmepumpe 15 zu steuern. Die entsprechende Kommunikationsverbindung mit diesen Komponenten sowie auch mit eventuellen Sensoren ist in Fig. 1 durch einen Doppelpfeil lediglich angedeutet. Die Sensoren umfassen beispielsweise nebst einem Aussentemperatursensor auch je einen in Fig. 1 symbolisch dargestellten Temperatursensor eingangs- und ausgangsseitig der Wärmepumpe sowie zwischen Aussenluft-Wärmetauscher 11 und Latentwärmespeicher 13. Mindestens ein weiterer Temperatursensor ist im Innern des Latentwärmespeichers 13 vorhanden. Die Anlagesteuerung kann mit einer Wärmeversorgungssteuerung 32, welche die Gebäude-Wärmeversorgung steuert, im Kommunikationsverbindung stehen oder mit dieser in einer gemeinsamen Steuerung integriert sein, d.h. die Anlagesteuerung 31 und die Wärmeversorgungssteuerung 32 müssen weder physisch noch programmtechnisch voneinander separate Einheiten bilden.

[0040] Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Anlage auch noch je einen Geräuschsensor 51 zum Feststellen eines Geräuschpegels in einer Umgebung des Gebäudes und einen Geräuschsensor 52 zum Feststellen eines Geräuschpegels unmittelbar bei der Ventilatoreinrichtung auf. Diese beiden Geräuschsensoren 51, 52 sind mit der Anlagesteuerung 31 in Kommunikationsverbindung, und diese kann, bspw. je nach Tageszeit, bspw. im Nachtbetrieb, die Ventilatoreinrichtung 12 so steuern, dass der Geräuschpegel in deren unmittelbaren Umgebung in einer vorgegebenen Beziehung zum Geräuschpegel in der Umgebung des Gebäudes steht, bspw. diesen nicht um mehr als eine vorgegebene Dezibelzahl überschreitet. Die Geräuschsensoren sind optional; und es kann auch nur ein Geräuschsensor 51 zum Feststellen eines Geräuschpegels in einer Umgebung, ohne weiteren Geräuschsensor 52 bei der Ventilatoreinrichtung, sinnvoll sein.

[0041] Unabhängig davon, ob ein Geräuschsensor vorhanden ist oder nicht kann die Anlage so betrieben werden, dass die Geräuschemissionen verringert und ihr Zeitpunkt optimiert wird. Das wird beispielhaft anhand von Figuren 2 und 3 dargestellt, welche den Schallleistungspegel in Funktion der Uhrzeit während 24 Stunden darstellen. Fig. 2 zeigt eine Aufnahme des Schalleistungspegels L<WA>in unmittelbarer Nähe des Aussenluft-Wärmetauschermoduls (Aussenluftwärmetauscher mit Ventilatoreinrichtung) einer Anlage der in Fig. 1 dargestellten Art, wenn diese in der Art eines konventionellen Luft-Wasser-Wärmepumpensystems betrieben wird, das heisst mit der typischen Einschaltcharakteristik eines Luftwärmepumpensystems, bei welchem die Ventilatoreinrichtung des Aussenwärmetauschers während der Betriebszeiten der Wärmepumpe arbeitet und der Aussenluft-Wärmetauscher dafür genügend Wärme zur Verfügung stellen muss. Die Messung erfolgte mittels eines im Abstand von ca. 0.5 m zur Ventilatoreinrichtung angebrachten PeakTech-Schallmessgerät Man sieht, dass immer dann, wenn die Steuerung offenbar einen Wärmebedarf erkennt, das Wärmepumpensystem hochgefahren wird, was mit Lärmemissionen verbunden ist, die deutlich während dieser 'an'-Zeiten im Durchschnitt mehr als 60 dB(A) erreichen können, was als laut empfunden wird. Diese 'an'-Zeiten 71 verteilen sich über die ganze Tageszeit, also auch über die Nacht und insbesondere den frühen Morgen, wenn der Wärmebedarf besonders hoch ist.

[0042] Im Gegensatz dazu steht die in Fig. 3 dargestellte analoge Aufnahme mit derselben Anlage der in Fig. 1 dargestellten Art und mit denselben Messparametern. [Man sieht, dass die Anlagensteuerung einen Tagbetrieb vorsieht, dessen Einschaltzeitpunkt 72 kurz vor 8 Uhr ist, und dessen Ausschaltzeitpunkt 73 um ca. 18 Uhr ist. Während des Tagbetriebs läuft die Ventilatoreinrichtung mit relativ hoher Leistung und bewirkt Lärmemissionen von ca. 50 dB dB(A), was immer noch deutlich tiefer ist als der Schallleistungspegel, den das Aussenluft-Wärmetauschermodul des Wärmepumpensystems aus dem Stand der Technik während der 'an'-Zeiten erzeugt. Das wird dadurch bewirkt, dass die Emissionen auch während des Tagbetriebs gut über die Zeit verteilt werden können, indem die Ventilatoreinrichtung unabhängig von der Wärmepumpenaktivität betrieben wird. Im Allgemeinen ist während des Tagbetriebs auch die Aussentemperatur höher, d.h. das Aussenluft-Wärmetauschermodul arbeitet effizienter als des Nachts. Nach dem Ausschaltzeitpunkt 73 geht die Ventilatoreinrichtung in einen Nachtbetrieb über, während dem die Ventilatoreinrichtung nur in einem Flüstermodus, mit geringer Ventilatorleistung läuft. Dieser dauert bis am nächsten Morgen wieder auf den Tagbetrieb umgestellt wird. Die in den Messungen sichtbaren kurzzeitigen Peaks gehen in beiden Messungen auf Lärmimmissionen aus der Umgebung zurück die nichts mit dem Betrieb der Anlage zu tun haben, beispielsweise Vogelzwitschern oder vorbeifahrende Fahrzeuge.

[0043] Auch wenn insgesamt die Wärmeaufnahme des Wärmepumpensystems aus der Aussenluft in beiden Fällen vergleichbar war, so zeigt der Vergleich der Fig. 2 mit der Fig. 3 doch deutlich die Vorteile des erfindungsgemässen Vorgehens, indem die Lärmbelastung insgesamt reduziert und ausserdem zeitlich optimiert anfällt, wenn die Vorteile der erfindungsgemässen Anlage genutzt werden. Ausserdem ist im Durchschnitt auch der Stromverbrauch reduziert, indem die Temperaturen auf der Kaltseite der Wärmepumpe im Durchschnitt höher sind, indem die Leistungsaufnahme der Ventilatoreinrichtung verringert wird, und indem die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass bei sehr kalten Aussentemperaturen von unter -7°C eine elektrische Notheizung aktiviert werden muss.

[0044] Die Anlagesteuerung 31 ist also insbesondere so eingerichtet (programmiert und konfiguriert), dass die Ventilatorleistung nicht, oder nicht primär, dann hoch ist, wenn die Wärmepumpe aufgrund eines Wärmebedarfs des Gebäudes läuft. Vielmehr werden die Zeiten, zu denen das Arbeitsmedium auf dem Kreislauf gefördert wird und insbesondere die Ventilatorleistung in Abhängigkeit der Zeit aufgrund anderer Parameter gewählt, namentlich abhängig von der Tageszeit und/oder einem gemessenen Lärmpegel, der Aussentemperatur (ein Aussentemperatursensor 61 ist schematisch in Fig. 1 gezeichnet, nebst einer Mehrzahl von symbolisch dargestellten Temperatursensoren entlang des geschlossenen Kreislaufs des Arbeitsmediums sowie der Kreisläufe des Wärmemediums), und beispielsweise einem Speicherzustand des Latentwärmespeichers, namentlich von dessen Temperatur und/oder Anteil an gefrorenem Speichermedium. Ein Mass für die Temperatur des Speichermediums und für dessen Zustand generell ist auch der einfach messbare Unterschied zwischen der Temperatur des Arbeitsmediums vor und nach dem Speichermedium.

Claims (15)

1. Anlage zur Wärmeversorgung eines Gebäudes, aufweisend einen Aussenluft-Wärmetauscher (11), eine Ventilatoreinrichtung (12) zum Fördern von Aussenluft durch den Aussenluft-Wärmetauscher (11), einen Latentwärmespeicher (13), eine Wärmepumpe (15), ein mit einem flüssigen Arbeitsmedium gefülltes Leitungssystem (16), eine Pumpeinrichtung (17) zum Fördern des Arbeitsmediums durch das Leitungssystem, sowie eine Anlagensteuerung (31) zum Steuern der Pumpeinrichtung (17), der Ventilatoreinrichtung (12) und der Wärmepumpe (15), wobei der Latentwärmespeicher (13) einen geschlossenen Tank (18) zur Aufnahme eines flüssigen und/oder festen Speichermediums sowie einen im Tank (18) angeordneten Latentwärmespeicher-Wärmetauscher (19) beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungssystem (16), die Pumpeinrichtung (17), der Aussenluft-Wärmetauscher (11), die Wärmepumpe (15) und der Latentwärmespeicher (13) einen geschlossenen Kreislauf für das Arbeitsmedium bilden und so eingerichtet sind, dass das Arbeitsmedium auf dem geschlossenen Kreislauf nacheinander in dieser Reihenfolge den Aussenluft-Wärmetauscher (11) den Latentwärmespeicher-Wärmetauscher (19) und einen Verdampfer-Wärmetauscher (21) der Wärmepumpe (15) durchströmt, bevor es wieder zum Aussenluft-Wärmetauscher (11) zurückgeführt wird.

2. Anlage nach Anspruch 1, wobei die Anlagensteuerung (31) so eingerichtet und programmiert ist, dass die Ventilatoreinrichtung zur Nachtzeit und/oder bei niedrigem Umgebungsgeräuschpegel mit beschränkter Ventilatorleistung wirkt.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anlagensteuerung (31) so eingerichtet und programmiert ist, dass die Pumpeinrichtung (17) und die Ventilatoreinrichtung (12) in einem Regenerationsbetrieb auch dann mindestens zeitweise aktiv sind, wenn die Wärmepumpe (15) nicht in Betrieb ist und die Aussenluft wärmer als das Speichermedium ist.

4. Anlage nach Anspruch 3, die so eingerichtet ist, dass der Verdampfer-Wärmetauscher (21) auch dann vom Arbeitsmedium durchströmt wird, wenn die Wärmepumpe (15) nicht in Betrieb ist, und wenn die Pumpeinrichtung (17) und die Ventilatoreinrichtung (12) im Regenerationsbetrieb aktiv sind.

5. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kreislauf frei von Verzweigungen ist.

6. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Tank (18) ein Fassungsvermögen von höchstens 1500 1, insbesondere höchstens 1200 1 aufweist.

7. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Tank (18) als Kunststoff-Formteil ausgebildet ist.

8. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend einen Geräuschsensor (51) zum Feststellen eines Geräuschpegels in einer Umgebung des Gebäudes, wobei die Anlagensteuerung (31) eingerichtet ist, eine Leistung der Ventilatoreinrichtung an den Geräuschpegel anzupassen.

9. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Latentwärmespeicher-Wärmetauscher (19) der einzige Wärmetauscher innerhalb des Tanks (18) ist.

10. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Anlagesteuerung so konfigurierbar ist, dass sie mehr als einen Latentwärmespeicher (13) und/oder mehr als einen Aussenluft-Wärmetauscher (11) unterstützt.

11. Anlage nach Anspruch 10, wobei die Anlagesteuerung so konfigurierbar ist, dass sie mehr als einen Latentwärmespeicher (13) unterstützt, die im geschlossenen Kreislauf parallel zueinander angeordnet sind.

12. Verfahren zum Betreiben einer Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsmedium auf einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert, so, dass es Arbeitsmedium auf dem geschlossenen Kreislauf nacheinander in dieser Reihenfolge den Aussenluft-Wärmetauscher (11) den Latentwärmespeicher-Wärmetauscher (19) und einen Verdampfer-Wärmetauscher (21) der Wärmepumpe (15) durchströmt, bevor es wieder zum Aussenluft-Wärmetauscher (11) zurückgeführt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Anlagesteuerung Pumpeinrichtung (17), die Wärmepumpe (15) und die Ventilatoreinrichtung (12) so steuert, dass in einem Heizbetrieb die Wärmepumpe (15) läuft und das Arbeitsmedium im Verdampfer-Wärmetauscher (21) ein Verdampfen eines Wärmepumpenmediums bewirkt und in einem Regenerationsbetrieb die Ventilatoreinrichtung (12) und die Pumpeinrichtung laufen, während die Wärmepumpe ausgeschaltet ist.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Anlagesteuerung die Ventilatoreinrichtung (12) so ansteuert, dass eine maximale Ventilatorleistung während eines Nachtbetriebs tiefer ist als während eines Tagesbetriebs.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-14, wobei die Anlagesteuerung die Ventilatoreinrichtung (12) so ansteuert, dass die Ventilatorleistung von der Tageszeit und/oder einem gemessenen Lärmpegel sowie von einer Temperatur der Aussenluft und einem Speicherzustand des Latentwärmespeichers abhängt.