DE3024201A1

DE3024201A1 - Waermepumpensystem, insbesondere fuer einfamiliehaeuser

Info

Publication number: DE3024201A1
Application number: DE19803024201
Authority: DE
Inventors: Valentin Ing.(grad.) 4018 Langenfeld Emmerich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-06-27
Filing date: 1980-06-27
Publication date: 1982-01-21

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmepumpensystem zur Versorgung von insbesondere Einfamilienhäusern mit Wärme aus unterschiedlichen Umwelt-Wärmequellen.

Bekannte Wärmepumpen in diesem Anwendungsbereich werden im wesentlichen nur aus einer Wärmequelle gespeist, deren Temperatur starken jahreszeitlichen
Schwankungen unterworfen ist. Sie haben deshalb im
Jahresmittel eine geringe Leistungszahl. Mit einer

Zusatzheizung auf der Basis eines höherwertigen Energieträgers erreicht man schon bessere Ergebnisse, jedoch geht die Erfindung eher in Richtung eines monovalenten Heizsystems, das den gesamten Jahreswärmebedarf aus kostenloser Umweltwärme deckt.

Wärmequellen mit verhältnismäßig gleichbleibender
Temperatur sind schwer zugänglich, das gilt nicht
nur für Grundwasser, sondern im Ergebnis auch für die Wärmegewinnung aus dem Erdboden, da die Grundstücks-

fläche meist nicht ausreicht. Werden aber oberirdische Wärmequellen hinzugenommen, so ergeben sich im
allgemeinen sehr komplizierte, zersplitterte Systeme, deren Komponenten, d.h. Wärmepumpen, Speicher, Brauchwasser bereitung, Raumheizung usw. nicht ausreichend aufeinander abgestimmt sind und von verschiedenen Herstellern

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stammen. Die Schalthäufigkeit der Wärmepumpe und damit ihr Verschleiß ist hoch. Die Nutzung der meist nur kurzfristig anfallenden höherwertigen Wärmemengen ist ungenügend. Das elektrische Versorgungsnetz wird zur Hochtarifzeit in Anspruch genommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vorzugsweise moriovalentes Wärmepumpen-Heizsystem zu schaffen, das die Voraussetzungen für eine im Jahresmittel gute Leistungszahl und geringe Schalthäufigkeit der Wärmepumpe schafft, das Versorgungsnetz nur zur Niedertarifzeit in Anspruch nimmt und das durch sinnvolle Zusammenfassung von Systemkomponenten rationell hergestellt und installiert werden kann, und zwar ohne Verlust der Anpassungsfähigkeit an die unterschiedlichen örtlichen Verhältnisse.

Diese Aufgabe wird bei einem Wärmepumpensystem der einleitend bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Erdboden mit Hilfe darin verlegter Rohrschlangen oder dergleichen als Wärmespeicher niedriger Arbeitstemperatur (Erdspeicher) verwendet wird und ein Latentspeicher höherer Arbeitstemperatur mit der Speicherkapazität von mindestens der Tagesarbeit der Wärmepumpe vorgesehen ist und daß der Latentspeicher Wärmetauscher

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für die Brauch- und Heizwassererwärmung enthält. Alle Wärme geht demnach über diesen Latentspeicher, der Salzhydrate, Paraffine oder dergleichen enthält und dessen Umwandlungstemperatur vom festen in den flüssigen Zustand im Bereich von etwa 30° bis 60°

Celsius liegen mag. Vorzugsweise enthält der Latentspeicher auch den Kondensator der Wärmepumpe, so daß dessen Kondensationstemperatur nur geringfügig über der Umwandlungstemperatur des Speichermediums liegt. 10

Somit ist das Temperaturniveau an der Abgabeseite der Wärmepumpe im Winter, wenn die Wärme vorwiegend dem Heizsystem zufließt, und im Sommer, wenn vorwiegend Brauchwasserwärme entnommen wird, weitgehend konstant.

Andererseits ist vorgesehen, daß der Wärmpepumpe mittels einer selbsttätigen Schaltanordnung Wärme der jeweils höheren Temperatur entweder aus dem Erdboden oder aus einem oberirdischen Wärmeabsorber zugeführt wird. Damit werden auch an der Aufnahmeseite der Wär-

^O mepumpe die Temperaturschwankungen in Grenzen gehalten. Zur Verminderung der Betriebskosten wird vorgeschlagen, daß die Ankopplung der Wärmepumpe an den betreffenden Wärmeträgerkreislauf mittels eines Wegeventils erfolgt, das vom Kältemitteldruck des Wärmepumpenkompressors betätigbar ist.

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Ein weiterer Vorschlag geht dahin, daß bei Stillstand der Wärmepumpe die Wärme des oberirdischen Wärmeabsorbers unmittelbar in den Erdspeicher oder in den Latentspeicher eingespeichert werden kann, welch letzterer dazu einen besonderen Wärmetauscher enthält. Der Begriff oberirdischer Wärmeabsorber steht für Solarkollektoren, Energiestapel, Energiedächer, Energiefassaden, Energiezäune usw. Die von diesen Vorrichtungen zur Verfügung gestellten höherwertigen Wärmemengen übersteigen an warmen Tagen häufig den Wärmebedarf. Durch die Einspeicherung der Überschußwärme in den Erdboden kann der Flächenbedarf für die Erdspeicheranlage auf eine sinnvolle und bei vielen Eigenheimen auch realisierbare Größenordnung reduziert werden. Auch hier wird zur Stromersparnis vorgeschlagen, daß ein Wegeventil, das mit Hilfe eines expandierenden Mediums betätigbar ist, die Umschaltung des oberirdischen Wärmeabsorbers besorgt.

In konstruktiver Hinsicht bietet sich bei diesem System der besondere Vorteil, daß sich die Wärmepumpe und alle wesentlichen Steuereinrichtungen mit dem Latentwärmespeicher zu einer Baueinheit vereinigen lassen. Diese wird zweckmäßigerweise nur so groß gemacht, daß sie durch übliche Wohnungs- und Kellertüren in Wohnhäusern hindurchgeht. Diese Baueinheit umfaßt auch alle internen

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Leitungsverbindungen sowie möglicherweise die elektrische Steuerung. Es brauchen also lediglich die Verbindungen zum Heizungs- und Brauchwasserleitungssystem, zum Erdspeicher und zu dem oberirdischen Wärmeabsorber verlegt zu werden.

Es wäre noch anzumerken, daß der Erdspeicher, sofern die örtlichen Verhältnisse es anbieten, über zusätzlich verlegte Rohrschlangen mit Regenwasser, warmem Abwasser oder auch Grundwasser in Berührung gebracht werden kann, so daß insbesondere bei starker Abkühlung und bevorstehender Erschöpfung des Erdspeichers dem System noch erhebliche zusätzliche Wärmemengen zufließen.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schema einer Wärmepumpenheizung, Fig. 2 einen teilweisen Längsschnitt einer das beschriebene Wärmepumpen-Heizsystem beinhaltenden Baueinheit (Energieblock:) ,

Fig. 3 einen Querschnitt III - III der Baueinheit nach Fig. 2 und

Fig. 4 eine Stirnansicht.

Wärmequellen sind bei diesem Beispiel ein Solarkollektor 1 und Wärmetauscherrohre 2 und 3, die mit Grundwasser bzw. Abwasser beschickt und zusammen mit Wärmetauscherrohren im Erdboden 4 verlegt sind/ wobei die zuletzt erwähnten Wärmetauscherrohre im folgenden als Erdspeicher 5 bezeichnet werden. Dabei bleibt offen, in welchem Maße der Erdspeicher 5 unmittelbar Energie aus Sonneneinstrahlung und geothermische Energie aufnimmt.

Die dargestellte Wärmepumpe besteht aus einem Kompressor 6, einem Kondensator 7, einem Entspannungsventil 8 und einem Verdampfer 9. Der Kondensator 7 befindet sich

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in einem mit Polyäthylenglykol gefüllten sogenannten Latentspeicher 10, der von einer angemessenen Wärmeisolierschicht 11 umgeben ist. In diesem Latentspeicher 10 befinden sich außerdem ein Wärmetauscher 12 sowie zwei weitere Wärmetauscher, die im Zuge eines BrauchwasserIeitungssystems 13 bzw. eines Raumheizungssystems 14 angeordnet sind.

Zur Umwälzung des Wärmeträgers in dem dargestellten Wärmepumpensystem sind zwei Pumpen 15 und 16 jeweils mit nachgeschaltetem Rückschlagventil 17 bzw. 18 vorgesehen. Ein Wegeventil 19 wird von dem an der Druckseite des Kompressors 6 anstehenden Kältemitteldruck nach links in seine Arbeitsstellung bewegt. Ebenso bewegt sich ein Wegeventil 20 nach links in seine Arbeitsstellung, wenn sich das in einem Wärmefühler 21 enthaltene Medium infolge erhöhter Temperatur ausdehnt.

Die Umwälzpumpen 15 und 16 werden mit Hilfe von Temperaturfühlern, welche die Temperaturen im Erdspeicher und im Solarkollektor 1 erfassen, derart geschaltet, daß ständig eine von beiden in Betrieb ist, und zwar die Umwälzpumpe 15, wenn der Solarkollektor 1 die höhere Temperatur, und die Umwälzpumpe 16, wenn der Erdspeicher 5 die höhere Temperatur hat. Der Kompressor

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der Wärmepumpe wird während der Niedertarifzeit des Stromversorgungsunternehmens von einem nicht dargestellten Thermostat eingeschaltet, wenn im Latentspeicher 10 ein Wärmedefizit herrscht. Es sind die folgenden vier Betriebsfälle zu unterscheiden, wobei in den beiden erstgenannten Fällen die Wärmepumpe ruht und in den beiden zuletzt genannten Fällen in Betrieb ist:

a) Solarkollektor 1 lädt Erdspeicher 5 b) Solarkollektor 1 lädt Latentspeicher 10

c) Wärmepumpe arbeitet vom Erdspeicher 5 in den Latentspeicher 10

d) Wärmepumpe arbeitet vom Solarkollektor 1 in den Latentspeicher 10r

Die Zeichnung zeigt den Fall a). Die Umwälzpumpe 15 ist in Betrieb und pumpt den Wärmeträger über die beiden Wegeventile 19 und 20 in den Erdspeicher 5 und über die in der Figur auf der rechten Seite dargestellte Leitung wieder zurück in den SQlarkollektor 1.

Steigt an warmen Tagen die Temperatur des Solarkollektors über die Latentspeichertemperatur an, so schaltet das stromlos arbeitende Wegeventil 20 um und leitet den Wärmeträger über den Wärmetauscher 12 und sodann wieder zurück,

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Im Sommer kann dieser Betriebsart b) auch Vorrang gegeben werden,

Geht infolge Wärmedefizit im Latentspeicher 10 die Wärmepumpe in Betrieb, so koppelt sie sich durch umschalten des Wegeventils 19 an die jeweils höher temperierte Wärmequelle an. Nach Fall d) ist dies der Solarkollektor 1. Sein Wärmeträger wird dem Gehäuse des Verdampfers 9 der Wärmepumpe zugeleitet und gelangt vom Ausgang des Gehäuses wieder zu der schon erwähnten Rtickleitung.

Ist dagegen die Temperatur des Erdspeichers 5 im Winter höher als diejenige des Solarkollektors 1, so schaltet die Umwälzpumpe 15 ab und die umwälzpumpe 16 geht in Betrieb. Damit fließt der Wärmeträger des Erdspeichers 5 über diese Pumpe und ihr geöffnetes Rückschlagventil 18, wegen des geschlossenen Rückschlagventils 17 sodann weiter über Wegeventil 19 und ebenfalls durch das Gehäuse des Verdampfers 9 zurück zum Erdspeicher 5. Dieser Fall c) tritt im Winter bei bedeckter Witterung ein.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß mit einem derartigen Wärmepumpensystem ein Einfamilienhaus im monovalenten

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Betrieb geheizt werden kann, die Flächenausdehnung des Erdspeichers 5 allenfalls der Wohnfläche entspricht und die Bepflanzung über dem Erdspeicher

keine nachteiligen Auswirkungen erkennen läßt. 5

Die in den Figuren 2 bis 4 dargestellte installationsfertige, auf dem Boden aufstellbare Baueinheit mißt etwa 70 χ 140 χ 180 cm. Den größten Teil dieses Volumens nimmt der flüssigkeitsgefüllte Latentspeicher 10 ein. Er enthält vier Rohrschlangenregister aus je vier einzelnen Rohrschlangen 22. Diese sind paarweise an Wärmeleitblechen 23a angebracht, und zwar so, daß die Rohrschlangen des Kondensatorregisters der Wärmepumpe und die Rohrschlangen des Heizungsregisters sich an jeweils einem Wärmeleitblech gegenüberliegen und dadurch einen besonders guten Wäremeübergang haben. Das gleiche gilt für das B-rauchwasserregister und das Rohrschlangenregister, durch welches im Sommer die Solarwärme eingebracht wird.

An der Stirnwand des LatentSpeichers 10 sind die übrigen Komponenten fertig verrohrt angebracht. Es sind dies: Die Wärmepumpe 23, umfassend den Kompressor 6, den Verdampfer 9, das Drosselorgan 8 und die Regelorgane für die Wärmepumpe, die Ausdehnungsgefäße 24, die ümwälzpumpen 15 und 16 sowie die nicht bezeichnete Heizungs-

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Umwälzpumpe, eine Ventilgruppe 25, einen elektrischen Steuerkasten 26, ein überwachungstableau 27 und die nur beispielsweise bezeichneten Leitungsanschlüsse 28 für den bauseitigen Heizungskreislauf, den Brauchwasser-Durchlauferhitzer, den Erdspeicher und für die Solarkollektoren oder dergleichen.

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³ ^wasserrohr

⁴ Erdboden Kompressor

⁷ Kondensator

^{8 Ent}spannungsventii

⁹ Verdampfer

^{10 Late}ntspeicher ¹

¹²
¹³

^Rückschlagventil

^Rüc*schlagventil

Wegeventil Wegeventil Wärmefühler

Rohrschlange

Wärmepumpe

²⁴

^Ventilg_ruppe

Steuerkasten ²⁸

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AC

Leerseite

Claims

PATENTANWALT DIPL.-ING. EBERHARD EISELE 7980 Ravensburg ■ Goetheplatz 7 . Telefon (0751) 214 Q(U λ λ/ λ λ λ Anmelder: Emmerich, Valentin Dickeiskamp 2 4018 Langenfeld 4 Bezeichnung: "Wärmepumpensystem, insbesondere für Einfamilienhäuser" Ansprüche

1.) Wärmepumpensystem zur Versorgung von insbesondere Einfamilienhäusern mit Wärme aus unterschiedlichen Umwelt-Wärmequellen, dadurch gekennzeichnet, daß der Erdboden (4) mit Hilfe darin verlegter Rohrschlagen (5) oder dergleichen als Wärmespeicher niedriger Arbeitstemperatur verwendet wird (Erdspeicher) und ein Latentspeicher (10) höherer Arbeitstemperatur mit der Speicherkapazität von mindestens der Tagesarbeit der Wärmepumpe vorgesehen ist.

2. Wärmepumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Latentspeicher (10) den Kondensator (7) der Wärmepumpe enthält und desses Kondensationstemperatur geringfügig über der Umwandlungstemperatur des Speichermediums liegt.

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3. Wärmepumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmepumpe mittels einer selbsttätigen Schaltanordnung Wärme der jeweils höheren Temperatur entweder aus dem Erdspeicher (5) oder aus einem oberirdischen Wärmeabsorber (1) zugeführt wird.

4. Wärmepumpensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Ankopplung der Wärmepumpe an den betreffenden Wärmeträgerkreislauf bewirkendes Wegeventil (19) vom Kältemitteldruck des Kompressors (6) betätigbar ist.

5. Wärmepumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Stillstand der Wärmepumpe die Wärme des

oberirdischen Wärmeabsorbers (1) unmittelbar in den Erdspeicher (5) oder den Latentspeicher (10) eingespeichert werden kann, welch letzterer dazu einen besonderen Wärmetauscher (12) enthält.

6. Wärmepumpensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wegeventil (20) zur Umschaltung des oberirdischen Wärmeabsorbers (1) mit Hilfe eines expandierenden Mediums betätigbar ist.

7. Wärmepumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmepumpe (23) und alle wesentlichen Betriebs- und Steuereinrichtungen (15, 16, 24, 25, 26, 27) mit dem Latentspeicher (10) zu einer Baueinheit vereinigt sind.

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