AT516403B1 - Process for the regeneration of the primary energy storage of a brine water heat pump - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regeneration des Primärenergiespeichers (1) einer Solewasserwärmepumpe (4), bei dem ein bevorzugt als metallischer Lamellenwärmetauscher ausgebildeter Luftsolewärmetauscher (3) seriell in den Primärkreis der Solewasserwärmepumpe (4) geschaltet wird, und zwar so, dass die Solepumpe (6) auch dann betrieben wird, wenn der Kältekreis der Wärmepumpe (4) deaktiviert ist. Damit kann der Flächenbedarf für den Primärenergiespeicher (1) auf einen Bruchteil eines konventionellen Flächenkollektors reduziert werden. Der Luftsolewärmetauscher (3) wird bevorzugt mit ausschließlicher natürlicher Luftbewegung betrieben.The invention relates to a method for regenerating the primary energy store (1) of a brine heat pump (4), in which a preferably designed as a metallic fin heat exchanger Luftsolewärmetauscher (3) is connected in series in the primary circuit of the brine heat pump (4), in such a way that the Solepumpe (6) is operated even if the cooling circuit of the heat pump (4) is deactivated. Thus, the space requirement for the primary energy storage (1) can be reduced to a fraction of a conventional surface collector. The air-oil heat exchanger (3) is preferably operated with exclusively natural air movement.
Description
Beschreibungdescription
VERFAHREN ZUR REGENERATION DES PRIMÄRENERGIESPEICHERS EINER SOLEWASSERWÄRMEPUMPEMETHOD FOR REGENERATING THE PRIMARY ENERGY STORAGE OF A SOLE WATER HEAT PUMP
HINTERGRUND UND GEBIET DER ERFINDUNGBACKGROUND AND FIELD OF THE INVENTION
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration des Primärenergiespeichers einer Solewasserwärmepumpe gemäß den unabhängigen Ansprüchen.The invention relates to a method for the regeneration of the primary energy storage of a brine heat pump according to the independent claims.
BISHERIGER STAND DER TECHNIKPREVIOUS STATE OF THE ART
[0002] Aus der EP 2 246 633 A2 ist ein Verfahren zur Nutzung von solarer Wärme bekannt, bei dem der solare Energieertrag neben einen Heizungskreislauf und einen Warmwasserspeicher auch auf eine Erdwärmesonde geleitet werden kann. Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren wird das die Sonde umgebende Erdreich aber ausschließlich durch Solarenergie und nicht durch die Wärmeenergie von Umgebungsluft regeneriert.From EP 2 246 633 A2 a method for the use of solar heat is known, in which the solar energy output can be passed in addition to a heating circuit and a hot water tank on a geothermal probe. In contrast to the method according to the invention, however, the soil surrounding the probe is regenerated exclusively by solar energy and not by the heat energy of ambient air.
[0003] Aus der EP 2 151 637 A2 ist eine Anordnung zur Bereitstellung von warmem Brauchwasser bekannt, in der ein Solarkreislauf mit einem Solarkollektor und einem Verbraucher einerseits, sowie der Primärkreislauf einer Wärmepumpe (Solekreislauf) andererseits über einen Wärmetauscher thermisch gekoppelt werden. Das Ausmaß der thermischen Kopplung wird durch ein Mischventil bestimmt. Die Anordnung erlaubt die Nutzung der Solarenergie insbesondere dann, wenn die Sonneneinstrahlung nicht mehr ausreicht, um im Solarkreislauf das Temperaturniveau des Verbrauchers zu erreichen, das Temperaturniveau jedoch über jenem des Primärkreises der Wärmepumpe liegt.From EP 2 151 637 A2 an arrangement for the provision of domestic hot water is known, in which a solar circuit with a solar collector and a consumer on the one hand, and the primary circuit of a heat pump (brine circuit) are thermally coupled via a heat exchanger on the other hand. The extent of thermal coupling is determined by a mixing valve. The arrangement allows the use of solar energy in particular when the sunlight is no longer sufficient to reach the temperature level of the consumer in the solar circuit, but the temperature level is above that of the primary circuit of the heat pump.
[0004] Aus der EP 1 248 055 A2 ist eine Gesamtumweltwärmequelle bekannt, bei der im Primärkreis einer Wärmepumpe bis zur drei Wärmequellen (Erdwärmetauscher, Luftkollektor, Solarabsorber) in Serie geschaltet sind, wobei die Wärmequellen jeweils einzeln durch eine von einem Umschaltventil beherrschte Bypass-Leitung umgangen werden können. Damit kann die unter den gegebenen Verhältnissen jeweils beste Wärmequelle (beziehungsweise Kombination von Wärmequellen) für den Betrieb der Wärmepumpe ausgewählt werden. Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren ist in der EP 1 248 055 A2 jedoch keine Zirkulation des Wärmeträgermediums - und damit auch kein Energieaustausch zwischen den Wärmequellen - vorgesehen, wenn die Wärmepumpe nicht im Betrieb ist. Des Weiteren ist in der EP 1 248 055 A2 ein Umschaltventil für jede einzelne Wärmequelle vorgesehen, während im erfindungsgemäßen Verfahren nur ein einziges Schaltorgan notwendig ist, weil sich der Erdkollektor immer im Primärkreis der Wärmepumpe befindet.From EP 1 248 055 A2 a total environmental heat source is known in which in the primary circuit of a heat pump up to the three heat sources (geothermal heat exchanger, air collector, solar absorber) are connected in series, the heat sources each individually by a controlled by a switching valve bypass Line can be bypassed. Thus, under the given conditions, the best heat source (or combination of heat sources) for the operation of the heat pump can be selected. In contrast to the process according to the invention, however, EP 1 248 055 A2 does not provide any circulation of the heat transfer medium - and therefore also no energy exchange between the heat sources - when the heat pump is not in operation. Furthermore, in EP 1 248 055 A2, a change-over valve is provided for each individual heat source, while in the method according to the invention only a single switching element is necessary because the ground collector is always located in the primary circuit of the heat pump.
[0005] In der WO 2012/032159 A2 wird ein Speichertank vorgeschlagen, der die latente Wärmeenergie eines Speichmediums, insbesondere Wasser, nutzt. Im Zentrum des Speichertanks befindet sich ein erster Wärmetauscher, über den dem Speichertank vorzugsweise durch eine Wärmepumpe Energie entzogen wird. Zwei weitere Wärmetauscher, die beispielsweise in der Gehäusewand des Speichertanks eingegossen sind und den ersten Wärmetauscher umgeben, dienen der Regeneration. Das Wärmeträgermedium des zweiten Wärmetauschers ist bevorzugt ein Gas, insbesondere Umweltluft oder Abwasserkanalluft, jenes des dritten ist eine Flüssigkeit, über die dem Speichertank bevorzugt aus Solarabsorbern gewonnene Energie zugeführt wird. Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren werden in der WO 2012/032159 A2 für den Eintrag und Entzug der Energie aus dem Speichertank unterschiedliche Wärmetauscher vorgeschlagen, was zu einem hohen mechanischen und elektrischen Aufwand führt.In WO 2012/032159 A2 a storage tank is proposed, which uses the latent heat energy of a storage medium, in particular water. In the center of the storage tank is a first heat exchanger through which the storage tank is preferably deprived of energy by a heat pump. Two further heat exchangers, which are cast for example in the housing wall of the storage tank and surround the first heat exchanger, serve for regeneration. The heat transfer medium of the second heat exchanger is preferably a gas, in particular ambient air or sewage air, that of the third is a liquid, via which the storage tank preferably obtained from solar absorbers energy is supplied. In contrast to the method according to the invention, different heat exchangers are proposed in WO 2012/032159 A2 for the entry and withdrawal of the energy from the storage tank, which leads to a high mechanical and electrical expense.
[0006] Aus der EP 2 322 880 A1 ist eine Wärmepumpenanlage bekannt, bei der wenigstens zwei baulich getrennte Wärmepumpen mit einem einzigen Umweltwärmequellen-Kreislauf verbunden sind, wobei in den letzteren verschiedene Umweltwärmequellen integrieren sein können.From EP 2 322 880 A1, a heat pump system is known in which at least two structurally separate heat pumps are connected to a single environmental heat source circuit, wherein in the latter various environmental heat sources can be integrated.
[0007] Aus der DE 3 101 138 A1 ist eine Wärmepumpe bekannt, bei der die Wärmeenergie von zwei Wärmequellen der Verdampferseite über einen Dreifachwärmetauscher einzeln oder zusammengleichzeitig zugeführt wird.From DE 3 101 138 A1 a heat pump is known, in which the heat energy of two heat sources of the evaporator side via a triple heat exchanger is supplied individually or simultaneously.
[0008] Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.The present invention will now be explained with reference to preferred embodiments and with reference to the drawings.
[0009] Fig. 1 zeigt ein Fließschema einer Heiz- und/oder Kühlanlage (10), auf dessen Pri märenergiespeicher (1) das erfindungsgemäße Verfahren angewandt wird, [0010] Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Variante des Luftsolewärmetauschers (3) beziehungs weise eines Wärmetauschermoduls (3a) in schematischer Darstellung, [0011] Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Variante des Erdkollektors (2) beziehungsweise einesFig. 1 shows a flow chart of a heating and / or cooling system (10), on whose Pri märenergiespeicher (1) the inventive method is used, Fig. 2 shows a preferred variant of the Luftsolewärmetauschers (3) relationship, respectively a heat exchanger module (3a) in a schematic representation, Fig. 3 shows a preferred variant of the ground collector (2) or a
Kollektormoduls (2a) in schematischer Darstellung.Collector module (2a) in a schematic representation.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS
[0012] Fig. 1 zeigt ein Fließschema der Heiz- und/oder Kühlanlage (10), auf dessen Primärenergiespeicher (1) das erfindungsgemäße Verfahren angewandt wird. Im elementaren Primärkreis (8) sind die Solepumpe (6), der Erdkollektor (2) und der Primärwärmetauscher (5) der Solewasserwärmepumpe (4) enthalten. Im erweiterten Primärkreis (8a) ist noch zusätzlich ein Luftsolewärmetauscher (3) enthalten, wobei der letztere durch ein Schaltorgan (9), insbesondere durch ein Umschaltventil, seriell in den Solekreislauf geschaltet wird. Im Sekundärkreis der Solewasserwärmepumpe (4) ist ein Verbraucher (7) enthalten, an den die gewonnene Wärme und/oder Kälte abgegeben wird. Für den Fall, dass mit ein- und derselben Solewasserwärmepumpe (4) in der warmen Jahreszeit Kälte und in der kalten Jahreszeit Wärme erzeugt werden soll, muss diese als reversible Wärmepumpe ausgebildet sein. Bei Wärmepumpen dieses Typs werden mithilfe eines Vierwegventils einfach der Verdampfer und der Verflüssiger im Kältekreis vertauscht; üblicherweise werden zur optimalen Anpassung an die beiden Betriebsarten auch zwei unterschiedliche Expansionsventile verwendet. Diese Details sind in der schematischen Darstellung der Wärmepumpe (4) in Fig. 1 jedoch nicht ausgeführt, weil sie für das erfindungsgemäße Verfahren unerheblich sind.Fig. 1 shows a flow chart of the heating and / or cooling system (10), on the primary energy storage (1), the inventive method is applied. The elementary primary circuit (8) contains the brine pump (6), the ground collector (2) and the primary heat exchanger (5) of the brine water heat pump (4). In the extended primary circuit (8a), an air-oil heat exchanger (3) is additionally contained, the latter being connected in series into the brine circuit by a switching element (9), in particular by a change-over valve. In the secondary circuit of the brine heat pump (4) a consumer (7) is included, to which the recovered heat and / or cold is released. In the event that with the same brine heat pump (4) in the warm season cold and in the cold season heat is to be generated, this must be designed as a reversible heat pump. For heat pumps of this type, a four-way valve simply swaps the evaporator and condenser in the refrigerant circuit; Usually two different expansion valves are also used for optimum adaptation to the two operating modes. However, these details are not shown in the schematic representation of the heat pump (4) in Fig. 1, because they are irrelevant to the inventive method.
[0013] Grundsätzlich kann die Solewasserwärmepumpe (4) für jede der beiden Hauptbetriebsarten (Heizen und Kühlen) in jeweils drei Unterbetriebsarten betrieben werden. Diese sind: [0014] a. Betrieb der Wärmepumpe (4) mit elementarem Primärkreis (8) (Betriebsart B1) b. Betrieb der Wärmepumpe (4) mit erweitertem Primärkreis (8a) (Betriebsart B2), c. Betrieb der Solepumpe (6) bei deaktiviertem Kältekreis der Wärmepumpe (4) und erweitertem Primärkreis (8a) (Betriebsart B3).In principle, the brine heat pump (4) for each of the two main modes (heating and cooling) can be operated in each of three sub-modes. These are: [0014] a. Operation of the heat pump (4) with elementary primary circuit (8) (operating mode B1) b. Operation of the heat pump (4) with extended primary circuit (8a) (mode B2), c. Operation of the brine pump (6) with the heat pump (4) and extended primary circuit (8a) deactivated (operating mode B3).
[0015] In der Betriebsart B1 wird die Primärenergie ausschließlich dem Primärenergiespeicher (1) entnommen. Die Heiz- und/oder Kühlanlage (10) kann in die Betriebsart B2 übergeführt werden, wenn sich (a) im Heizbetrieb die Lufttemperatur größer als die Temperatur des Speichermediums (31b) des Primärenergiespeichers (1) beziehungsweise (b) im Kühlbetrieb die Lufttemperatur kleiner als die Temperatur des Speichermediums (31b) des Primärenergiespeichers (1) darstellt. In der Betriebsart B2 wird dann zumindest ein Teil der Primärenergie über den Luftsolewärmetauscher (3) der Umgebungsluft entzogen, es kann aber auch der Fall eintre-ten, dass der gesamte Primärenergiebedarf der Umgebungsluft entnommen wird und es zusätzlich noch zu einer Regeneration des Primärenergiespeichers (1) kommt. Dieser Fall tritt dann ein, wenn ein signifikanter Temperaturunterschied zwischen Umgebungsluft (31a) und dem Speichermedium (31b) des Primärenergiespeichers (1) gegeben ist. Beträgt im Heizbetrieb beispielsweise die Lufttemperatur (31a) ΙΟ'Ό und die Temperatur des Speichermediums (31b) 0°C, und regelt die Wärmepumpe (4) die Spreizung der Soletemperatur auf 4 Kelvin ein, könnten sich bei entsprechender Dimensionierung von Luftsolewärmetauscher (3) und Erdkollektor (2) folgende Temperaturverhältnisse einstellen: Referenzpunkt 1 (30a): 1^, Referenzpunkt 2 (30b): δ'Ό, Referenzpunkt 3 (30c): 5°C. Die Temperaturspreizung beträgt am Luftsolewärmetauscher (3) also 8°C - 1 <€ = 7K, am Erdkollektor (2) - 8^ = -3K und am Primärwärme tauscher (5) 5°C - 1 °C = 4K. Mit anderen Worten gehen All der am Luftsolewärmetauscher (3) gewonnenen Energie an die Wärmepumpe (4) und von dort weiter an den Verbraucher (7) und 3/7 der gewonnenen Energie in die Regeneration des Primärenergiespeichers (1).In the operating mode B1, the primary energy is taken exclusively from the primary energy storage (1). The heating and / or cooling system (10) can be converted into the operating mode B2, if (a) in the heating mode, the air temperature is greater than the temperature of the storage medium (31b) of the primary energy storage (1) or (b) in the cooling mode, the air temperature less represents the temperature of the storage medium (31b) of the primary energy storage (1). In the operating mode B2, at least part of the primary energy is then removed from the ambient air via the air-oil heat exchanger (3), but it may also be the case that the entire primary energy requirement is taken from the ambient air and, in addition, regeneration of the primary energy store (1 ) comes. This case occurs when there is a significant temperature difference between ambient air (31a) and the storage medium (31b) of the primary energy store (1). Is in the heating mode, for example, the air temperature (31a) ΙΟ'Ό and the temperature of the storage medium (31b) 0 ° C, and regulates the heat pump (4) the spread of the brine temperature to 4 Kelvin, could with appropriate dimensioning of Luftsolewärmetauscher (3) and earth collector (2) set the following temperature conditions: reference point 1 (30a): 1 ^, reference point 2 (30b): δ'Ό, reference point 3 (30c): 5 ° C. The temperature difference is at Luftsolewärmetauscher (3) thus 8 ° C - 1 <€ = 7K, at the ground collector (2) - 8 ^ = -3K and at the primary heat exchanger (5) 5 ° C - 1 ° C = 4K. In other words, all of the energy obtained at the air-oil heat exchanger (3) goes to the heat pump (4) and from there on to the consumer (7) and 3/7 of the recovered energy in the regeneration of the primary energy store (1).
[0016] Anhand der obigen Beispielrechnung wird auch deutlich, dass es von Vorteil sein kann, auch dann von der Betriebsart B1 in die Betriebsart B2 zu wechseln, wenn die Lufttemperatur (31a) niedriger ist als die Temperatur des Speichermediums (31b) ist: Durch die Strategie der Wärmepumpensteuerung, eine Temperaturspreizung der Sole von 4K am Primärwärmetauscher (5) herzustellen, ergibt sich eine Soleaustrittstemperatur (Referenzpunkt 1 (30a)), die um wenigstens 4K geringer ist als die Temperatur des Speichermediums (31b). Liegt die Lufttemperatur (31a) nun zwischen der Temperatur des Speichermediums (31 b) und der genannten Soleaustrittstemperatur (30a), kommt es in der Betriebsart B2 am Luftsolewärmetauscher (3) auf alle Fälle zu einer Temperaturanhebung der Sole und damit zu einem Wärmeeintrag, wodurch der Primärenergiespeicher (1) im Vergleich zur Betriebsart B1 geschont wird.On the basis of the above example calculation it is also clear that it can be advantageous to change from operating mode B1 to operating mode B2 even when the air temperature (31a) is lower than the temperature of the storage medium (31b) the strategy of the heat pump control to produce a temperature spread of the brine of 4K at the primary heat exchanger (5) results in a brine outlet temperature (reference point 1 (30a)) which is at least 4K lower than the temperature of the storage medium (31b). If the air temperature (31a) between the temperature of the storage medium (31 b) and said brine outlet temperature (30a), it comes in B2 at the Luftsolewärmetauscher (3) in any case to a temperature increase of the brine and thus to a heat input, thereby the primary energy storage (1) is spared in comparison to the operating mode B1.
[0017] Die Betriebsart B3 wird aktiviert, wenn am Verbraucher (7) aktuell kein Wärme- beziehungsweise Kältebedarf gegeben ist, die Lufttemperatur (31a) (a) im Heizbetrieb sich aber größer als die Temperatur des Speichermediums (31b) im Primärenergiespeicher (1) beziehungsweise (b) im Kühlbetrieb kleiner als die letztere darstellt. Durch den Solefluss kommt es (a) im Heizbetrieb zu einer Wärmeaufnahme am Luftsolewärmetauscher (3) und zu einer Wärmeabgabe am Erdkollektor beziehungsweise (b) im Kühlbetrieb zu einer Kälteaufnahme am Luftsolewärmetauscher und einer Kälteabgabe am Erdkollektor (2), wodurch in beiden Hauptbetriebsarten eine Regeneration des Primärenergiespeichers (1) gegeben ist.The mode B3 is activated when the consumer (7) currently no heat or cooling demand is given, the air temperature (31a) (a) in heating but greater than the temperature of the storage medium (31b) in the primary energy storage (1) or (b) is smaller than the latter in the cooling mode. By the brine flow it comes (a) in heating mode to heat absorption on Luftsolewärmetauscher (3) and heat dissipation at the ground collector or (b) in the cooling mode to a cold absorption on Luftsolewärmetauscher and a cooling discharge to the ground collector (2), whereby in both main modes regeneration of the primary energy store (1) is given.
[0018] Das Speichermedium des Primärenergiespeichers (1) soll insbesondere im Heizbetrieb einen hohen Wasseranteil aufweisen. Die enorme Schmelzenthalpie (333,5 kJ/kg) des Wassers sorgt dafür, dass der gesamte Primärenergiespeicher (1) lange Zeit auf einem Temperaturniveau von 0°C (Gefrier-/Schmelzpunkt Wasser) verharren kann. Dadurch kommt es bei Phasen warmen Wetters während der Heizperiode (beispielsweise bei Föhnwetterlagen) wegen der hohen Temperaturdifferenzen zwischen Luft und Speichermedium zu großen Energieeinträgen, wobei sich diese auch bei langen Phasen warmen Wetters nicht abschwächen, weil ein Temperaturanstieg im Speicher erst nach einem vollständigen Aufschmelzen des Eises möglich ist. Bei einem Verbleib des geschmolzenen Wassers im Primärenergiespeicher (1) steht die eingetragene Wärme für nachfolgende Kältephasen wieder zur Verfügung, wodurch auch lange Kältephasen auf einem Temperaturniveau des Speichermediums von 0°C überbrückt werden können.The storage medium of the primary energy storage (1) should have a high water content, especially in heating mode. The enormous melting enthalpy (333.5 kJ / kg) of the water ensures that the entire primary energy storage (1) can remain at a temperature level of 0 ° C (freezing / melting point water) for a long time. Thus, during periods of warm weather during the heating season (for example in Föhnwetterlagen) due to the high temperature differences between air and storage medium to large energy inputs, which do not weaken even in long periods of warm weather, because a temperature increase in the memory only after a complete melting of the Ice is possible. If the molten water remains in the primary energy storage device (1), the heat input is available again for subsequent cold phases, whereby even long periods of cold can be bridged at a temperature level of the storage medium of 0 ° C.
[0019] Im Hinblick auf die zweite Hauptbetriebsart (Kühlen) kommt es in vielen Regionen der Welt zu großen Temperaturunterschieden zwischen Tag und Nacht. Aber auch in den gemäßigten Zonen Mitteleuropas erreicht man an Sommertagen häufig Temperaturen von 35°C während die Temperaturen in der Nacht auf unter 20°C zurückgehen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es nun, die bei der Kühlung am Tag anfallende Wärme gegen das relative kühle Speichermedium des Primärenergiespeicher (1) abzugeben. In der Nacht wird der nun warme Primärenergiespeicher (1) über den Luftsolewärmetauscher (3) gegen die kalte Außenluft entladen. Durch diese antizyklische Betriebsweise können wesentlich bessere Arbeitszahlen (EER) realisiert werden, als dies bei einer direkten Abgabe der Wärme gegen die heiße Außenluft des Tages möglich wäre. Beispielsweise erreichen reversible Solewasserwärmepumpen für den Betriebspunkt „B20/W7“ (Sole: 20°C, Wasser: 7^) Arbeitszahlen (EER) von 6,4 und mehr. Vergleicht man diesen Wert mit reversiblen Luftwasserwärmepumpen, überschreiten die Arbeitszahlen (EER) für den Betriebspunkt „A35/W7“ (Luft: 35°C, Wasser: 7°C) nur selten den Wert von 3,30. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass als Wärmeträgermedium eine Sole eingesetzt wird und nicht ein gasförmiges Kältemittel, wie dies bei Luftwasserwärmepumpen der Fall ist, wodurch die Errichtung und Wartung der Anlagen wesentlich vereinfacht wird. Ganz allgemein sind zudem auch die Arbeitszahlen von Solewasserwärmepumpen besser als jene von Luftwasserwärmepumpen.With regard to the second main operating mode (cooling), large temperature differences between day and night occur in many regions of the world. But even in the temperate zones of Central Europe, temperatures of 35 ° C are often reached on summer days, while temperatures drop to below 20 ° C during the night. The method according to the invention now makes it possible to emit the heat accumulating during the cooling process during the day against the relatively cool storage medium of the primary energy store (1). During the night, the now warm primary energy storage tank (1) is discharged via the air-oil heat exchanger (3) against the cold outside air. This anticyclical mode of operation allows considerably better numbers of jobs (EER) to be realized than would be possible with a direct release of the heat to the hot outside air of the day. For example, reversible brine heat pumps for operating point "B20 / W7" (brine: 20 ° C, water: 7 ^) achieve operating figures (EER) of 6.4 and more. If this value is compared with reversible air-source heat pumps, the operating figures (EER) for the operating point "A35 / W7" (air: 35 ° C, water: 7 ° C) rarely exceed the value of 3.30. Another advantage of the method according to the invention is that a brine is used as the heat transfer medium and not a gaseous refrigerant, as is the case with air-water heat pumps, whereby the construction and maintenance of the systems is substantially simplified. In addition, the numbers of brine water heat pumps are generally better than those of air water heat pumps.
[0020] Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Variante des Luftsolewärmetauschers (3). Dieser besteht aus einer Vielzahl von metallischen Kernrohren (11), die wärmeleitend mit einer Vielzahl von ebenfalls metallischen Lamellen (12) verbunden sind. Die Lamellen (12) sind dabei bevorzugt in einer Normalebene der Kernrohrachsen angeordnet, wobei die Kernrohre (11) zuerst in Reihe zu Subsolekreisen (11b) und dann parallel zu einem Gesamtsolekreis mit zwei Solesammelanschlüssen (13) verschaltet sind. Die serielle Verschaltung der Kernrohre (11) zu Subsolekreisen (11b) erfolgt durch Rohrbögen, die auch als Haarnadeln (11a) bezeichnet werden. Die parallele Verschaltung der Subsolekreise (11b) zum Gesamtsolekreis erfolgt über Sammelrohre (14). Das bevorzugte Material für die Lamellen (12) ist Aluminium, das bevorzugte Material für die Kernrohre (11), Haarnadeln (11a) und Sammelrohre (14) ist Aluminium oder Kupfer. Kupfer hat den Vorteil, dass es durch Löten leicht zu verarbeiten ist, Aluminium muss geschweißt werden, ist jedoch kostengünstiger. Kernrohre (11), Lamellen (12), Haarnadeln (11a) und Sammelrohre (14) werden nach dem Stand der Technik von der Kältetechnikindustrie in großer Stückzahl für Verdampfer und Verflüssiger vorgefertigt, wodurch sich auch günstige Gestehungskosten für den Luftsolewärmetauscher (3) des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben.Fig. 2 shows a preferred variant of the Luftsolewärmetauschers (3). This consists of a plurality of metallic core tubes (11), which are thermally conductively connected to a plurality of likewise metallic lamellae (12). The lamellae (12) are preferably arranged in a normal plane of the core tube axes, wherein the core tubes (11) are first connected in series to subsole circuits (11b) and then parallel to a Gesamttsolekreis with two brine collector terminals (13). The serial interconnection of the core tubes (11) to subsole circles (11b) is carried out by elbows, which are also referred to as hairpins (11a). The parallel connection of the sub-loop circuits (11b) to the total closed loop circuit takes place via manifolds (14). The preferred material for the fins (12) is aluminum, the preferred material for the core tubes (11), hairpins (11a) and headers (14) is aluminum or copper. Copper has the advantage that it is easy to process by soldering, aluminum must be welded, but is less expensive. Core tubes (11), fins (12), hairpins (11 a) and manifolds (14) are prefabricated in the prior art by the refrigeration industry in large numbers for evaporators and condenser, which is also favorable production costs for the Luftsolewärmetauscher (3) of the invention Procedure result.
[0021] Der Luftsolewärmetauscher (3) ist in seiner bevorzugten Ausführungsform für einen Betrieb mit natürlicher Luftbewegung ausgebildet. Dies erspart den Einsatz von Ventilatoren und verhindert Geräuschemissionen. Die geringere flächenspezifische Leistung wird einfach durch eine größere Fläche ausgeglichen. Um der Gefahr einer durchgehenden Vereisung der Lamellen im Heizbetrieb vorzubeugen, werden die Lamellen (12) mit 5 mm beabstandet. Generell ist die Vereisungsgefahr ohnehin stark vermindert, weil bei tiefen Temperaturen der Luftsolewärmetauscher (3) gar nicht in den Primärkreis der Wärmepumpe (4) eingebunden ist.The Luftsolewärmetauscher (3) is designed in its preferred embodiment for operation with natural air movement. This saves the use of fans and prevents noise emissions. The smaller area-specific power is easily compensated by a larger area. To prevent the risk of a continuous icing of the slats in the heating mode, the slats (12) are spaced at 5 mm. In general, the risk of icing up is greatly reduced anyway, because at low temperatures the air-oil heat exchanger (3) is not integrated in the primary circuit of the heat pump (4) at all.
[0022] In einer bevorzugten Ausführungsform des Luftsolewärmetauschers (3) ist dieser außerdem modular aufgebaut, wobei sich der Gesamtwärmetauscher bevorzugt aus der hydraulischen Parallelschaltung der Kollektormodule (3a) zusammensetzt. Dies gewährleistet eine einfache Auslegbarkeit des Systems. Ein Kollektormodul (3a) besitzt bevorzugt Abmessungen von etwa 2 m x 1 m (Länge x Höhe) und wiegt dann bei einer Ausführung in Aluminium etwa 30kg. Damit ist es noch gut handhabbar, im Notfall auch von einem einzelnen Mann. Die Lamellenbreite beziehungsweise die Modultiefe beträgt etwa 50 mm. Eine noch größere Lamellenbreite würde bei einer angenommenen Frontgeschwindigkeit der Luft von etwa 0,15 m/s (natürliche Luftbewegung) und der oben genannten Beabstandung der Lamellen keine entscheidende Leistungssteigerung mehr entfalten. Unter den getroffenen Annahmen kann für den Luftsolewärmetauscher (3) von einer spezifischen Leistung von etwa 140 Watt pro Quadratmeter und Grad Kelvin mittlerer Temperaturdifferenz zwischen Sole und Luft ausgegangen werden. Dieser Wert lässt sich auch in der Praxis gut verifizieren. Er berücksichtigt bereits, dass im Freien praktisch nie eine völlige Windstille herrscht, und die natürliche Luftbewegung den Wärmeaustausch zwischen Luft und Sole verstärkt. Befindet sich der Luftsolewärmetauscher dagegen wirklich „im Wind“, sind auch spezifische Leistungen von 500 W/(m2*K) möglich (Frontge-schwindgeit der Luft: 1,0 m/s).In a preferred embodiment of the Luftsolewärmetauschers (3) this is also modular, with the total heat exchanger preferably from the hydraulic parallel circuit of the collector modules (3a) composed. This ensures easy deployment of the system. A collector module (3a) preferably has dimensions of about 2 m x 1 m (length x height) and then weighs about 30 kg in an aluminum version. So it is still easy to handle, in an emergency by a single man. The slat width or the module depth is about 50 mm. An even greater lamella width would no longer develop a decisive increase in performance with an assumed frontal speed of the air of about 0.15 m / s (natural air movement) and the above-mentioned spacing of the lamellae. Under the assumptions made, the air-oil heat exchanger (3) can be assumed to have a specific power of about 140 watts per square meter and degrees Kelvin of mean temperature difference between brine and air. This value can also be verified well in practice. He already takes into account that in the open air there is practically never complete calm, and the natural air movement enhances the heat exchange between air and brine. On the other hand, if the air-oil heat exchanger really is "in the wind", specific outputs of 500 W / (m2 * K) are also possible (front air flow rate of the air: 1.0 m / s).
[0023] Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Variante des Erdkollektors (2) beziehungsweise eines Kollektormoduls (2a). Ebenso wie beim Luftsolewärmetauscher (3) ist auch der Erdkollektor (2) bevorzugt durch die hydraulische Parallelschaltung von einzelnen Kollektormodulen (2a) ausgebildet. Ein Kollektormodul (2a) ist dabei als Rohrwärmetauscher ausgebildet, wobei ein PE-Rohr (15) spiralförmig in einer horizontalen Ebene so verlegt wird, dass die Rohrwindungen sich in einer ersten, unteren Lage von einer Anschlussstelle (16) mit den beiden Soleanschlüssen (17) entfernen und in einer zweiten, oberen Lage wieder zu dieser zurückführen.Fig. 3 shows a preferred variant of the ground collector (2) or a collector module (2a). As with the air-oil heat exchanger (3), the earth collector (2) is preferably formed by the hydraulic parallel connection of individual collector modules (2a). A collector module (2a) is designed as a tube heat exchanger, wherein a PE tube (15) is laid helically in a horizontal plane so that the tube turns in a first, lower layer of a connection point (16) with the two brine connections (17 ) and return to this in a second, upper layer.
[0024] Ein anhaltend hoher Wasseranteil im Speichermedium des Primärenergiespeichers (1) wird bevorzugt durch die beiden folgenden Varianten sichergestellt: [0025] a. Besteht das Erdreich aus Böden, die einen hohen Wasseranteil auch gegen dieA persistently high water content in the storage medium of the primary energy store (1) is preferably ensured by the following two variants: [0025] a. If the soil consists of soils that have a high water content also against the
Schwerkraft halten können (adhäsiv gebundenes Haftwasser und geschlossene Mikrohohlräume), kann der Erdkollektor direkt ins Erdreich eingebracht werden. Beispielsweise halten Lehm- oder Tonböden mit Leichtigkeit dauerhaft 0,25 Liter Wasser und mehr pro Kubikdezimeter. Sind solche Böden vorhanden, dürfen bei einer Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Rohre des Erdkollektors (2) so dicht verlegt werden, dass sich Entzugsleistungen von 100 W/m2 und mehr ergeben. Üblicherweise werden bei einem Flächenkollektor einem Boden, je nach Bodenart, nicht mehr als 10 - 35 W/m2 entzogen, weil sich der Boden sonst während der Heizperiode thermisch erschöpft beziehungsweise zwischen den Heizperioden nicht mehr vollständig regenerieren kann. Durch die thermische Regeneration des Bodens innerhalb der Heizperiode kann die Entzugsleistung aber wesentlich größer gewählt werden. Als Faustregel kann für gemäßigte Klimazonen mit nicht mehr als 4.000 Gradtagen per anno (gemäß VDI 3807, beispielsweise Wien: 3.235 Kd/a, Berlin: 3.606 Kd/a, München: 3.809 Kd/a) der Flächenbedarf für den Kollektor auf ein Viertel eines konventionellen Flächenkollektors reduziert werden, wenn für einen jährlichem Heizwärmebedarf von jeweils 2.500 kWh jeweils ein Quadratmeter Luftsolewärmetauscher (3) in der oben genannten Ausführung vorgesehen wird. Besitzt ein Gebäude beispielsweise einen jährlichen Heizwärmebedarf von 10.000 kWh und wurde für einen konventionellen Flächenkollektor ein Flächenbedarf von 240m2 errechnet, kann der Flächenbedarf auf 60 Quadratmeter reduziert werden, wenn der Luftsolewärmetauscher (3) eine Fläche von 4m2 aufweist. Selbstverständlich ist aber nur der Flächenbedarf und nicht die Rohrlänge des Kollektors reduzierbar. Die letztere muss nun bevorzugt in der in Fig. 3 vorgeschlagenen Variante auf die kleinere Fläche konzentriert werden. Die Reduktion der Kollektorfläche auf 1/4 der Größe eines konventionellen Flächenkollektors bedeutet, dass eine Umschlaghäufigkeit der im Primärspeicher enthaltenen Energie von 4, bezogen auf eine Heizperiode, gegeben ist. Bei einer Referenzanlage (3.340 Kd/a) wurde eine Umschlaghäufigkeit von 10 (allerdings bei einem Kies-/Wasserspeicher) erfolgreich getestet, sodass man sich mit der oben vorgeschlagenen Auslegung auf der sicheren Seite befinden sollte.Gravity can hold (adhesively bonded adhesive water and closed micro cavities), the earth collector can be introduced directly into the ground. For example, clay or clay soils can easily hold 0.25 liters of water and more per cubic decimeter. If such floors are present, the tubes of the ground collector (2) may be laid so tightly in an application of the method according to the invention that results in withdrawal rates of 100 W / m2 and more. Usually, in a surface collector, a floor, depending on the type of soil, not more than 10 - 35 W / m2 withdrawn, because the soil otherwise thermally exhausted during the heating period or can no longer completely regenerate between the heating periods. Due to the thermal regeneration of the soil within the heating season, the withdrawal rate can be chosen much larger. As a rule of thumb, for moderate climates with not more than 4,000 degree days per annum (according to VDI 3807, for example Vienna: 3,235 Kd / a, Berlin: 3,606 Kd / a, Munich: 3,809 Kd / a), the area required for the collector to one quarter of a Conventional surface collector can be reduced if, for an annual heating demand of 2,500 kWh in each case one square meter Luftsolewärmetauscher (3) is provided in the above-mentioned embodiment. If, for example, a building has an annual heating demand of 10,000 kWh and a surface area requirement of 240 m2 has been calculated for a conventional surface collector, the area requirement can be reduced to 60 square meters if the air-oil heat exchanger (3) has an area of 4m2. Of course, only the area required and not the tube length of the collector can be reduced. The latter now preferably has to be concentrated in the variant proposed in FIG. 3 onto the smaller area. The reduction of the collector area to 1/4 the size of a conventional surface collector means that there is a turnover rate of the energy contained in the primary storage of 4, based on a heating period. At a reference plant (3,340 Kd / a), a turn over frequency of 10 (but for a gravel / water reservoir) was successfully tested, so you should be on the safe side with the design proposed above.
[0026] b. Bei Sand- beziehungsweise Schotterböden kann ein hoher Wasseranteil des Primär energiespeichers (1) durch das Einbringen einer wasserdichten Folie in das Erdreich sichergestellt werden. Als Füllmaterial wird bevorzugt ein Rundkies verwendet, weil dieser die PE-Rohre (15) des Erdkollektors (2) beziehungsweise die Folie nicht verletzt. Diese Variante hat auch den Vorteil, dass überschüssiges Speicherwasser bei der Wärmeentnahme (und des damit einhergehenden Gefriervorgangs) leicht nach oben gedrängt und dort definiert abgeleitet werden kann. Dadurch kommt es zu keinen Bodenhebungen, wodurch diese Variante sich insbesondere auch für versiegelte Flächen eignet.B. In sandy or gravel soils, a high water content of the primary energy storage (1) can be ensured by the introduction of a waterproof film in the soil. As a filler, a round gravel is preferably used, because this does not violate the PE pipes (15) of the ground collector (2) or the film. This variant also has the advantage that excess storage water in the removal of heat (and the associated freezing process) can be easily pushed up and derived there defined. This results in no soil elevations, which makes this variant is particularly suitable for sealed surfaces.
[0027] Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bezieht sich darauf, dass das Schaltorgan (9) zur Integration des Luftsolewärmetauschers (3) in den Primärkreis der Solewasserwärmepumpe (4) manuell erfolgt. Dies ist insbesondere für Bestandsanlagen sinnvoll, wenn sich herausstellt, dass die Fläche des Flächenkollektors zu gering gewählt wurde und eine zusätzliche Regeneration außerhalb der Heizperiode angestrebt wird. Die Heiz- und Regenerationsperiode können sich auch überschneiden; beispielsweise bieten sich in Deutschland die Monate April bis Oktober wegen der noch deutlich positiven Durchschnittstemperaturen durchgehend für die Aktivierung des Luftsolewärmetauschers (3) an. Durch die manuelle Betätigung des Schaltorgans (9) benötigt die elektrische Steuerung einer Bestandsanlage keine Modifikation.A further preferred embodiment of the method according to the invention relates to the fact that the switching element (9) for integrating the Luftsolewärmetauschers (3) in the primary circuit of the brine heat pump (4) is done manually. This is particularly useful for existing systems, if it turns out that the area of the surface collector was chosen too low and an additional regeneration outside the heating period is desired. The heating and regeneration periods can also overlap; In Germany, for example, the months April to October offer continuous activation of the air-oil heat exchanger (3) due to the still very positive average temperatures. By the manual operation of the switching element (9), the electrical control of an existing system requires no modification.
[0028] Die Leistungsfähigkeit einer Regeneration außerhalb der Heizperiode soll nun anhand eines Rechenbeispiels demonstriert werden: Ist am Ende der Heizperiode ein großer Teil des Erdreichs um die PE-Rohre des Kollektors vereist, kann man davon ausgehen, dass die Temperatur des Speichermediums praktisch über die gesamte Regenerationsperiode auf 0°C verharrt. (Sollte das Eis bereits früher vollständig aufschmelzen, so darf man sich ja durchaus an diesem Umstand erfreuen!) Geht man des Weiteren davon aus, dass bei einem für diesen Anwendungsfall sehr klein (im Hinblick auf den Wärmeübergang und in Relation zum Erdkollektor (2)) dimensionierten Luftsolewärmetauscher (3) de facto der gesamte Temperaturstieg derThe performance of a regeneration outside the heating period will now be demonstrated by means of a calculation example: If at the end of the heating season, a large part of the soil frosted around the PE pipes of the collector, it can be assumed that the temperature of the storage medium practically on the entire regeneration period remains at 0 ° C. (If the ice melted completely earlier, then one may well enjoy this circumstance!) If it is further assumed that at a for this application very small (in terms of heat transfer and in relation to the earth collector (2) ) dimensioned Luftsolewärmetauscher (3) de facto the entire temperature rise of
Sole im Erdkollektor (2) wieder abgeerntet werden kann, so errechnet sich über die angenommene Regenerationsperiode von 7 Monaten (April bis Oktober), einer durchschnittlichen Lufttemperatur von 14°C in dieser Periode (Deutschland, Durchschnitt 2001-2013) und einer spezifischen Leistung des Luftsolewärmetauschers von 140 W/(m2*K) ein Wärmeintrag von 14 K * 210 d/a * 24 h/d *0,14 kW/(m2*K) = 10.580 kWh/(m2*a).Brine in the earth collector (2) can be reapplied, calculated over the assumed regeneration period of 7 months (April to October), an average air temperature of 14 ° C in this period (Germany, average 2001-2013) and a specific performance of the Air heat exchanger of 140 W / (m2 * K) a heat input of 14 K * 210 d / a * 24 h / d * 0.14 kW / (m2 * K) = 10,580 kWh / (m2 * a).
Dies ist in etwa das Siebenfache (!) der durchschnittlichen Jahressolareinstrahlung in Deutschland [1.400 kWh/(m2*a)]. Im Hinblick auf die Regeneration eines Niedrigtemperaturspeichermediums ist der im erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagene Luftsolewärmetauscher (3) demnach einem Solarkollektor weit überlegen, was insbesondere im Hinblick auf die Vorschläge der EP 2 246 633 A2 und der EP 2 151 637 A2 einen interessanten Blickwinkel eröffnet.This is about seven times (!) The average annual solar irradiation in Germany [1,400 kWh / (m2 * a)]. With regard to the regeneration of a low-temperature storage medium, the air-oil heat exchanger (3) proposed in the method according to the invention is therefore far superior to a solar collector, which opens up an interesting point of view, in particular with regard to the proposals of EP 2 246 633 A2 and EP 2 151 637 A2.
BEZUGSZEICHENAUFSTELLUNG 1 Primärenergiespeicher 2 Erdkollektor 2a Kollektormodul 3 Luftsolewärmetauscher 3a Wärmetauschermodul 4 Solewasserwärmepumpe 5 Primärwärmetauscher 6 Solepumpe 7 Verbraucher 8 Elementarer Primärkreis 8a Erweiterter Primärkreis 9 Umschaltorgan 10 Heiz-/Kühlanlage 11 Kernrohr 11 a Haarnadel 11b Subsolekreis 12 Lamelle 13 Solesammelanschluss 14 Sammelrohr 15 Polyethylenrohr (PE-Rohr) 16 Anschlussstelle 17 Solenanschluss Kollektor 30a Referenzpunkt 1: Soletemperatur Austritt Wärmepumpe 30b Referenzpunkt 2: Soletemperatur Austritt Luftsolewärmetauscher 30c Referenzpunkt 3: Soletemperatur Austritt Erdkollektor 31 a Referenzpunkt 4: Temperatur Umgebungsluft 31 b Referenzpunkt 5: Temperatur SpeichermediumREFERENCE IDENTIFICATION 1 Primary energy storage 2 Earth collector 2a Collector module 3 Air solar heat exchanger 3a Heat exchanger module 4 Brine heat pump 5 Primary heat exchanger 6 Brine pump 7 Consumers 8 Elementary primary circuit 8a Extended primary circuit 9 Changeover element 10 Heating / cooling system 11 Core tube 11 a Hairpin 11b Subsole circle 12 Slat 13 Solesammelanschluss 14 Collector pipe 15 Polyethylene pipe (PE) Pipe) 16 Junction 17 Brine collector 30a Reference point 1: Brine temperature Heat pump outlet 30b Reference point 2: brine temperature Air-cooled heat exchanger 30c reference point 3: brine temperature outlet earth collector 31 a reference point 4: ambient air temperature 31 b reference point 5: temperature storage medium
Claims (9)
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