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DE202014003951U1 - Energieversorgungseinrichtung für Wärmepumpen und/oder Klimageräte - Google Patents

Energieversorgungseinrichtung für Wärmepumpen und/oder Klimageräte Download PDF

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DE202014003951U1
DE202014003951U1 DE201420003951 DE202014003951U DE202014003951U1 DE 202014003951 U1 DE202014003951 U1 DE 202014003951U1 DE 201420003951 DE201420003951 DE 201420003951 DE 202014003951 U DE202014003951 U DE 202014003951U DE 202014003951 U1 DE202014003951 U1 DE 202014003951U1
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Abstract

Energieversorgungseinrichtung für Wärmepumpen und Klimageräte (2), dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Photovoltaik- und/oder Windkraftanlage (1) und eine eine Energiespeichereinrichtung (6, 8, 9, 10) zur Speicherung elektrischer Energie für den Betrieb von Wärmepumpen (2) und/oder Klimageräten aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung für Wärmepumpen und Klimageräte, welche in vorteilhafter Weise weitgehend unabhängig vom öffentlichen Stromversorgungsnetz betrieben werden können.
  • Wärmepumpen werden in jüngster Zeit verstärkt zur Klimatisierung besonders für neu zu errichtenden Wohn- und Geschäftsgebäuden genutzt. Sie sind aber nicht nur zum Heizen und Kühlen von Räumen geeignet, sondern auch zur Erwärmung von Brauchwasser, oder zur Stabilisierung von Luftqualität und deren Feuchtigkeitsgehalt in Räumen.
  • Mit dieser modernen Heiztechnologie ist es möglich, erneuerbare Energien für den Heiz- bzw. Kühlbetrieb von Wohn- und Geschäftsgebäuden energetisch zu erschließen und sinnvoll zu nutzen. Die Wärmepumpe benutzt dabei Wärmequellen (erneuerbare Energien) aus der natürlichen Umgebung von Gebäuden. Als Wärmequellen sind hier insbesondere Erdschichten, Luft- oder Wasserspeicher geeignet. Der funktionelle Wärmepumpenanlagenaufbau ist je nach zu erschließender Wärmequelle unterschiedlich (mit zusätzlichen Wärme-Übertragermittelkreisläufe oder ohne zusätzlichen Wärme-Übertragermittelkreisläufe), wobei das Funktionsprinzip der Wärmepumpe (Kältemittelkreislauf) an sich meist das gleiche ist. Alle Kreisläufe (Kältemittelkreislauf und Wärme-Übertragermittelkreislauf oder mehrere) sind in sich geschlossene Kreisläufe. Falls Wärme-Übertragermittelkreisläufe vorhanden sind, so sind diese mit den Wärmetauscher(n) der Wärmepumpe verbunden. Wärme-Übertragermittelkreisläufe sind zum Beispiel der Solekreislauf einer Erdwärmepumpe oder der Wasserkreislauf der Heizungsanlage. Die Luft/Luft-Wärmepumpe hat zum Beispiel keinen zusätzlichen Wärme-Übertragermittelkreislauf (nur den Kältemittelkreislauf), hier wird die direkt in der Wärmequelle Luft anliegende Energie generiert und auch wieder direkt an die z. B. Raumluft abgegeben.
  • Eine Wärmepumpe entzieht mit niedriger Temperatur der Wärmequelle unter Aufwendung von technischer Arbeit der Wärmequelle thermische Energie. Die so aufgenommene thermische Energie wird dann zusammen mit der Antriebsenergie (technische Arbeit) als Nutzwärme auf zum Beispiel ein Heizverteilersystem (Heizkörper, Fußbodenheizung, Wandheizung, Innengerät einer Luft/Luft-Wärmepumpe etc.) mit höherer Temperatur übertragen. Das Funktionsprinzip der Wärmepumpe benutzt man auch zum kühlen. Hier wird zum Beispiel einem Gebäude oder einem Raum (auch Kühlschrank) die Nutzenergie als aufgenommene Wärme entzogen und zusammen mit der Antriebsenergie als Abwärme an die Umgebung abgeführt (z. B. Klimaanlage) oder einem Wärmerückgewinnungssystem zur Verfügung gestellt (z. B. reversible Wärmepumpe für heizen, kühlen und Brauchwassererwärmung).
  • Das Funktionsprinzip (Kältemittelkreislauf) einer Wärmepumpe: Wärmepumpen werden meistens mit Fluiden (z. B. Kältemittel) betrieben. Diese Fluide haben die Eigenschaft selbst bei sehr geringen Außentemperaturen bei niedrigem Druck zu verdampfen und sich auszudehnen, bei diesem Verdampfungsprozess (der am Wärmetauscher oder Verdampfer stattfindet) nimmt das Fluid aus der Wärmequelle (z. B. Erdschichten, Luft oder Wasser) thermische Energie (Wärme) auf. Das gasförmige Fluid wird nach dem Verdampfen von einem Verdichter (Kompressor) angesaugt und verdichtet, dabei steigen seine Temperatur und Druck stark an. Das Fluid fließt dann als heißer, unter Druck stehender Dampf zu einem weiteren Wärmetauscher (Kondensator, Verflüssiger) und gibt dort seine Wärme an ein zum Beispiel angeschlossenes Heizsystem wieder ab. Durch die Wärmeabgabe (Abkühlung) wird das Fluid wieder flüssig (kondensiert). Über eine Drossel (Expansionsventil) wird schließlich der Überdruck abgebaut, wobei das Fluid stark an Druck verliert und sich dabei entspannt. Anschließend fließt das Fluid zurück zum Verdampfer, wo der Kreislauf von vorne beginnt. Der Druck im Kreislauf wird je nach verwendeten Fluid so gewählt, dass die Temperaturen des Phasenübergangs (Änderung des Aggregatzustandes in Abhängigkeit von Temperatur und Druck) einen für die Wärmeübertragung ausreichenden Abstand zu den Temperaturen von Wärmequelle und Wärmesenke haben.
  • Da in Wärmepumpenanlagen zur Erzeugung eines Heizmediums keinerlei primären Energieträger verbrannt werden müssen, ist die einzige extern zuzuführende Energieform zu deren Betrieb, die elektrische Energie zum Antrieb der Kompressoren (Verdichter) und zum Beispiel Umwälzpumpen (falls vorhanden, je nach Anlagenaufbau) für die Wärme-Übertragermittelkreisläufe.
  • Dieser Betriebsstrom für Wärmepumpen wird meist dem öffentlichen Stromnetz entnommen. Es gibt aber auch schon Vorschläge, zusätzlich erneuerbare Energiequellen, wie Windkraft oder Solarthermie zu Heizzwecken zur Verfügung stellen, oder zum Betrieb von Wärmepumpen oder Klimageräten zu nutzen, oder solche elektrisch betriebenen Wärmepumpen und/oder Klimaanlagen permanent und/oder bei Bedarf mit Strom aus erneuerbaren Energien versorgen zu können.
  • So wird in der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 20 2010 013 633 U1 die Kombination einer Windkraftanlage (WKA), bzw. einer Photovoltaikanlage mit einer Kältemittel-Wärmepumpenanlage beschrieben, bei der die WKA elektrisch direkt mit dem Motor des Kompressors des Kältemittelkreislaufs verbunden ist.
  • Dabei ist eine weitere Solarthermieanlage vorgesehen, welche zur Erzeugung und Puffer-Speicherung von Heißwasser mit einem Heißwasser-Wärmespeicher verbunden ist. Die hier angegebene Kleinwindkraftanlage und die Photovoltaikanlage sind mit einer Stromtankstelle mit Ladestation für Elektroautos verbunden.
  • Problematisch bei dieser Kombination einer WKA-/Photovoltaik-Anlage mit einer Wärmepumpe ist, dass die erzeugte Elektrizität durch die natürlichen Schwankungen des Tageslichts und der Windstärken nicht immer rund um die Uhr zur Verfügung steht.
  • Diese Abhängigkeit von den Wetterverhältnissen, sowie der Tag- und Nachtwechsel verhindern einen durchgehenden Betrieb von Wärmepumpen oder Klimaanlagen ausschließlich aus den genannten Quellen erneuerbarer Energie Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Energieversorgungseinrichtung anzugeben, welche eine optimale Nutzung der zur Verfügung stehenden erneuerbaren Energien erlaubt und dennoch einen sicheren durchgehenden Betrieb von Wärmepumpen für Wohn- oder Bürogebäuden ermöglicht.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die in den Schutzansprüchen, insbesondere im Hauptanspruch angegebenen kennzeichnenden Merkmale.
  • Danach wird eine Energieversorgungseinrichtung für Wärmepumpen und Klimageräte vorgeschlagen, welche mindestens eine Photovoltaik- und/oder mindestens eine Windkraftanlage umfasst und eine Energiespeichereinrichtung zur Speicherung elektrischer Energie für den Betrieb von Wärmepumpen und/oder Klimageräten aufweist.
  • Diese erfindungsgemäße Energiespeichereinrichtung für die durch Photovoltaik- und/oder Windkraftanlagen erzeugte elektrischen Energie für Wohn- und Bürogebäude umfasst erfindungsgemäß ein AC- oder DC-gekoppeltes Speichersystem mit ein- oder mehrere elektrische Speichersysteme.
  • Erfindungsgemäß umfassen diese Speichersysteme für wind- und lichtarme Zeiten ein- oder mehrere Akkumulatoren, welche in bekannten Schaltungsarten, wie etwa in einer Kaskadenschaltung zur Erhöhung der Speicherkapazität miteinander verschaltet sind. Dabei sind die Kapazitäten der Speicheranordnung entsprechend an den notwendigen Stromverbrauch der zu versorgenden Wärmepumpe angepasst.
  • Ein Akkumulator ist ein wideraufladbarer Speicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis, dieser besteht entweder aus ein einzelnes Speicherelement: Sekundärzelle, Sekundärelement, Akkumulatorzelle, Akkuzelle oder aus Zusammengeschaltete Speicherelemente: z. B. Akkupack, Batterie aus Sekundärzellen. Zusammengeschaltete Speicherelemente können in Reihenschaltung oder in Parallelschaltung geschaltet sein.
  • Zur zusätzlichen Sicherung der Energieversorgung der Wärmepumpe oder des Klimagerätes, ist die Energieversorgungseinrichtung mit einem zusätzlichen Netzstromanschluss über einen Zweirichtungszähler ausgestattet.
  • Hierdurch wird der Weiterbetrieb der Klimageräte und Wärmepumpen bei Erschöpfung des Energiespeichers 6 oder bei einem technischen Defekt ermöglicht und eine zusätzliche Einspeisungsmöglichkeit des mittels Photovoltaik- und/oder Windkraftanlage erzeugten Mehrstroms in das öffentliche Stromnetz geschaffen.
  • Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels und der 1 und 2 Näher erläutert werden.
  • Es zeigen:
  • 1 die schematische Energieversorgungseinrichtung mit einem AC-gekoppeltes Speichersystem 11,
  • 2 die schematische Energieversorgungseinrichtung mit einem DC-gekoppeltem Speichersystem 12.
  • Durch die einzeln oder in Kombination betreibbare Photovoltaik- und/oder Windkraftanlage, wird elektrische Antriebsenergie für die Nutzung einer oder mehrere Wärmepumpen- und/oder Klimaanlagen erzeugt.
  • Dabei kann der Betrieb von Wärmepumpen oder Klimaanlagen in Kombination oder einzeln (auch reversible Anlagen) nach zeitlicher unabhängiger Anforderung durch die Regelungen der Anlagen selbst erfolgen, oder auch nach zeitlicher unabhängiger Bedarfsanforderung des Anwenders.
  • Gemäß der Darstellung in 1 wird erneuerbare Primärenergie in einer oder mehreren Windkraftanlagen und/oder Photovoltaikanlagen 1 erzeugt und über einen Gleichstromwandler 7 und einen Wechselrichter 8 direkt zur Wärmepumpe 2 zur Nutzung übertragen. Wenn an wind- und/oder sonnenreichen Tagen ausreichend Strom erzeugt wird, können auch weitere sonstige Verbraucher 3 versorgt werden oder eine Einspeisung in das öffentliche Stromnetz 5 über den Zweirichtungszähler 4 erfolgen.
  • Erfindungsgemäß ist nun ein AC-gekoppeltes Speichersystem 11 vorgesehen, dass ebenfalls bei ausreichender Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien über den Wechselrichter 8 an den Wärmepumpenkreislauf elektrisch gekoppelt ist.
  • Das Speichersystem 11 umfasst dabei einen Batteriewechselrichter 10, einen Laderregler 9 und einen oder mehrere Akkumulatoren 6, deren Kapazität vorzugsweise auf den Bedarf der betrieben Wärmepumpen und/oder Klimaanlagen ausgelegt sind.
  • Die Akkumulatoren 6 können als einzelne Sammler oder in Gruppen mehrerer Akkumulatoren in Reihen- oder Parallelschaltung (Kaskadierung) als Zwischenschaltung zwischen der Erzeugung erneuerbarer Energie und der Wärmepumpe 2 angeordnet sein.
  • Die zwischengespeicherte elektrische Energie kann somit unabhängig vom Zeitpunkt der Erzeugung zur späteren Nutzung zur Verfügung gestellt werden.
  • Dabei ist der durch diese erfindungsgemäße Anordnung mögliche Akkumulatorbetrieb 6 der Wärmepumpen und/oder Klimaanlagen 2 in den Zeiten des Ausfalles der primären Stromerzeugung durch die Photovoltaik- und/oder Windkraftanlage 1 besonders vorteilhaft und ermöglicht die Einsparungen von Stromkosten.
  • Der oder die Akkumulatoren 6 stellen nach Wechselrichtung ein Einphasen- oder Dreiphasenwechselstromnetz für den Wärmepumpenbetrieb oder sonstige Verbraucher 3 zur Verfügung.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante ist das in 2 schematisch dargestellte erfinderische DC(Gleichstrom)-gekoppeltes Speichersystem beschrieben.
  • Auch hier dienen wieder Windkraft- und/oder Photovoltaikanlagen 1 als Primärenergiequelle für die erfinderische Energieversorgungseinrichtung für Wärmepumpen 2 und/oder Klimageräte. Dabei sind mindestens eine Windkraft und/oder Photovoltaikanlage 1 über einen Gleichstromwandler 7 mit einem DC-gekoppelten Speichersystem 12 verbunden, welches einen Laderegler 9, mindestens ein Akkumulator 6 und einen Wechselrichter 8 zur Einspeisung der elektrischen Energie in das Versorgungsnetz für die Wärmepumpe 2, sonstige Verbraucher 3 oder das öffentliche Stromnetz 5 aufweist.
  • Die Kapazitäten der oder des Akkumulators 6 sind dabei ebenso wie bei dem AC-gekoppelten Speichersystem vorzugsweise an die Leistungsaufnahme der Wärmepumpen und/oder Klimageräten 2 angepasst.
  • Für beide in den 1 und 2 schematisch dargestellten Speichersysteme gilt allgemein: sollten gerade günstige Wetterverhältnisse (Sonne und/oder Wind), die für die Stromerzeugung benötigt werden herrschen, so wird die erfindungsgemäße Energieversorgungseinrichtung den erzeugten Strom zum einen für die direkte Versorgung der Wärmepumpen und/oder Klimaanlagen 2 zur Verfügung stellen und zum anderen parallel dazu den oder die Akkumulatoren 6 aufladen.
  • Sollten weitere Stromüberschüsse aus den erneuerbaren Energien vorhanden sein, können auch weitere Verbraucher 3 betrieben werden oder aber der Stromüberschuss wird in das öffentliche Netz 5 eingespeist.
  • Für den Fall, dass die primäre Stromerzeugung durch die Photovoltaikanlage und/oder die Windkraftanlage ausfallen sollten, etwa bei einem technischer Defekt, können die Wärmepumpen und/oder Klimaanlagen 2 vorteilhaft auch über das öffentliche Netz mit Strom 5 versorgt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Windkraftanlage/Photovoltaikanlage
    2
    Wärmepumpe(n) oder Klimagerät(e)
    3
    sonstige Verbraucher
    4
    Zweirichtungszähler für das öffentliche Stromnetz
    5
    Anbindung öffentliches Stromnetz
    6
    Akkumulator(en), wiederaufladbarer Speicher
    7
    Gleichstromwandler
    8
    Wechselrichter
    9
    Laderegler
    10
    Batterie-Wechselrichter
    11
    AC-gekoppeltes Speichersystem
    12
    DC-gekoppeltes Speichersystem
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 202010013633 U1 [0008]

Claims (8)

  1. Energieversorgungseinrichtung für Wärmepumpen und Klimageräte (2), dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Photovoltaik- und/oder Windkraftanlage (1) und eine eine Energiespeichereinrichtung (6, 8, 9, 10) zur Speicherung elektrischer Energie für den Betrieb von Wärmepumpen (2) und/oder Klimageräten aufweist.
  2. Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinrichtung (6, 8, 9, 10) der durch mindestens eine Photovoltaik- und/oder Windkraftanlage (1) erzeugten elektrischen Energie mit einem AC- oder DC-gekoppeltes Speichersystem und einem oder mehreren elektrischen Energiespeichern (6) ausgestattet ist.
  3. Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Energiespeicher (6) einen oder mehrere Akkumulatoren, als wiederaufladbare Speicher umfassen, welche in Reihen- oder Parallelschaltung angeordnet sind.
  4. Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das die Anbindung der Energiespeicher (6) an die Photovoltaik- und/oder Windkraftanlage (1) über ein einen Gleichstromwandler (7) und einen Wechselrichter (8) an ein AC-gekoppeltes Speichersystem (11) erfolgt, welches einen Batterie-Wechselrichter (10), einen Laderegler (9) und mindestens einen Akkumulator (6) umfasst.
  5. Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das die Anbindung der Energiespeicher (6) an die Photovoltaik- und/oder Windkraftanlage (1) über einen Gleichstromwandler (7) an ein DC-gekoppeltes Speichersystem (12) erfolgt, welches einen Wechselrichter (8), einen Laderegler (9), und mindestens einen Akkumulator (6) umfasst.
  6. Energieversorgungseinrichtung nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungs- und Kapazitätsdimensionierung der als Energiespeicher ausgebildeten Akkumulatoren (6) entsprechend dem Leistungsbedarf der zu versorgenden Wärmepumpen (2) und/oder Klimageräte (2) ausgebildet sind, wobei mittels eines Wechselrichters (8) ein Einphasen- oder Dreiphasenwechselstrom zum Betrieb der Verbraucher (2, 3, 4, 5) zur Verfügung gestellt wird.
  7. Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass weitere sonstige Stromverbraucher (3) mit der Photovoltaik- und/oder Windkraftanlage (1) und der Energiespeichereinrichtung (6, 8, 9, 10) verbunden sind.
  8. Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpen (2) und/oder Klimageräte (2) mit einem zusätzlichen Netzstromanschluss (5) über einen Zweirichtungszähler (4) versehen sind, was deren Weiterbetrieb bei Erschöpfung des Energiespeichers (6) ermöglicht und die zusätzliche Einspeisung des mittels Photovoltaik- und/oder Windkraftanlage (1) erzeugten Mehrstroms in das öffentliche Stromnetz erlaubt.
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Cited By (2)

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