AT518241A1 - Heiz- und/oder Kühlanlage für ein Gebäude - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Heiz- und/oder Kühlanlage für ein Gebäude, umfassend einen Erdwärmetauscher (1) mit einer daran über einen fluidbefüllten Primärrohrleitungskreislauf (2) angeschlossenen Wärmepumpe (3), wobei mittels der Wärmepumpe (3) vom Erdwärmetauscher (1) entnommene Wärmeenergie über zumindest einen fluidbefüllten Sekundärrohrleitungskreislauf (4) an entsprechende Heiz- und/oder Kühlelemente (5) im Gebäude übertragbar ist. Der Erdwärmetauscher (1) ist in der Sauberkeitsschicht (6) unter der Bodenplatte (7) des Gebäudes eingebettet. Zwischen der Bodenplatte (7) und der Sauberkeitsschicht (6) ist eine zu beiden Seiten hin mittels Wärmedämmung (8) gedämmte thermisch aktivierte Speicherplatte (9) angeordnet, die mit dem Sekundärrohrleitungskreislauf (4) verbunden ist und der Zwischenspeicherung der Wärmeenergie dient.

Description

Die Erfindung betrifft eine Heiz- und/oder Kühlanlage für ein Gebäude, umfassend einen Erdwärmetauscher mit einer daran über einen fluidbefüllten Primärrohrleitungskreislauf angeschlossenen Wärmepumpe, wobei mittels der Wärmepumpe vom Erdwärmetauscher entnommene Wärmeenergie über zumindest einen fluidbefüllten Sekundärrohrleitungskreislauf an entsprechende Heiz- und/oder Kühlelemente im Gebäude übertragbar ist.

Es gibt bereits seit Jahren erprobte Heiz- und Kühlsysteme, bei welchen Bauteile wie Betondecken oder auch Fußböden und Wandsysteme zur Temperierung von Objekten aller Art in Verwendung sind. Diese unter den Begriffen thermische Bauteilaktivierung, Deckenheizung/Kühlung, Fußbodenheizung, Wandheizung usw. bezeichneten Heiz-/Kühlsysteme, werden wiederum mit verschiedensten Heiz-/Kühlquellen versorgt. Beispielsweise seien hier folgende erwähnt: Wasser/Wasser oder Sole/Wasser Wärmepumpe, Luft/Wasser Wärmepumpe, Solarthermie, Pellets-Heizung, Fernwärmenutzung, Abwärmenutzung aus Kältegeräten oder Industrieabwärme .

Vor allem im verdichtenden städtischen Wohnhaus- und Siedlungsbau, wo auch durch das Entstehen von Hitzeinseln immer öfters ein erhöhter Kühlbedarf gegeben ist, werden immer häufiger Systeme getestet, welche der Energieeinsparung und Resourcen-schonung dienen und/oder den Einsatz von nichtfossilen Energieträgern ermöglichen.

Diese Systeme haben aber jeweils unterschiedliche Nachteile, wobei ein entscheidender Nachteil einer besonders nachhaltigen Lösung jeweils der ist, dass die Wärmeerzeugung oder auch die Kälteerzeugung meistens überhaupt, oder zumindest günstiger zu einem anderem Zeitpunkt anfällt, als die Abnahme erfolgt. Das heißt, es fehlt vor allem an Speichermöglichkeiten, welche die mit den absolut niedrigstmöglichen Erzeugungskosten erzeugte Wärme/Kälte zeitversetzt abgeben.

Bei der Abgabe von Wärme oder Kälte an den Heiz-/Kühlelementen ergibt sich beispielsweise bei Deckenheizungen der Nachteil, dass die üblicherweise an der Deckenunterseite bzw. raumnahe verlegten Systeme hohe Oberflächen und Strahlungstemperaturen mit sich bringen, welche für die auf hohe Temperaturen empfindliche Kopfzone unbehaglich wirken. Fußbodenheizsysteme für Wohnzwecke eignen sich hingegen im Sommer schlecht zur Kühlung, da sich in Fußbodennähe ein Kältesee ausbildet, welcher dem Trend, sich in den Räumen ohne Schuhe aufzuhalten, entgegen wirkt.

An der Wärmeerzeugungsseite ergibt sich beispielsweise bei Sole/Wasser Wärmepumpen der Nachteil der schlechten Jahresarbeitszahlen, bedingt durch die niederen Verdampfungstemperatu-ren der Kältemaschine, durch schlechtere Übertragungswerte bei Wärmetauschern und durch höheren Energiebedarf der Pumpen.

Solarthermie fällt in Österreich, bzw. im gesamten mittel- und nordeuropäischen Raum nur dann ausreichend an, wenn kein Heizerfordernis besteht. In manchen Gebieten ist durch Wolkendecken oder Nebel im Winter über sehr lange Zeiträume kein Sonneneintrag gegeben.

Die EP 0002839 Al zeigt beispielsweise ein Gebäude, welches mit einem Heizsystem ausgestattet ist, das sämtliche Außenwände sowie Dachflächen in Form von voneinander gedämmten Doppelwänden ausgebildet hat, wobei Wärmetauscher die an den Außenflächen aufgenommene Strahlungswärme, je nach Heizbedarf, an die inneren Wandteile überträgt. Das System unterliegt dem oben beschriebenen Problem, dass die Strahlungswärme meist dann anfällt, wenn kein Heizbedarf besteht. Die Speicherung der Wärme bzw. Kälte erfolgt über sämtliche Innenwände, wobei komplizierte Regelkreise und eine generell unwirtschaftlich aufwändige Ausgestaltung des gesamten Gebäudes notwendig sind.

In der DE 3740618 Al ist ein Fundamentabsorber dargestellt, welcher als Wärmespeicher dient. Das dargestellte System verwendet die Fundamentplatte sowohl als Entnahmestelle der Wärme für die Wärmepumpe als auch als Speicher für durch Solarenergie anfallende Wärmeüberschüsse. Diese Kombination aus Wärmeentnahme aus der Fundamentplatte und dem Erdreich, sowie gleichzeitigem Wärmezwischenspeicher führt jedoch zu einer schlechteren Gesamteffizienz. Entweder die Zwischenspeicherung von Wärme ist unzu reichend, da der Fundamentabsorber nicht hinreichend gedämmt ist, oder aber eine Entnahme der Erdwärme ist bei hinreichender Dämmung ungenügend oder gar unmöglich. Außerdem sorgt die erforderliche hohe Solekonzentration für eine weitere Verschlechterung der Gesamteffizienz.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Heiz-und/oder Kühlanlage zu schaffen, welche die Vorzüge der bisher in Verwendung befindlichen und zuvor teilweise aufgezählten Systeme möglichst vereint, ohne die hier aufgezählten Nachteile aufzuweisen, und welche universell einsetzbar ist. Die Anlage soll dabei günstig in der Herstellung sein und eine hohe Kapazität zur Zwischenspeicherung von Wärmeenergie aufweisen, sodass die Heizkosten minimierbar sind.

Dabei sollte es vorzugsweise eine Anlage sein, welche möglichst wenig Emissionen am Standort des Objektes abgibt bzw. Primärenergie im niedrigstmöglichen Ausmaß und nur zu einem Zeitpunkt nutzt, an dem ein Überschuss da ist, beispielsweise in den Nachtstunden, zum Wochenende, oder bei höheren Umgebungstemperaturen. Außerdem soll sowohl im Heiz- als auch im Kühlbetrieb der höchstmögliche Komfort durch optimale Behaglichkeitskriterien gewährleistet werden.

Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung dadurch gelöst, dass der Erdwärmetauscher in der Sauberkeitsschicht unter der Bodenplatte des Gebäudes eingebettet ist, und dass zwischen der Bodenplatte und der Sauberkeitsschicht eine zu beiden Seiten hin mittels Wärmedämmung gedämmte thermisch aktivierte Speicherplatte angeordnet ist, die mit dem Sekundärrohrleitungskreislauf verbunden ist und der Zwischenspeicherung der Wärmeenergie dient. Der Erdwärmetauscher kann somit auf günstige Weise in frostsicherer Tiefe bei Errichtung des Gebäudes kostengünstig angelegt werden, ohne dass weitere Aushebungen am Grundstück für das Verlegen eines herkömmlichen Erdwärmetauschers erforderlich wären. Dadurch kann das restliche Grundstück besser genutzt werden und unterliegt keinen weiteren Einschränkungen. Die thermisch aktivierbare Speicherplatte wird ebenfalls gleich bei Errichtung des Fundaments angelegt und bietet eine kosten günstige Möglichkeit, die zumeist antizyklisch erzeugte Wärme bzw. Kälte im Bedarfsfall zwischenzuspeichern. Die der Erfindung zugrunde liegende Anordnung der einzelnen Bauteile, sowie die im Weiteren beschriebenen Innovationen, ermöglichen eine maximale Energie und Kosten Effizienz, bei gleichzeitig optimaler Behaglichkeit der Anlagenauswirkung auf das Raumklima.

Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, dass die Heiz- und/oder Kühlelemente thermisch aktivierte Bauteile, bevorzugt Decken-, Boden- und/oder Wandelemente sind. Die Raumregelung erfolgt vorwiegend über einen Selbstregeleffekt, wobei bei erhöhter Raumtemperatur im Heizfall keine Wärmeübertragung stattfindet. Dazu ist lediglich eine hochwertige Wärmedämmung, bzw. niedrige U-Werte des Gebäudes erforderlich, um die Vorlauftemperaturen nieder zu halten, was der Behaglichkeit und damit dem Komfort zugute kommt.

Dabei ist es ein zusätzliches Merkmal der Erfindung, dass die fluidbefüllten Rohrleitungen innerhalb der als thermisch aktivierten Bauteile ausgebildeten Heiz- und/oder Kühlelemente mittig entlang der Mittelebene des jeweiligen Bauteils verlaufend angeordnet sind, wodurch die Speicherkapazität der Heiz-und/oder Kühlelemente verbessert ist. Die Anlage zeichnet sich dabei dadurch aus, dass die zur Aktivierung erforderlichen Rohrleitungen bei Decken, bei Wänden und Fußböden in Mittellage verlegt werden. Dadurch wird das System träger und die Möglichkeit zur Speicherung ist größer als bei raumnaher Verlegung der Rohrleitungen. Das kommt der Gesamtkonzeption der beschriebenen Anlage zugute, welche auf größtmögliche Speicherung abzielt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist es vorgesehen, dass zwischen Primär- und Sekundärrohrleitungskreislauf parallel zur Wärmepumpe ein weiterer Wärmetauscher angeordnet ist, welcher mittels Steuerventilen alternativ zur Wärmepumpe betreibbar ist und zur Kühlung des Gebäudes einsetzbar ist. Dadurch kann mit demselben Erdwärmetauscher, welcher als Wärme entziehender Tauscher für die Wärmepumpe dient, im Sommer direkt gekühlt werden.

Es ist ferner ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass das Fluid im Sekundärrohrleitungskreislauf Wasser ist, und dass das Fluid im Primärrohrleitungskreislauf Wasser oder Sole ist. Je nach Grundriss und Heizbedarf kann gebäudespezifisch in den meisten Fällen die Anlage mit einer Wasser-Wasser Wärmepumpe betrieben werden, oder bei erhöhtem Heizbedarf mit einer Sole-Wasser Wärmepumpe, mit einer für Temperaturen knapp unter dem Gefrierpunkt liegenden, niedrig konzentrierten Solemischung, was die Energieeffizienz der Gesamtanlage deutlich erhöht. Dies vor allem, da bei höheren Temperaturen im Verdampfer, als das bei üblichen Solekollektoren der Fall ist, die Gesamtjahreszahl steigt. Außerdem ist bei Wasser oder niederer Solebeimischung eine geringere Pumpenleistung erforderlich. Ferner erhöht sich dadurch der Wärmeübertragungsfaktor in den Wärmetauschern, was ebenfalls die Gesamteffizienz erhöht.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist es vorgesehen, dass die für die Wärmepumpe notwendige elektrische Energie mittels einer Photovoltaikanlage und/oder einer Windkraftanlage bereitgestellt ist und/oder die Wärmepumpe mit dem Stromnetz verbunden ist. Damit kann die Anlage entweder autonom über alternative Energiequellen betrieben werden oder aber, wie oben beschrieben, kann günstiger Strom aus dem Netz zu Nachtzeiten oder am Wochenende zur Heizung/Kühlung herangezogen werden, auch wenn der Bedarf an Wärme/Kälte zu einem anderen Zeitpunkt erfolgt.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist es, dass am Erdwärmetauscher eine Anordnung zur Einspeisung von Grundwasser vorgesehen ist, wobei die Anordnung entweder die Einspeisung von Grundwasser direkt in den Primärrohrleitungskreislauf erlaubt, oder insbesondere bei unzureichender Grundwasserqualität über einen Plattenwärmetauscher mit dem Primärrohrleitungskreislauf verbunden ist. Das Einbinden von Grundwasser, führt zur Verbesserung der Gesamteffizienz, insbesondere bei Anlagen, welche in Gebieten mit lang anhaltenden tiefen Außentemperaturen betrieben werden. Die Anlage kann dabei auch so aufgebaut und regeltech-nisch ausgestattet sein, dass auch andere Wärmequellen, auch mit höheren Temperaturen wie z.B: Solarthermie, oder Abwärme aus verschiedensten Quellen zur Rücklaufanhebung des Primärrohrleitungskreislaufes eingespeist und somit genutzt werden können.

Schließlich ist es ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass unterhalb der Sauberkeitsschicht weitere Betonzylinder im Erdreich angeordnet sind, in welche sich die Rohrleitungen und/oder wärmeübertragende Bauteile des Erdwärmetauschers erstrecken, wodurch die wirksame Oberfläche des Erdwärmetauschers vergrößert ist. Je nach Gebäudegrundriss und verfügbarer Grundfläche kann so der Erdwärmetauscher den jeweiligen Anforderungen angepasst werden.

Die Erfindung wird nun näher anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben, wobei

Fig. 1 einen schematischen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Heiz- und/oder Kühlanlage zeigt.

Bei der in der Fig. 1 gezeigten erfindungsgemäßen Heiz- und/oder Kühlanlage ist in der unter dem nicht näher dargestellten Gebäude in der Sauberkeitsschicht 6, welche üblicherweise eine Betonplatte ist, aber auch eine Schotterschicht sein kann, ein Erdwärmetauscher 1 angeordnet, welcher aus dem darunter liegenden Erdreich 12 und/oder aus dem Grundwasser 13 Wärmeenergie entnimmt. Bei einer optionalen Grundwassereinspeisung kann diese entweder direkt erfolgen, oder, wie im Ausführungsbeispiel gezeigt, über einen Grundwasserkreislauf 20, welcher über einen Wärmetauscher 21 mit dem Primärrohrleitungskreislauf 2 verbunden ist. Ebenfalls optional kann, wie dargestellt, auch eine Solaranlage 22 über einen weiteren Kreislauf mit einem Wärmetauscher 23 an den Primärrohrleitungskreislauf 2 gekoppelt sein.

In einem fluidbefüllten Primärrohrleitungskreislauf 2 befindet sich entweder Wasser oder eine Wasser/Sole Mischung als Transportfluid, welches die entnommene Wärmeenergie mittels einer Pumpe 17 wahlweise zu einer Wärmepumpe 3 oder zu einem Wärmetauscher 10 transportiert. Je nachdem ob ein Heiz- oder ein Kühlbetrieb durchgeführt werden soll, wird über die Steuerventile 11 entweder die Wärmepumpe 3 oder der Wärmetauscher 10 beschickt.

Die Wärmepumpe 3, welche im Heizfall aktiv ist, umfasst einen Kühlmittelkreislauf 14, welcher mittels einer Kompressorpumpe 18, Schrauben- Scroll- oder einer anderen zum Komprimieren des Kältemittels geeigneter Maschine betrieben wird. Das Kühlmittel, welches im Anschluss an eine Drossel 19 durch einen Verdampfer geführt wird, entnimmt an einem entsprechenden Wärmetauscher 15 die Wärmeenergie aus dem Primärrohrleitungskreislauf 2 und überträgt sie nach Kompression an einem Kondensatorwärmetauscher 16 an einen fluidbefüllten Sekundärrohrleitungskreislauf 4.

Der Sekundärohrleitungskreislauf 4, welcher üblicherweise mit Wasser befüllt ist, verteilt die Wärmeenergie mittels einer Pumpe 17 auf die einzelnen Heiz- und/oder Kühlelemente 5, welche im Ausführungsbeispiel als aktivierte Bauteile, wie Böden,

Decken oder Wandelemente ausgebildet sind. Sofern Überschusswärme vorhanden ist, beispielsweise wenn kein Heizbedarf besteht, aber die Erzeugung der Wärme gerade günstig ist, dann wird die Wärmeenergie an eine Speicherplatte 9 übertragen.

Bei der Speicherplatte 9 handelt es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um eine Betonplatte, welche von einer Wärmedämmung 8 umgeben ist, und die zwischen der Bodenplatte 7 und der Sauberkeitsschicht 6 angeordnet ist. Es versteht sich für den Durchschnittsfachmann, dass anstatt einer Betonplatte auch jedes andere zur Wärmespeicherung befähigte Material, beispielsweise ein Paraffinspeicher oder dergleichen, eingesetzt werden kann. Wenn die Wärme aus der Speicherplatte bei Bedarf abgerufen wird, dann wird diese in den Rücklauf des Sekundärrohrleitungskreislaufs 4 eingespeist und mit den jeweiligen Rückläufen der Heiz-und/oder Kühlelemente gemischt. Beim Kondensatorwärmetauscher 16 an der Wärmepumpe 3 wird die Temperatur gemessen und sofern notwendig, wird noch Wärme durch die Wärmepumpe 3 zugeführt.

Im Sommer bei Kühlbetrieb, kann der Primärrohrleitungskreislauf 2 anstatt über die Wärmepumpe 3, über einen Wärmetauscher 10 geführt werden, welcher direkt mit dem Sekundärrohrleitungskreislauf 4 verbunden ist und das darin enthaltene Fluid kühlt. Die Kälte kann dann ebenfalls über die Heiz- und/oder Kühlele- mente 5 verteilt werden und/oder in der Speicherplatte 9 zwischengespeichert werden.

Die Regelung der Anlage ist so eingerichtet, dass im Heizfall bei zu hohen Rücklauftemperaturen die Überschusswärme aus Heiz-und/oder Kühlelementen 5 in der Speicherplatte 9 gebunkert wird und von dort bei Bedarf über einen längeren Zeitraum wieder abrufbar ist. Aber auch die Heiz- und/oder Kühlelemente 5 selbst, sofern sie als aktivierte Bauteile ausgebildet sind, haben einen lang anhaltenden Speichereffekt und können bei plötzlichem Lastwechsel (Tag/Nachtwechsel) genügend lange Wärme und/oder Kälte abgeben. Dieser Speichereffekt wird noch verbessert, wenn die fluidführenden Rohrleitungen mittig in den jeweiligen Heiz- und/oder Kühlelementen verlegt sind. Die Regelung ermöglicht aber auch einen problemlosen, effizienten und auch raschen Wechsel von Heiz- auf Kühlbetrieb und umgekehrt.

Claims (8)

1. Patentansprüche :

   1. Heiz- und/oder Kühlanlage für ein Gebäude, umfassend einen Erdwärmetauscher (1) mit einer daran über einen fluid-befüllten Primärrohrleitungskreislauf (2) angeschlossenen Wärmepumpe (3), wobei mittels der Wärmepumpe (3) vom Erdwärmetauscher (1) entnommene Wärmeenergie über zumindest einen fluidbefüllten Sekundärrohrleitungskreislauf (4) an entsprechende Heiz- und/oder Kühlelemente (5) im Gebäude übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Erdwärmetauscher (1) in der Sauberkeitsschicht (6) unter der Bodenplatte (7) des Gebäudes eingebettet ist, und dass zwischen der Bodenplatte (7) und der Sauberkeitsschicht (6) eine zu beiden Seiten hin mittels Wärmedämmung (8) gedämmte thermisch aktivierte Speicherplatte (9) angeordnet ist, die mit dem Sekundärrohrleitungskreislauf (4) verbunden ist und der Zwischenspeicherung der Wärmeenergie dient.
2. 2. Heiz- und/oder Kühlanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heiz- und/oder Kühlelemente (5) thermisch aktivierte Bauteile, bevorzugt Decken-, Boden-und/oder Wandelemente sind.
3. 3. Heiz- und/oder Kühlanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die fluidbefüllten Rohrleitungen innerhalb der als thermisch aktivierten Bauteile ausgebildeten Heiz-und/oder Kühlelemente (5) mittig entlang der Mittelebene des jeweiligen Bauteils verlaufend angeordnet sind, wodurch die Speicherkapazität der Heiz- und/oder Kühlelemente (5) verbessert ist.
4. 4. Heiz- und/oder Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Primär- (2) und Sekundärrohrleitungskreislauf (4) parallel zur Wärmepumpe (3) ein weiterer Wärmetauscher (10) angeordnet ist, welcher mittels Steuerventilen (11) alternativ zur Wärmepumpe (3) betreibbar ist und zur Kühlung des Gebäudes einsetzbar ist.
5. 5. Heiz- und/oder Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid im Sekundärrohrleitungskreislauf (4) Wasser ist, und dass das Fluid im Primärrohrleitungskreislauf (2) Wasser oder Sole ist.
6. 6. Heiz- und/oder Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Wärmepumpe (3) notwendige elektrische Energie mittels einer Photovoltaikanlage und/oder einer Windkraftanlage bereitgestellt ist und/oder die Wärmepumpe (3) mit dem Stromnetz verbunden ist.
7. 7. Heiz- und/oder Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Erdwärmetauscher (1) eine Anordnung zur Einspeisung von Grundwasser (13) vorgesehen ist, wobei die Anordnung entweder die Einspeisung von Grundwasser (13) direkt in den Primärrohrleitungskreislauf (2) erlaubt oder über einen Plattenwärmetauscher mit dem Primärrohrleitungskreislauf (2) verbunden ist.
8. 8. Heiz- und/oder Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Sauberkeitsschicht (6) weitere Betonzylinder im Erdreich (12) angeordnet sind, in welche sich die Rohrleitungen des Erdwärmetauschers (1) erstrecken, wodurch die wirksame Oberfläche des Erdwärmetauschers (1) vergrößert ist.