DE10118572B4

DE10118572B4 - Wärmeversorgungssystem

Info

Publication number: DE10118572B4
Application number: DE10118572A
Authority: DE
Inventors: Harry Jentzsch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-04-06
Filing date: 2001-04-06
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2021-04-07
Also published as: DE10118572A1

Abstract

Wärmeversorgungssystem zur Nutzung von Solarwärme für die Heizung von Gebäuden und die Brauchwassererwärmung mit einem Solarkollektor (5), einem Speichersystem (8) und einer Luft-Wasser-Wärmepumpe (9), dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeträgerflüssigkeitskreislauf durch den Solarkollektor (5), den Wärmeübertrager (1) für die Heizung und den Wärmeübertrager (2) für die Brauchwassererwärmung sowie durch den Verdampfer (15) der Wärmepumpe (9) und das Speichersystem (8) gebildet wird und dass ein weiterer Wärmeträgerflüssigkeitskreislauf vorgesehen ist, der durch den Kondensator der Wärmepumpe (9), den Wärmeübertrager (13) für die Heizung und den Wärmeübertrager (14) für die Brauchwassererwärmung gebildet wird und dass der Verdampfer (15) der Wärmepumpe (9) derart ausgebildet ist, dass er Wärme aus der Umgebungsluft und/oder aus dem Wärmeträgerflüssigkeitskreislauf des Speichersystems (8) und des Solarkollektors (5) aufnehmen kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmeversorgungssystem und auf ein Verfahren zum Einsatz von Solarenergie zur Verbesserung der Effizienz dieses Systems.
Verfahren der vorstehend beschriebenen Gattung dienen der Heizung von Gebäuden und der Brauchwassererwärmung mittels effizienter Konversion erneuerbarer Energie aus Solarstrahlung und unter Verringerung oder Verzicht des Einsatzes fossiler Energieträger.
Etwa ein Drittel der in Deutschland eingesetzten Primärenergie wird in Haushalten zur Klimatisierung, v.a. Heizung, der Wohnräume und zur Warmwasserbereitung eingesetzt. Dabei werden in erster Linie fossile Energieträger eingesetzt, deren Ressourcen begrenzt sind und deren Kosten weiter steigen. Zudem birgt die ungezügelte Emission von Kohlendioxid in die Atmosphäre bislang nicht kalkulierbare Risiken in sich.
Einen wichtigen Beitrag zu den notwendigen Einsparungen müssen dabei die nachweisbar hohen Einsparpotenziale im Bereich der privaten Haushalte im Wohnbereich leisten.
Der Heizenergiebedarf liegt jedoch im Mittel des Wohnungsbestands noch weit über den als Zielwert vorgegebenen Werten. Um diese Werte nicht nur mit energetisch-ökologischer, sondern auch mit wirtschaftlicher Effizienz zu erreichen, ist es notwendig, die Investitionskosten der Anlage und ihren eigenen Bedarf an Energie zu senken, vor allem aber die Nutzung der dargebotenen erneuerbaren Energie zu verbessern.
Fällt Wärme niedriger Temperatur an, kann diese häufig kaum noch genutzt werden, auch wenn es sich um große Wärmemengen handelt. Mit dem Einsatz von Wärmepumpen kann unter Verwendung von Elektroenergie die Temperatur angehoben und damit eine Nutzung der Wärme ermöglicht werden. Mit diesem Verfahren ist es auch möglich, Wärme aus natürlichen Quellen, wie z.B. Brunnen oder dem Erdboden zu gewinnen und die Temperatur so zu erhöhen, dass eine Nutzung zur Raumheizung oder zur Warmwasserbereitung möglich wird.
Bei Wärmepumpen kommt es bei bestimmten Betriebszuständen zur Vereisung des Verdampfers. Bei einem Luftverdampfer ist dies unerwünscht. Aktuell wird der Vereisung des Luftverdampfers durch diskontinuierliche Aufheizung der gefährdeten Bereiche, also zusätzlichem Energieeinsatz, entgegen gewirkt. Damit wird die energetische Effizienz einer Wärmepumpenanlage gemindert.

Im Stand der Technik sind bereits vielfältige Lösungen bekannt, bei welchen Wärmequellen niedrigerer Temperatur zur Wärmeversorgung für Heiz- und Brauchwassererwärmung genutzt werden.

Aktuell sind Vorrichtungen beispielsweise nach DE 198 27 511 A1 bekannt, die die Nutzung von Solarenergie mit hoher Effizienz speziell für Niedrigenergiehäuser ermöglichen und dazu ein Wärmepumpen-Kompaktaggregat nutzen, das über eine Steuerung in den Anlagenbetrieb eingebunden ist und einen Wärmeübertrager und eine im Luftstrom nachgeschaltete Wärmepumpe aufweisen.

Die Heizwärme wird dabei durch einen Solar-Luft-Kollektor gewonnen. Bei hoher Einstrahlung und ausreichender Temperatur wird die Solarwärme direkt zur Warmwasserbereitung verwendet.

Fehlt die Sonnenstrahlung, kann einem Erdwärmespeicher Wärme entzogen werden. Dann erfolgt zuerst eine Temperaturerhöhung in der Wärmepumpe, wodurch die Verluste bei der Wärmerückgewinnung ausgeglichen werden.

In anderen bekannten Lösungen, beispielsweise nach DE 197 14 679 A1 , werden anstelle des Erdwärmespeichers Pufferspeicher verwendet oder anstelle des Luftkollektors Sonnenkollektoren, deren Wärmeträgermedien Wasser, Sole oder andere vorzugsweise frostsichere Flüssigkeiten sind.

Auch ist gemäß DE 297 16 603 U1 eine Lösung bekannt, bei der die Solarwärme mittels eines Wärmeübertragers die Quellentemperatur der Wärmepumpe erhöht wird.

Weiterhin sind Lösungen bekannt, bei denen als Niedertemperaturreservoir entweder ein Erdkollektor oder ein solar beheizter Pufferspeicher dient. Eine Regelung entscheidet, welches Niedertemperaturreservoir von der Wärmepumpe genutzt wird.

Die DE 198 51 889 A1 beschreibt eine Wärmepumpen/Klima-Anlage mit Energierecycling, die aus einer Luft/Wasser-Wärmepumpe, einer Luftverteilungskammer, einer Zuluftleitung, einer Abluftleitung und einer Fortluftleitung besteht. Die Luft/Wasser-Wärmepumpe weist einen Wärmepumpenkreislauf auf mit einem Verdampfer, der die Verbindungsstelle zu einem Kondensator darstellt, wobei aus der Wärmeenergie der Abluft im Niedertemperaturbereich durch die Luft/Wasser-Wärmepumpe ein höheres Wärmeenergieniveau erzielt wird, und diese Wärmeenergiedifferenz über den Kondensator im Hochtemperaturbereich an den Kopplungskreislauf, dem ein Heizwasservorratsspeicher angeordnet ist, abgibt. Die Zuluft wird über den Lufterhitzer erwärmt, wobei dieser seine Wärmeenergie über den Kopplungskreislauf vom Heizwasservorratsbehälter bekommt, welche in einen Wärmeverbraucher austritt und wieder in die Abluftleitung eintritt. In der Mischkammer wird ein Teil der wärmeenergiehaltigen Abluft der Frischluft direkt zugeführt, die restliche wärmeenergiehaltige Abluft wird bei Bedarf über die Luftverteilungskammer dem Verdampfer im Niedertemperaturenbereich direkt als Zuluft zugeführt.

Den beschriebenen Lösungen ist gemeinsam, dass jeweils mit hohem apparativem Einsatz jeweils nur einzelne Aspekte der Einbindung von Wärmequellen niedrigerer Temperatur in Wärmeversorgungssysteme realisiert werden.

Aus der DE 199 02 587 A1 ist eine solarenergieversorgte Heiz- und Warmwasseranlage für Gebäude bekannt, die mindestens einen Solarkollektor mit einem hydraulischen Solarverteiler aufweist, der die Solarenergie in Wärmetauscher transportiert. An diesen ist ein Kombispeicher höchster Temperaturebene angeschlossen, der einen Warmwasserbereiter, eine Fußboden-/Innenwandheizung sowie mehrere im Gebäudebodenbereich befindliche, energie-auf-und -entladbare Anlagenspeicher nachgestufter Temperaturebenen umfasst. Der Kombispeicher dient zum Eintrag, zur Speicherung und zum Austrag der Solarenergie. Die Anlage umfasst weiterhin eine mit einem der Anlagenspeicher in Verbindung stehende Außenwandheizung, mindestens eine thermosensorengestützte Regelungsanlage sowie eine zugeordnete Sicherheitstechnik. Diese Anlage soll zur größtmöglichen und ganzjährigen Solarenergieabgabe und -aufnahme in die Speicher sowie zum optimalen ganzjährigen Einsatz von Solarenergie ausgebildet sein. Dabei bildet der Sonnenkollektor und der Solarverteiler mit vorlauf- und rücklaufseitigen Verteilerrohren einen durchgängigen Flüssigkeitskreislauf, an den der Kombispeicher mit der höchsten Temperaturebene und die Anlagenspeicher der nachgestuften Temperaturebene über den jeweils eigenen Vor- und Rücklauf seriell hintereinander eingeschaltet angeschlossen sind.

Der Nachteil einer solchen Anlage besteht in der unzureichenden Versorgungs- und Funktionssicherheit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche derart weiterzubilden, dass Solarenergie unabhängig von ihrer Leistung zur Verbesserung der Effizienz von Wärmeversorgungssystemen einsetzbar wird. Insbesondere sollen der Wirkungsgrad des Wärmeversorgungssystems verbessert und die Versorgungs- und Funktionssicherheit erhöht werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Diese Lösung der Aufgabe besteht in einem Wärmeversorgungssystem zur Nutzung von Solarwärme für die Heizung von Gebäuden und die Brauchwassererwärmung mit einem Solarkollektor, einem Speichersystem und einer Luft-Wasser-Wärmepumpe. Erfindungsgemäß wird ein Wärmeflüssigkeitskreislauf durch den Solarkollektor, den Wärmeübertrager für die Heizung und den Wärmeübertrager für die Brauchwassererwärmung sowie durch den Verdampfer der Wärmepumpe und das Speichersystem gebildet. Darüber hinaus ist ein weiterer Wärmeträgerflüssigkeitskreislauf vorgesehen, der durch den Kondensator der Wärmepumpe, den Wärmeübertrager für die Heizung und den Wärmeübertrager für die Brauchwassererwärmung gebildet wird. Des Weiteren ist der Verdampfer der Wärmepumpe derart ausgebildet, dass er Wärme aus der Umgebungsluft und/oder aus dem Wärmeträgerflüssigkeitskreislauf des Speichersystems und des Solarkollektors aufnehmen kann.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind als Speichersystem ein Erdkollektor oder ein Latentwärmespeicher als Speichersystem vorgesehen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dienen beide gemeinsam, d. h. sowohl ein Erdkollektor als auch ein Latentwärmespeicher, als Speichersystem.

Vorzugsweise ist der Latentwärmespeicher in den Luftverdampfer integriert und thermisch mit der Verdampferoberfläche gekoppelt. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Latentwärmespeicher mit Paraffin als Speichermedium ausgeführt.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Heizung und zum Betrieb eines Wassererwärmungssystems mit einem Speichersystem und einer Wärmepumpe, die mit einem Solarkollektor und den Wärmesenken (Verbrauchern), über Ventileinheiten derart verschaltbar ist, besteht darin, dass der Solarkollektor bei hoher Solarstrahlung (ca. 400 ... 800 W/m²) unmittelbar der Heizung und dem Betrieb eines Wassererwärmungssystems dient. Erfolgt keine Abnahme der verfügbaren Wärme durch die Verbraucher, wird sie einem Speichersystem zugeführt. Bei mittlerer Strahlungsstärke dient die Solarwärme zur Anhebung der Quellentemperatur der Wärmepumpe. Besitzt die Wärmepumpe einen Luftverdampfer, so wird bei geringer Strahlungsstärke (ca. 200 ... 400 W/m²) der Verdampfer mittels eines solar mit Wärme aufgeladenen Speichersystems abgetaut. Dies wird bevorzugt mittels eines Latentspeichers realisiert.

Durch die Verschaltung von Solarkollektor, Speichersystem und Wärmepumpe mit den Verbrauchern und dem Latentspeicher sind folgende Vorteile verbunden:

• Die Nutzung von Solarenergie bei hoher Strahlungsintensität unmittelbar zur Heizung und Brauchwasserbereitung und damit Einsparungen beim Einsatz anderer Energieträger.
• Die Nutzung von Solarenergie bei geringer Strahlungsstärke zur Anhebung der Quellentemperatur und Steigerung der Effizienz der Wärmepumpe des Wärmeversorgungssystems. Steigerung der Effizienz eines Solarkollektors und Möglichkeit zur Energiegewinnung bei geringer Strahlungsstärke.
• Die Nutzung von Solarenergie bei geringer Strahlungsstärke zum Abtauen des Luft-Verdampfers und damit zur Steigerung der Effizienz der Wärmepumpe mit Luftverdampfer.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen.
1 Prinzipdarstellung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, Stand der Technik,
2 Betriebszustand des Systems bei hoher Solarstrahlung und hohem Heizwärme- und/oder Warmwasserbedarf,
3 Betriebszustand des Systems bei hoher Solarstrahlung und fehlendem Heizwärme- und/oder Warmwasserbedarf,
4 Betriebszustand des Systems bei niedriger Solarstrahlung und hohem Heizwärme- und/oder Warmwasserbedarf,
5 Betriebszustand des Systems bei vereistem Luftverdampfer an der Wärmepumpe, erfindungsgemäße Weiterbildung einer Vorrichtung nach 1,
6 Betriebszustand des Systems bei geringer Solarstrahlung und mit hohem Heizwärme- und/oder Warmwasserbedarf,
7 Betriebszustand des Systems ohne Solarstrahlung und mit hohem Heizwärme- und/oder Warmwasserbedarf,
8 Luftverdampfer der Wärmepumpe mit Latentspeicherabtauung.
In 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach dem Stand der Technik schematisch dargestellt. Die Vorrichtung dient der Heizung über die Wärmeübertrager 1 oder 13 und/oder dem Betrieb des Wassererwärmungssystems über die Wärmeübertrager 2 oder 14. Sie besteht aus einem Solarkollektor 5, der über geeignete Absperrorgane, insbesondere die Dreiwegeventile 3 und 4, direkt mit den Wärmeübertragern 1 und 2 oder mit dem Verdampfer 15 der Wärmepumpe 9 und dem Speichersystem 8 verbunden ist. Die Pumpe 7 und das Rückschlagventil 10 sichern die Funktion der Vorrichtung.
Die einstrahlende Solarenergie erwärmt die Wärmeträgerflüssigkeit im Solarkollektor 5. Bei starker Erwärmung durchfließt die erwärmte Wärmeträgerflüssigkeit unmittelbar die Wärmeübertrager 1 (Heizung) und/oder 2 (Wassererwärmungssystem) und gibt die Wärme ab. Der Fluss der Wärmeträgerflüssigkeit wird von den Dreiwegeventilen 3, 4 und 6 gesteuert. Dabei steuern die Dreiwegeventile 3 und 4 die Zuführung der Wärmeträgerflüssigkeit zu einem oder zu beiden Wärmeübertragern 1 und 2 der Verbraucher, entsprechend des Wärmebedarfs.
Bei geringer Solarstrahlung wird die wenig erwärmte Wärmeträgerflüssigkeit über die Wärmepumpe 9 geführt, wo ihr Wärme entzogen wird. Die Wärmeträgerflüssigkeit kühlt dann stark ab. Der Solarkollektor 5 weist durch die höhere Temperaturdifferenz zwischen Solarwärme und Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit einen höheren Wirkungsgrad auf. Die der Wärmeträgerflüssigkeit entzogene Wärme steht am Kondensator mit höherer, nutzbarer Temperatur zur Verfügung und wird von der Pumpe 11, gesteuert durch das Dreiwegeventil 12, den Wärmeübertragern 13 (Heizung) und/oder 14 (Wassererwärmungssystem) zugeführt.
Ist der Verdampfer 15 der Wärmepumpe 9 als Luftverdampfer ausgeführt und besteht der Bedarf, diesen bei Vereisung abzutauen, kann das bei entsprechender Stellung der Dreiwegeventile 4 und 6 mittels Solarstrahlung erfolgen. Die dazu benötigte Wärmeenergie wird vom Solarkollektor 5 bereitgestellt und/oder dem Speichersystem 8 entnommen.
Fehlt die Solarstrahlung, wird der Solarkollektor nicht durchflossen. Die Pumpe 7 fördert Wärmeträgerflüssigkeit, die im Speichersystem 8 erwärmt wird. Die Wärme wird im Verdampfer der Wärmepumpe 9 entzogen und am Kondensator zur Heizung und zum Betrieb des Wassererwärmungssystems genutzt.
Das Speichersystem 8 kann ausschließlich oder zusätzlich zu anderen Formen der Speicherung als Latentspeicher ausgeführt sein. Der Latentspeicher ist dann in den Verdampfer 15 integriert und über einen Wärmetauscher mit diesem thermisch gekoppelt. Dabei sind die Eigenschaften des Latentmaterials derart auf den Arbeitspunkt der Wärmepumpe abstimmbar, dass ein optimaler Betrieb mit hohem Wirkungsgrad gesichert ist.
Der Latentspeicher ist weiterhin durch Abstimmung der Latenteigenschaften in der Lage, das Abtauen eines Luftverdampfers 15 an der Wärmepumpe 9 effizient zu ermöglichen. Das ist nach dem Ausführungsbeispiel dann der Fall, wenn die Latenttemperatur des Latentspeichers so weit unter dem Gefrierpunkt des Wassers liegt, dass beim Umschlagen des Aggregatzustandes des Latentmaterials Wärme in ausreichender Menge frei wird, um den Luftverdampfer 15 abzutauen.
Das Latentmaterial ist nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel Paraffin.
In 2 ist der Betriebszustand des Systems bei hoher Solareinstrahlung dargestellt, wenn zugleich ein hoher Bedarf an Wärmeenergie für die Heizung und/oder die Erwärmung von Brauchwasser, also den Betrieb des Wassererwärmungssystems, besteht. Dabei fördert die Pumpe 7 den Strom der Wärmeträgerflüssigkeit zum Dreiwegeventil 6. Dieses steuert den Strom zum Solarkollektor 5, wo die Wärmeträgerflüssigkeit durch die Solarstrahlung erwärmt wird. Danach durchströmt die Wärmeträgerflüssigkeit das Dreiwegeventil 4 und erreicht das Dreiwegeventil 3. Am Dreiwegeventil 3 wird die Nutzung der Wärme gesteuert, in dem der Strom der Wärmeträgerflüssigkeit entweder zum Wärmeübertrager 1 (Heizung) oder 2 (Wassererwärmungssystem) oder zu beiden zugleich geleitet wird. In der Praxis wird die gewonnene Wärme in diesem Betriebszustand vor allem zum Betrieb des Wassererwärmungssystem genutzt, da hohe Solareinstrahlung witterungsbedingt zumeist mit einem geringen Bedarf an Wärmeenergie zu Heizzwecken einher geht.
Diese Betriebsweise ist möglich, da aus Solarkollektoren üblicherweise die Wärmeträgerflüssigkeit bei hoher Solarstrahlung mit über 70°C austritt. Damit ist eine ausreichend hohe Vorlauftemperatur für die genannten Anwendungen erreicht. Auf die Anwendung von Verfahren mit weiterer Erhöhung der Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit kann daher verzichtet werden und die Wärmepumpe bleibt außer Betrieb. Sie kann jedoch bei Bedarf jederzeit in Betrieb genommen werden.
Ist es erforderlich, die Austrittstemperatur der Wärmeträgerflüssigkeit zu regeln, ist eine regelbare Pumpe 7 einzusetzen. Damit ist es auch möglich, den Solarkollektor 5 optimal zu betreiben.
3 zeigt die Betriebsvariante bei hoher Solareinstrahlung und geringem, aus einem Puffer zu befriedigenden, oder fehlendem Wärmebedarf und -verbrauch. Dieser häufig auftretende Betriebsfall mindert die energetische und wirtschaftliche Effizienz bei solarthermischen Anwendungen in der Praxis, da gerade beim Angebot großer Mengen solarer Wärme die Nachfrage gering ist. Dieses Problem ist durch die Möglichkeit zu mindern, die die Vorrichtung im dargestellten Betriebsfall bietet. Dabei wird eine unbegrenzte Wärmemenge im Speichersystem 8 gespeichert, wenn dieses als Erdwärmespeicher ausgeführt ist.
Die Pumpe 7 fördert die Wärmeträgerflüssigkeit, die durch die Dreiwegeventile 6 und 4 gesteuert wird, über den Solarkollektor 5. Danach durchströmt die Wärmeträgerflüssigkeit den Verdampfer 15 der Wärmepumpe 9, ohne dass diese jedoch in Betrieb wäre. Als sinnvolle Weiterbildung kann der Verdampfer 15 der Wärmepumpe 9 daher auch mittels eines nicht dargestellten Systems aus Ventilen und Rohrleitungen in Form eines Bypasses überbrückt werden, um unnötigen Verschleiß im Wärmeübertrager durch die abrasiven Wirkungen der Strömung der Wärmeträgerflüssigkeit zu vermeiden.
Soll das Speichersystem 8 ein Erdwärmespeicher sein, müssen geeignete geologische Bedingungen vorhanden sein, die nach dem Stand der Technik zu untersuchen sind. Der Erdwärmespeicher kann als senkrechte Bohrung ausgeführt sein. Eine Sonde wird in den Boden eingebracht, die die Wärme von der Wärmeträgerflüssigkeit in den Boden überträgt oder die Wärmeträgerflüssigkeit Wasser wird in einem freien Kreislauf direkt in den Boden gepumpt. Als notwendige geologische Bedingungen und Voraussetzungen dürfen insbesondere keine Grundwasserströmungen vorhanden sein, weil damit auch die zu speichernde Wärme aus dem Bereich des Speichers weg transportiert würde und einer Rückgewinnung verloren ginge. Der Erdwärmespeicher kann auch als Massivabsorber oder als horizontaler Erdspeicher ausgeführt sein.
Mit der Speicherung der Solarwärme im Boden können nachteilige Auswirkungen des Wärmeentzugs durch Wärmepumpen z.B. auf die Vegetation ausgeglichen werden.
Weitere Varianten des Speichersystems 8 sind großvolumige Speicher, bei denen als Wärmeträger oder -speicherflüssigkeit Wasser als kostengünstiges Material mit hoher Wärmekapazität genutzt wird. Es sind jedoch auch andere Wärmeträger oder -speicherflüssigkeiten sowie Feststoffe mit einer ausreichend hohen spezifischen Wärmekapazität einsetzbar. Die Entscheidung über den Einsatz der Gestaltungsvarianten des Speichersystems 8 hängt in erster Linie von der Größe und Kapazität der Anlage ab. Erst ab einem bestimmten Spitzenwärmebedarf ist die Ausführung des Speichersystems 8 als Erdwärmespeicher wirtschaftlich. Der Grund hierfür liegt in den hohen Kosten für die geologische Erkundung bei der Suche nach einem geeigneten Bereich für den Erdwärmespeicher und für das Abteufen der Bohrung.
In 4 ist der Betriebszustand des Systems dargestellt, bei dem mit geringer Solarenergieeinstrahlung ein hoher Wärmebedarf gedeckt werden soll. Dabei ist die Wärmepumpe 9 in Betrieb, in deren Verdampferkreislauf der Solarkollektor 5 sowie das Speichersystem 8 integriert sind und von der Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt werden. Der Kondensatorkreislauf der Wärmepumpe 9 umfasst die Wärmeübertrager 13 und 14, die über das Dreiwegeventil 12 in Abhängigkeit vom Wärmebedarf für Heizung und/oder den Betrieb des Wassererwärmungssystems angesteuert werden. Beide Kreisläufe werden von jeweils einer Pumpe angetrieben, wobei sich Pumpe 7 im Verdampferkreislauf und Pumpe 11 im Kondensatorkreislauf befindet.
Der Verdampferkreislauf bewegt eine ausreichend große Menge Wärme niedriger Temperatur, die aus dem Solarkollektor 5 und dem als Erdwärmespeicher ausgeführten Speichersystem 8 gewonnen wird. Diese Wärme wird der Wärmeträgerflüssigkeit im Verdampfer der Wärmepumpe 9 wieder entzogen. Die dadurch abgekühlte Wärmeträgerflüssigkeit weist eine hohe Temperaturdifferenz zu den Wärmequellen im Speichersystem 8 und/oder im Solarkollektor 5 auf und kann damit eine höhere Wärmemenge aufnehmen.
Sollen sowohl das Speichersystem 8 als auch der Solarkollektor 5 durchströmt werden, muss die Austrittstemperatur der Wärmeträgerflüssigkeit aus dem Speichersystem 8 deutlich unter der des Solarkollektors 5 liegen, damit eine Nutzung der Solarwärme gewährleistet ist. Ist die Austrittstemperatur der Wärmeträgerflüssigkeit aus dem Speichersystem 8 gleich oder höher als die Austrittstemperatur der Wärmeträgerflüssigkeit aus dem Solarkollektor 5, wird in den Betrieb nach 7 ohne Solarstrahlung umgeschaltet, da anderenfalls Wärme aus dem Speichersystem 8 über den Solarkollektor 5 abgegeben würde und damit für eine Nutzung verloren ginge. Zum anderen ist die Betriebsführung in Abhängigkeit, vom als Wärmeträgerflüssigkeit eingesetzten Material, zu betrachten, da bei sehr niedrigen Außentemperaturen die Wärmeträgerflüssigkeit Gefahr läuft einzufrieren. Wird als Wärmeträgerflüssigkeit Sole oder ein Glykol-Wasser-Gemisch eingesetzt, besteht diese Gefahr nicht.
Ist der Solarkollektor 5 entsprechend groß dimensioniert, kann auch der Mischbetrieb vermieden und die gespeicherte Wärme aus dem Speichersystem 8 für den Betriebsfall ohne Solarstrahlung gespart werden. Durch den groß dimensionierten Solarkollektor 5 wird die benötige Wärmemenge zuzüglich der Wirkungsgrad bedingten Übertragungsverluste mit niedriger Temperatur gewonnen und in der Wärmepumpe 9 im Temperaturniveau angehoben, mit dem es dann die Wärmepumpe 9 über den Kondensatorkreislauf verlässt.
Sinnvolle Weiterbildungen des Kondensatorkreislaufes mit Pumpe 11, Dreiwegeventil 12 und den Wärmeübertragern für Heizung 13 und Wassererwärmungssystems 14 bestehen in der Anwendung eines Pufferspeichers für die Wärmeenergie höherer Temperatur. Dieser Pufferspeicher könnte als separates Aggregat in einem getrennten Kreislauf angeordnet sein oder in einen der Wärmeübertrager 13 oder 14 integriert sein.
Die Darstellung in 5 zeigt die Vorrichtung im Betriebszustand des Systems mit einer Wärmepumpe 9, deren Verdampfer 15 als Luftverdampfer ausgeführt ist oder der in Kombination verschiedener Verfahren auch als Luftverdampfer betrieben werden kann. Die gewonnene Wärme wird im Kondensatorkreis durch die Wärmeträgerflüssigkeit und die Pumpe 11 transportiert, durch das Dreiwegeventil 12 gesteuert und über die Wärmeübertrager 13 und 14 der Nutzung zur Heizung und/oder im Wassererwärmungsystem zugeführt.
Beim Betrieb eines Luftverdampfers wird die Umgebungsluft mit Hilfe eines Ventilators über den Wärmeübertrager des Verdampfers 15 geleitet. Durch die Temperaturdifferenz wird der Luft Wärme entzogen und durch die Temperaturerhöhung in der Wärmepumpe 9 nutzbar gemacht. Wird der Verdampfer 15 unter den Gefrierpunkt des Wasser abgekühlt, kommt es leicht zur Vereisung des Verdampfers 15, da die Luftfeuchtigkeit auf der Oberfläche des Luftverdampfers kondensiert und gefriert. Mit dem Anwachsen der Eisschicht kommt es zu Einschränkungen im Wirkungsgrad der Wärmepumpe 9 bis hin zum Ausfall des Aggregats. Deshalb sind Luftverdampfer nach dem Stand der Technik mit Abtaueinrichtungen versehen, die diesem nachteiligen Phänomen entgegen wirken. Allerdings ist dafür der Einsatz von Energie, üblicherweise Elektroenergie, erforderlich, wodurch der Gesamtwirkungsgrad einer Wärmepumpenanlage mit Luftverdampfer gemindert wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt zum Abtauen eines in der Wärmepumpe 9 eingesetzten Luftverdampfers Solarenergie. Die Solarwärme wird im Solarkollektor 5 gewonnen, der von der Wärmeträgerflüssigkeit durchflossen wird. Den von der Pumpe 7 angetriebenen Fluss steuern die Dreiwegeventile 6 und 4.
Ist Solarwärme in ausreichendem Umfang durch Solareinstrahlung vorhanden, wird die Solarwärme über den Verdampfer 15 geführt und taut diesen ab. Ist die verfügbare Solarwärme nicht ausreichend, schaltet das Dreiwegeventil 6 den Strang, der die Wärmeträgerflüssigkeit über den Solarkollektor 5 führt, ab. Dann wird nur der Wärmespeicher 8 durchströmt, der zuvor durch überschüssige, nicht der Wärmeträgerflüssigkeit beim Abtauen des Verdampfers 15 entzogene Solarwärme gespeist und aufgeladen wurde. Er gibt nun die Wärme ab, mit der des Luftverdampfers abgetaut wird.
Neben der Sicherung der Funktion des Luftverdampfers erfolgt beim Abtauen zugleich eine Erhöhung der Quellentemperatur am Verdampfer. Damit erhöht sich der Wirkungsgrad der Wärmepumpe.
In 6 ist die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt im Betriebszustand bei geringer Solarstrahlung und hohem Heizwärme- und/oder Warmwasserbedarf. Die Solarstrahlung allein reicht nicht aus, um die Wärmeträgerflüssigkeit so zu erwärmen, dass eine ausreichende Temperaturdifferenz in den Wärmeübertragern 1 und 2 zur Heizung und zum Betrieb des Wassererwärmungssystems entsteht. Deshalb wird die durch Solarstrahlung erwärmte Wärmeträgerflüssigkeit zur Erhöhung der Quellentemperatur der Wärmepumpe 9 genutzt. Damit wird der Wirkungsgrad der Wärmepumpe 9 erhöht. Sie gibt im Kondensatorkreis die Wärme an die Wärmeträgerflüssigkeit ab, die durch die Pumpe 11 gefördert und das Dreiwegeventil 12 gesteuert wird. Über die wahlweise oder zugleich durchströmten Wärmeübertrager 13 und 14 wird die Wärme der Heizung und dem Wassererwärmungsystem zugeführt.
Im Verdampferkreislauf durchströmt die Wärmeträgerflüssigkeit den Solarkollektor 5, wobei sie von der Pumpe 7 gefördert und den Dreiwegeventilen 6 und 4 gesteuert wird. Nachdem der Wärmeträgerflüssigkeit im Verdampfer 15 der Wärmepumpe 9 die Wärme entzogen wurde, trifft diese mit einer sehr niedrigen Temperatur am Eingang des Solarkollektors 5 ein. Dadurch besteht eine hohe Temperaturdifferenz zwischen der eingestrahlten Solarwärme und der Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit. Damit ist der Wärmeübergang verbessert und die absolute Wärmekapazität der Wärmeträgerflüssigkeit gesteigert. Daraus folgt eine Steigerung dies Wirkungsgrades des Solarkollektors 5 einerseits, sowie andererseits die Möglichkeit, auch bei geringerer Solarstrahlung und tiefen Außentemperaturen Solarenergie zu nutzen.
Eine Nutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Betriebsfall nach 6 wäre demnach auch bei geringen Temperaturen und einer minimalen Solarstrahlung im Gegensatz zu herkömmlicher Technik noch möglich.
7 zeigt den Betriebszustand der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Solarstrahlung fehlt, aber ein hoher Bedarf an Heizwärme und/oder Warmwasser besteht. Dabei ist die Wärmepumpe 9 in Betrieb. Ihr Kondensatorkreis ist wie bei 4 und 6 beschrieben mit den Verbrauchern zusammengeschaltet.
Der Verdampferkreislauf umfasst neben dem Verdampfer der Wärmepumpe 9 bei diesem Betriebszustand nur die Pumpe 7, das Dreiwegeventil 6 und das Speichersystem 8. Soll das Speichersystem 8 ein Erdwärmespeicher sein, müssen geeignete geologische Bedingungen vorhanden sein, die nach dem Stand der Technik zu untersuchen sind. Eine Sonde wird in den Boden eingebracht, die die Wärme von der Wärmeträgerflüssigkeit in den Boden überträgt, oder die Wärmeträgerflüssigkeit Wasser wird in einem freien Kreislauf direkt aus dem Boden entnommen. Der Erdwärmespeicher kann bevorzugt als senkrechte Bohrung oder als horizontale Schleife ausgeführt sein.
Weitere Varianten des Speichersystems 8 sind großvolumige Speicher, bei denen als Wärmeträger oder -speicherflüssigkeit Wasser als kostengünstiges Material genutzt wird. Es sind jedoch auch andere Wärmeträger oder Speicherflüssigkeiten, sowie Feststoffe mit einer ausreichend hohen spezifischen Wärmekapazität einsetzbar. Die Entscheidung über den Einsatz der Gestaltungsvarianten des Speichersystems 8 hängt in erster Linie von der Größe und Kapazität der Anlage ab.
Die Wärme, die aus dem Speichersystem mittels der Wärmeträgerflüssigkeit entnommen wird, dient als Wärmquelle der Wärmepumpe 9, in deren Verdampfer 15 die Wärme entzogen wird.
Vorteilhaft lässt sich ebenso ein Wärmeversorgungssystem ausführen, welche sowohl einen Luftverdampfer 15, als auch einen Soleverdampfer 15 im Wärmepumpenkreislauf aufweist. Diese werden je nach Kapazität geschaltet. Beispielsweise wird die Wärmepumpe am Anfang der Heizsaison über den Soleverdampfer 15 und den Speicher 8 mit Wärme versorgt und zum Ende der Heizsaison, wenn der Speicher 8 ausgekühlt ist, wird der Luftverdampfer 15 der Wärmepumpe betrieben. Zumal dann auch die Lufttemperaturen jahreszeitlich bedingt wieder ansteigen.
8 zeigt einen Luftverdampfer 15 der Wärmepumpe 9 mit Latentspeicherabtauung. Dazu weist der Luftverdampfer 15 einen Speicher 8 auf, der als Latentspeicher mit Paraffin ausgeführt ist. Durch die thermische Kopplung des Latentspeichers 8 mit dem Kältemittelkreislauf 17 im Luftverdampfer 15 der Wärmepumpe 9 werden die Oberflächen des Luftverdampfers frei von Eis- und Reif gehalten. Besonders vorteilhaft wird der Latentspeicher dabei von Solarenergie beladen.

1: Wärmeübertrager für Heizung im Solarkollektor-Nerdampferkreislauf
2: Wärmeübertrager für Wassererwärmungssystem im
: Solarkollektor-Nerdampferkreislauf
3: Absperrorgan, Dreiwegeventil im Solarkollektor-/Verdampferkreislauf
4: Absperrorgan, Dreiwegeventil im Solarkollektor-/Verdampferkreislauf
5: Solarkollektor
6: Absperrorgan, Dreiwegeventil im Solarkollektor-/Verdampferkreislauf
7: Pumpe im Solarkollektor-/Verdampferkreislauf
8: Speichersystem
9: Wärmepumpe
10: Rückschlagventil
11: Pumpe im Kondensatorkreislauf
12: Dreiwegeventil im Kondensatorkreislauf
13: Wärmeübertrager für Heizung im Kondensatorkreislauf
14: Wärmeübertrager für Wassererwärmungssystem im
: Kondensatorkreislauf
15: Verdampfer/Luftverdampfer der Wärmepumpe
16: Wärmeträgerkreislauf
17: Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe

Claims

Wärmeversorgungssystem zur Nutzung von Solarwärme für die Heizung von Gebäuden und die Brauchwassererwärmung mit einem Solarkollektor (5), einem Speichersystem (8) und einer Luft-Wasser-Wärmepumpe (9), dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeträgerflüssigkeitskreislauf durch den Solarkollektor (5), den Wärmeübertrager (1) für die Heizung und den Wärmeübertrager (2) für die Brauchwassererwärmung sowie durch den Verdampfer (15) der Wärmepumpe (9) und das Speichersystem (8) gebildet wird und dass ein weiterer Wärmeträgerflüssigkeitskreislauf vorgesehen ist, der durch den Kondensator der Wärmepumpe (9), den Wärmeübertrager (13) für die Heizung und den Wärmeübertrager (14) für die Brauchwassererwärmung gebildet wird und dass der Verdampfer (15) der Wärmepumpe (9) derart ausgebildet ist, dass er Wärme aus der Umgebungsluft und/oder aus dem Wärmeträgerflüssigkeitskreislauf des Speichersystems (8) und des Solarkollektors (5) aufnehmen kann.
Wärmeversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Speichersystem (8) ein Erdkollektor vorgesehen ist.
Wärmeversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Speichersystem (8) ein Latentwärmespeicher vorgesehen ist.
Wärmeversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Speichersystem (8) ein Erdkollektor und ein Latentwärmespeicher vorgesehen sind.
Wärmeversorgungssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher in den Luftverdampfer (15) integriert ist und thermisch mit der Verdampferoberfläche gekoppelt ist.
Wärmeversorgungssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher mit Paraffin als Speichermedium ausgeführt ist.