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PATENTANSPRÜCHE
1. Anlage zur Bereitstellung von Heizwärme in einem Gebäude. enthaltend eine Wärmepumpe. mindestens eine Wärmequelle beider mindestens ein Teil der Wärme dem Erdreich entstammte und mindestens einen Wärmespeicher, dadurch gekennzeichnet, dass als Langzeit-Wärmespeicher (2) eine wannenartige. im Erdreich verlegte Wasserkammervorgesehen ist, deren Wände und Boden wasserdicht und wärmeleitend ausgebildet sind.
während ihrWasservolumen nach oben wärmehemmend abgedeckt ist, und dass im Bodenbereich der Wasserkammer ein Wärmeübertrager (8) angeordnet ist, in dem Verdampferrohre (18) der Wärmepumpe (6), ein Wärmetransportmedium führende Leitungsstränge (21) und flächenhafte Wärme übergangslamellen wärmeleitend miteinander verbunden sind, wobei dem Speicher (2) durch die Leitungsstränge (21) aus mindestens einer Wärmequelle (3, 4) Wärme zu- und durch die Verdampferrohre (18) aus ihm abgeführt wird.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Kurzzeit-Wärmespeicher (1) vorhanden ist, der im oberen Bereich seiner vertikalen Ausdehnung mit einer Wärmeisolation (12) versehen ist, während er mit seinem Unterteil (13) wärmeleitend im Erdreich (7) versenkt ist, und dass dieser mit einem Speichermedium gefüllte Speicher (2) den Kondensator (14) der Wärmepumpenanlage (6) und einen, von dem Wärmetransportmedium durchströmten Wärmetauscher (15) enthält, wobei der Kondensator (14) innerhalb des Speichers (1) auf höherem Niveau angeordnet ist, während der Wärmetauscher (15) im mit dem Erdreich (7) wärmeleitend verbundenen unteren Teil (13) liegt.
3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Speicher 2) derart geometrisch ausgestaltet und räumlich zueinander im Erdreich (7) angeordnet sind, dass aus dem Kurzzeitspeicher (1) in das Erdreich (7) abfliessende Wärme weitgehend in den Wärmeeinzugsbereich des Langzeitspeichers (2) einfliesst.
1. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der im Erdreich (7) verlegte Unterteil (13) des I(urzzeitspeichers (1) derart ausgestaltet ist, dass die Wärme aus ihm in einer Vorzugsrichtung abfliesst.
5. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungssystem flir das Wärmetransportmedium in mindestens zwei parallel zueinander angeordnete Kreisläufe mit Wärmequellen (3. je unterschiedlichen Temperaturniveaus unterteilt ist, wobei Wärme höherer Temperatur vorwiegend dem I(urzzeitspeicher (1) und Wärme niedrigerer Temperatur dem Langzeitspeicher (') zugeführt wird.
6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Sonnenkollektoren (3) als Wärmequellen dienen.
7. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmequelle niedriger Temperatur eine Abwärmequelle (4), z. B. Abwasser, ist.
8. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mischventil (5) dem Langzeitspeicher (2) nachgeschaltet ist, in welches zwei. im Wärmetauscher (15) des Kurzzeitspeichers (1) beginnende Leitungszweige (32. 29) münden, wobei der eine (32 dieser beiden Leitungszweige die Leitungsstränge (21) des Langzeitspeichers (2) enthält. während der andere eine den Langzeitspeicher (2) kurzschliessende Umgebungsleitung (29) ist.
9. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterteil (13) des Kurzzeitspeichers (1) als Wärmequelle niedriger Temperatur dient.
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Bereitstellung von Heizwärme gemäss Oberbegriff von Anspruch 1.
Anlagen zur Bereitstellung von Heizwärme, bei denen die benötigte Energie mindestens teilweise einer Niedrigtemperatur Wärmequelle entnommen und mit Hilfe einer Wärmepumpe auf ein ausreichendes Temperaturniveau transformiert wird, ehe sie zur Gebäudeheizung und/oder Brauchwasseraufbereitung verwendet wird. sind bekannt. Als Niedrigtemperatur-Wärmequellen werden dabei beispielsweise Luftkühler. Sonnenkollektoren, Abwasser- und andere Abwärmequellejn verwendet.
Besonders für Anlagen kleinerer Leistung - beispielsweise für Ein- oder Zweifamilienhäuser - ist es weiterhin bekannt, einen Teil der der Wärmepumpe zugeführten Energie, z. B. durch eine Verlegung des Verdampfers der Wärmepumpe direkt im Boden, dem Erdreich zu entnehmen. Das Erdreich eignet sich dabei besonders als Langzeitwärmespeicher, da in einer gewissen Tiefe seine Temperaturschwankungen gegenüber denjenigen an der Oberfläche etwa eine Phasenverzögerung von Y Jahr haben, so dass während der Heizperiode besonders viel Wärme entzogen werden kann.
Die Verwendung des Erdbodens als Wärmequelle für eine Wärmepumpenanlage hat jedoch eine Reihe von Nachteilen: 1. Es besteht ein grosser Bedarf an unbebautem Boden, in den das wärmeaufnehmende Rohrsystem verlegt werden kann, 2.
Die Kosten für die Erschliessung dieser Wärmequelle sind hoch.
3. Schwierigkeiten entstehen, wenn Reparaturen und Änderungen vorgenommen werden müssen. 4. Der Wärmeentzug aus dem Erdboden führt zur Eisbildung in der Umgebung des wärmeaufnehmenden Rohrsystems. Die oberhalb dieses Bodenstückes wachsende Vegetation wird durch die Eisbildung beeinträchtigt: Bäume mit ihren tiefen Wurzeln können nicht mehr wachsen. Die übrigen Pflanzen erleiden Reifeverzögerungen. Es besteht die Gefahr der Vernässung des Bodens.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anlage mit einem Langzeit-Wärmespeicher zu schaffen, bei der unter anderem der Erdboden als Langzeit-Wärmespeicher ausgenutzt wird, ohne dass die geschilderten Nachteile in Kauf genommen werden müssen. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäss mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen.
Vorausgesetzt wird, dass die nähere Umgebung des Speichers nicht in fliessendes Grundwasser reicht, da durch dieses die gespeicherte Wärme weggeführt wird.
Obwohl die als Langzeit-Wärmespeicher dienende Wasserkammer im Erdreich versenkt ist, dient als primäres Speichermedium Wasser; dieses kann bei starkem Wärmeentzug teilweise zu Eis erstarren, ohne dass dadurch eine Eisbildung im umgebenden Erdreich erfolgt. Die bei der Eisbildung auftretende Isolationswirkung des Eises an den Wärmeübergangsflächen wird mit Hilfe einer neuartigen Konstruktion des Wärmeübertragers im Langzeitspeicher überwunden; denn dessen Konstruktion ermöglicht die Bildung des Eis/Wasser-Gemisches im Speicher, ohne dass der Wärmedurchgang durch seine Wärmeübergangsflächen wesentlich beeinträchtigt wird.
Die Wärmekapazität des Langzeit-Speichers, der bei überschüssigem Wärmeanfall vorwiegend während des Sommers geladen und während der Heizperiode mittels der Wärmepumpe entladen wird, ist sehr gross. Wegen seines niedrigen Temperaturniveaus fallen Isolationsprobleme dahin. Er wird beispielsweise einerseits vorzugsweise mit Abwärme. die beispielsweise aus warmem Abwasser rückgewonnen wird, und/oder andererseits mit Wärme aus Sonnenkollektoren geladen.
Weiterhin ermöglichen die wärmedurchlässigen Wände der Wasserkammer eine Wärmeaufnahme des Speichers - in dem beim Vorliegen eines Eis/Wasser-Gemisches bekanntlich eine Temperatur von etwa 0 C herrscht- aus dem umgebenden Erdreich oder eine Wärmeabgabe wenn die Temperatur des Speichers - während des Sommers - über die Umgebungstemperatur steigt. wobei dann die Überschusswärme im Erdreich zusätzlich gespeichert wird.
Neben diesem Langzeit- oder Kaltspeicher, der eine grosse
Wärmekapazität hat und als Saisonspeicher dient, kann ein zweiter kleiner Wärmespeicher vorhanden sein, der als Kurzzeit-, Tages- oder warmer Speicher bezeichnet wird; dieser Kurzzeitspeicher ist im oberen Bereich seiner vertikalen Ausdehnung mit einer Wärmeisolation versehen, während er mit seinem Unterteil wärmeleitend im Erdreich versenkt ist. Er hat unter anderem die Aufgabe, ausserhalb der Heizperiode, d. h. wenn die Wärmepumpe nicht in Betrieb steht, die Brauchwasseraufbereitung sicherzustellen, wobei er während dieser Zeit beispielsweise durch Sonnenenergie beheizt wird, die mit unter Umständen relativ hohem Temperaturniveau über einen Wärmetauscher in ihn eingespeist wird. Seine Wärmekapazität ist relativ klein, reicht jedoch aus, den Wärmebedarf für einen kalten Wintertag zu decken.
Weiterhin ist sie gross genug, um im Sommer wenige aufeinander folgende Schlechtwettertage überbrücken zu können, ohne dass Zusatzenergie zur Warinwasseraufbereitung herangezogen werden muss. Während der Heizperiode wird der warme Speicher vorwiegend aus dem Langzeitspeicher durch die Wärmepumpe geladen. Diese wird vorwiegend nachts mit Niedertarifstrom betrieben.
Durch seine wärmeleitende Begrenzung zum umgebenden Erdreich hindurch kann ein Wärmezufluss aus der Umgebung und ein Wärmeabfluss, insbesondere zum Langzeitspeicher hin, erfolgen, wofür es zweckmässig ist, wenn die aus dem Kurzzeitspeicher in das Erdreich abfliessende Wärme weitgehend in den Wärmeeinzugsbereich des Langzeitspeichers einfliesst, und wenn darüber hinaus der im Erdreich verlegte Unterteil des Kurzzeitspeichers derart ausgestaltet ist, dass die Wärme aus ihm in einer Vorzugsrichtung abfliesst. Die vorzugsweise als eine Niedrigtemperatur-Wärmequelle verwendeten Sonnenkollektoren können konventionelle, flüssigkeitsgekühlte Flachkollektoren sein.
Bei ihrer Auswahl wird das Gewicht mehr auf einen guten optischen Wirkungsgrad (d. h. ein hohes Absorptions Transmissions-Produkt) gelegt als auf einen möglichst verlustarmen Betrieb bei höheren Temperaturen. Es können daher
Kollektoren mit Einscheibenabdeckung und mit nicht- oder schwachselektivem Absorber verwendet werden, da sie während des Winterhalbj ahres nur dazu eingesetzt werden, Niedertempe raturwärme zu gewinnen; solche Kollektoren sind preisgünstiger als hocheffiziente.
Für eine optimale Nutzung der Niedrigtemperaturwärme ist neben den Speichern ein geeignetes Wärmetransportsystem, das den Wärmetransport zwischen den Wärmequellen und den Speichern gewährleistet, notwendig. Es hat die Aufgabe, die Wärme aus den Wärmequellen, also z. B. die in den Kollektoren absorbierte Sonnenenergie und die aus dem Abwasser rückgewonnene Wärme, den Speichern zuzuführen; dabei ist es zweck mässig, wenn das Leitungssystem für das Wärmetransportmedium in mindestens zwei parallel zueinander angeordnete Kreis läufe mit Wärmequellen unterschiedlichen Temperaturniveaus unterteilt ist, wobei Wärme höherer Temperatur vorwiegend dem Kurzzeitspeicher und Wärme niedrigerer Temperatur dem Langzeitspeicher zugeführt wird.
Als Wärmetransportmittel dient beispielsweise Wasser, dem
Frostschutzmittel und Korrosions-Inhibitoren zugemischt sind.
Während die Speicherung der Sonnenwärme am Tag geschieht, lässt sich mit Vorteil die Wärmerückgewinnung aus dem Abwasser während der Nacht durchführen. Das anfallende warme Abwasser wird zu diesem Zweck zuvor in einem Tank gesammelt, aus dem es nach dem nächtlichen Wärmeentzug der
Kanalisation zugeleitet wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungs beispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Anlage nach der Erfindung;
Fig. 2 und 3 geben je einen, jahreszeitlich unterschiedlichen, Strömungskreislauffür das Wärmetransportmittel wieder, wodurch eine sinnvolle Betriebsweise der Anlage während des Sommers bzw. während des Winters erreicht wird.
Die Heizung und/oder Brauchwasseraufbereitung für ein nicht dargestelltes Gebäude erfolgt mit Hilfe eines Wärmeträgerme- diums, das die Wärme in einem warmen oder Kurzzeitspeicher 1 (Fig. 1) empfängt und über ein nicht weiter dargestelltes Zirkulationssystem dem Gebäude zuführt bzw. zu dem Speicher 1 rückführt.
Dieser Speicher 1, der sich in einer unterirdischen Heizkammer 11 befindet, ist teilweise ins Erdreich 7 eingeschlossen und auf einem Teil seiner Oberfläche mit Isolationsmaterial 12 abgedeckt. Dieses reicht in verschiedenen Bereichen des Speichermantels unterschiedlich tief in das Erdreich 7 hinein, so dass ein Teilbereich 13 des Speichers mit dem Erdreich 7 in wärmeleitender Verbindung steht.
Der Speicher 1, der mit dem Wärmeträgermedium-vorzugsweise Wasser - mindestens annähernd gefüllt ist, hat mit Vorteil eine relativ zu seiner Grundfläche hohe Bauhöhe, so dass sich in ihm eine Temperaturschichtung des Heizmittels ausbilden kann.
In sein Heizmittelvolumen eingetaucht sind ein Kondensator 14 einer Wärmepumpenanlage 6 und ein Wärmetauscher 15, der zum Strömungskreislauf des Wärmetransportmediums gehört.
Der Kondensator 14 der Wärmepumpenanlage 6 ist dabei im Speicher 1 auf einem Höhenniveau angeordnet, das etwa V der Gesamthöhe beträgt, und zwar in einem Höhenbereich, in dem der Speicher 1 noch auf seinem ganzen Umfang durch die Isolation 12 gegen die Umgebung wärmeisoliert ist. Der Wärmetauscher 15 liegt dagegen nahe des Bodens des Speichers 1 in einem Bereich, in dem mindestens auf Teilen des Speicherumfangs eine wärmeleitende Verbindung zum umgebenden Erdreich 7 besteht.
Vorteilhafterweise können die wärmeleitenden Bereiche 13 des Speichers 1 so ausgebildet sein, dass für den Wärmefluss in das Erdreich 7 eine Vorzugsrichtung vorhanden ist, die in erster Linie zum zweiten, dem Langzeit- oder Kaltspeicher 2, hin verläuft. Die Wärmepumpenanlage 6 wird vervollständigt durch einen Verdichter 16, den ein Motor 17 antreibt, durch Verdampferrohre 18, die im Kaltspeicher 2 angeordnet sind, und durch ein Entspannungsorgan 19.
Der Kaltspeicher 2 besteht aus einer Wasserkammer, die völlig im Erdreich 7 versenkt ist; ihr Boden und ihre Seitenwände sind zwar wasserdicht, aber wärmedurchlässig ausgebildet, während ihr Wasservolumen nach oben durch eine Isolationsschicht 20 wärmehemmend abgedeckt ist. Zwischen der Isolation 20 und der Decke des Kaltspeichers 2 liegt ein niedriger Luftraum.
Dieser ermöglicht eine Ausdehnung des Wasserraumes, die sich bei der Eisbildung ergibt. Die Isolation gegen oben dient einerseits zum Schutz des abdeckenden Gartenbodens, andererseits gestattet sie, den kalten Speicher 2 auf eine höhere Temperatur aufzuladen, ohne dass übermässige Verluste auftreten.
Im Bodenbereich des Kaltspeichers 2 ist ein Wärmeübertrager 8 vorhanden, der aus einer Anzahl gleichartiger Elemente besteht. In jedem dieser Elemente ist mindestens ein Verdampferrohr 18 der Wärmepumpe 6 und ein Leitungsstrang 21 für das Wärmetransportmittel mit einer Wärmeübergangsfläche wärmeleitend verbunden; alle Elemente sind bezüglich der sie durchströmenden Medien parallel zueinander an nicht gezeigte Vertei ler und Sammler für diese Medien angeschlossen.
Die neuartige Konstruktion des Wärmeübertragers 8 ermög: lichtes, in jeder seiner Einheiten beim Wärmeentzug an der Wärmeübertragungsfläche zunächst eine Eisschicht von einer maximal zulässigen Dicke zu bilden und nach Erreichen der Dicke durch Wärmezufuhr mit Hilfe des Wärmetransportmediums von innen her, d. h. über die Wärmeübergangsfläche selbst, durch Abtauen von den Einheiten zu lösen und durch den Auftrieb aus dem Bereich der Einheiten weg zu transportieren, ehe eine neue Eisschicht gebildet wird.
Das abgetaute Eis sammelt sich dann in dem Wasservolumen des Kaltspeichers 2, das sich oberhalb des Wärmeübertragers 8 befindet; es ist daher vorteilhaft, die Wasserhöhe im Kaltspeicher 2 und die Höhe der Wärnleübergangsflächen der Wärmeübertragereinheiten so aufeinander abzustimmen, dass auch bei hohem Wärmeentzug ein Aufschwimmen des abgetauten Eises aus dem Höhenbereich des Wärmeübertragers 8 möglich ist.
Man betreibt die Anlage mit Vorteil daher intermittierend, und zwar so, dass beim Entladen des Kaltspeichers 2 der Wärmeentzug mit Hilfe des verdampfenden Wärmepumpen mediums bis zur Eisbildung an den Wärmeübergangsflächen durchgeführt wird, und dass durch Wärmezufuhr mit Hilfe des Wärmetransportmediums das an diesen Flächen haftende Eis gelöst wird, wobei es dank den Auftriebskräften den Bereich des Wärme übertragers verlässt, bevor eine zweite Entladeperiode durchgeführt wird. Dabei ist es energiewirtschaftlich besonders günstig, wenn möglich Entlade- und Ladeperiode im Nacht/Tag-Rhythmus aufeinander folgen zu lassen, indem man das Entladen des Speichers mit Hilfe der - vorzugsweise elektromechanischen Wärmepumpe 6 während der Nacht durchführt, während das Lösen des Eises mit Hilfe der Sonnenkollektoren 3 während des Tages erfolgt.
Reichen jedoch die zur Verfügung stehenden Niedrigtemperatur-Wärmequellen nicht aus, ein vollständiges Abtauen und Aufschwimmen des Eises vor einer nachfolgenden Entladeperiode zu erreichen, kann das Abtauen auch durch von einem primären Energieträger - z. B. Ö1, Kohle oder Gas - gelieferte Wärme zu Ende geführt werden, ehe - beispielsweise bei einer im Tag/Nacht-Betrieb arbeitenden Anlage - am Abend eine neue Entladeperiode beginnt.
DasWärmetransportmedium, das, wie erwähnt, die Aufgabe hat, die in den benutzten Wärmequellen anfallende Wärme den Speichern 1 und/oder 2 zuzuführen, zirkuliert in einem Kreislaufsystem, in dem je nach Jahres- und/oder Tageszeit unterschiedliche Wege durchflossen werden. Auf eine Umwälzpumpe 22, durch die der Strom des Wärmetransportmediums aufrechterhalten wird, folgt in Strömungsrichtung ein erstes Dreiweg Umschaltorgan 23, mit dem im Tag/Nacht-Betrieb unterschiedliche Niedrigtemperatur-Wärmequellen - entweder Sonnenkollektoren 3 oder ein Abwassertank 4-nutzbar gemacht werden können. Im Tageskreislauf gelangt das Wärmetransportmedium aus dem Sonnenkollektor 3 kommend zu einem zweiten Dreiweg-Umschaltorgan 24, das eine jahreszeitliche Umschaltung bewirkt.
Von diesem Umschaltorgan 24 besteht während des Winters bzw. der Heizperiode eine Verbindung 25 von den Sonnenkollektoren 3 direkt zu den im Kaltspeicher 2 liegenden Leitungssträngen 21, während in Zeiten, in denen eine Heizung unter Verwendung der im Speicher 2 gespeicherten Wärme nicht erforderlich ist und deshalb auch die Wärmepumpe 6 nicht in Betrieb steht, im Kollektor 3 ein relativ hoch aufgeheiztes Wärmetransportmedium über eine Leitung 26 zum Wärmetauscher 15 im Kurzzeitspeicher 1 strömt.
Das Austrittsende des Wärmetauschers 15 ist mit einem Kno- ten- und Verzweigungspunkt 27 verbunden, in den auch der Nachtkreislauf mündet, der vom Umschaltorgan 23 über einen Abwassertank 4 zu Punkt 27 führt.
Weiterhin ist zwischen dem Eintrittsende des Tanks 4 und demjenigen des Wärmetauschers 15 eine mit einem Absperrorgan 30 absperrbare Verbindungsleitung 31 vorgesehen.
Das vom Wärmetauscher 15 und/oder vom Tank 4 zugeführte Wärmetransportmedium kann entweder über eine Verbindung 28 ebenfalls den Leitungssträngen 21 im Speicher 2 zufliessen oder in einer Bypassleitung 29 direkt einem Mischventil 5 zuströmen; die Leitungsstränge 21 sind über eine Verbindung 32 ebenfalls mit dem Mischventil 5 verbunden, von dem aus das Kreislaufsystem für das Wärmetransportmedium durch eine Verbindung zur Pumpe 22 in sich geschlossen wird.
Im folgenden seien vorteilhafte Betriebsweisen der beschriebenen Anlage erläutert. Dabei wird primär zwischen einem Sommerbetrieb und einem Winterbetrieb unterschieden, wobei innerhalb dieserjahreszeitlichen Betriebsweisen sich ein kurzperiodischerTagbetrieb mit einem Nachtbetrieb abwechselt.
Während des Sommers, d. h. wenn von der Anlage nicht derart grosse Wärmemengen abverlangt werden, dass ein Wärmeentzug aus dem Speicher 2 notwendig ist, ist die Wärmepumpe 6 ausser Betrieb. Das Umschaltorgan 24 verbindet den Sonnenkollektor 3 während dieser Zeit über die Leitung 26 mit dem Wärmetauscher 15 im Speicher 1; das Absperrorgan 30 ist geschlossen und das Mischventil 5 in Funktion, d. h. das den Wärmetauscher 15 verlassende Wärmetransportmedium fliesst teilweise durch die Leitungsstränge 21 im Speicher 2 und teilweise durch die Bypassleitung 29. Das Flussbild des Wärmetransportmediums für diesen Sommerbetrieb ist in Fig. 2 dargestellt.
Während des Winterbetriebs, der sich vor allem durch das Inbetriebsetzen der Wärmepumpe 6 vom Sommerbetrieb unterscheidet, ist durch Umschalten des Organs 24 die Leitung 26 zum Wärmetauscher 15 stillgelegt und stattdessen der Kaltspeicher 2 direkt in den Kreislauf des Wärmetransportmittels durch die Sonnenkollektoren 3 einbezogen. Weiterhin ist bei dieser Betriebsart das Mischventil 5 einseitig so eingestellt, dass die Bypass-Strömung zu dem Leitungsstrang 21 durch die Leitung 29 unterbunden ist. Stattdessen ist das Absperrorgan 30 geöffnet, so dass der Wärmetauscher 15 für die Strömung des Wärmetransportmittels parallel zum Abwassertank 4 angeordnet ist, wobei vom Knotenpunkt 27 aus eine Strömungsverbindung über die Leitung 28 zu den Leitungssträngen 21 im Langzeitspeicher 2 besteht (Fig. 3).
Innerhalb beider, jahreszeitlich unterschiedlichen Betriebsarten ist jeweils zwischen dem Tagbetrieb, während dessen die Sonnenkollektoren 3 Energie an die Anlage liefern, und dem Nachtbetrieb zu unterscheiden. In den Fig. 2 und 3 sind der Tagbetrieb jeweils in ausgezogenen Linien, der Nachtbetrieb in gestrichelten Linien und die während des in der jeweiligen Darstellung gezeigten jahreszeitlich wechselnden Betriebs stilliegenden Teile punktiert dargestellt.
Bei stillgesetzter Wärmepumpe (Fig. 2) liefern die Sonnenkollektoren 3 die von ihnen aufgenommene Wärme direkt an den Wärmetauscher 15 des warmen Kurzzeitspeichers 1, aus dem zunächst der gesamte anfallende Wärmebedarf des zu versorgenden Gebäudes, beispielsweise für die Brauchwasseraufbereitung, gedeckt wird.
Nachdem das Wärmetransportmittel den Wärmetauscher 15 passiert hat, wird es aufgeteilt. Ein Teil fliesst dem kalten Speicher 2 zu, in dem es weiter abgekühlt wird, ehe es in das Mischventil 5 gelangt; der Rest strömt durch die Leitung 29 zum Ventil 5, in dem sich beide Ströme vereinigen. Das Mischventil 5 ist steuerbar. Es regelt die Eintrittstemperatur des Wärmetransportmittels in den Kollektor 3, die genügend tief gehalten wird, damit sich ein guter Kollektorwirkungsgrad einstellt. Die Verwendung des Mischventils 5 erlaubt es auch, bei Betriebsunterbruch am Abend oder bei Aufzug von Wolken die Kollektoren 3 mit kühlem Wärmetransportmittel zu füllen und somit die in den Kollektoren 3 noch befindliche Wärme dem Speichersystem zuzuführen.
Das noch relativ warme Transportmittel, das in den Kaltspeicher 2 gelangt, dient am Anfang einer Sommerbetriebsperiode dazu, das während der Heizperiode gebildete Eis zu schmelzen und später dann dazu, die Temperatur des Wassers zu erhöhen.
Steigt diese über die Temperatur des umgebenden Erdreichs 7, so gibt der Speicher 2 einen Teil seines Wärmeinhalts an dieses Erdreich 7 ab, das somit als sekundäres Wärmespeichermedium verwendet wird.
Im Sommer übersteigt im allgemeinen die absorbierte Sonnenenergie beträchtlich die Wärmemenge. die für die Warmwasseraufbereitung benötigt wird. Die Überschusswärme wird zu einem grossen Teil durch den oberhalb des Wärmetauschers 15 im Fuss des warmen Speichers 1 liegenden Teil des nicht isolierten Bereichs 13 in Richtung zu dem kalten Speicher 2 hin ins Erdreich 7 abgegeben. Die Wärmeabgabe nach unten ist relativ gering; denn das Wasser unterhalb des Wärmetauschers 15 wirktwärmeisolierend. Auf diese Weise wird dem Erdreich 7 in der Umgebung der Speicher 1 und 2 die Wärme wieder zugeführt, die ihm während der Heizperiode entzogen worden ist.
Die Wärmeabgabe des Kurzzeitspeichers 1, bevorzugt in Richtung zum Kaltspeicher 2, wird dabei durch die in diese Richtung - gegen über der restlichen Mantelfläche des Speichers 1-vorgesehene Vergrösserung des nicht isolierten Bereichs 13 betont.
Während der Nacht- gegebenenfalls auch bei fehlendem Sonnenschein - schaltet das Umschaltorgan 23 von dem die Sonnenkollektoren 3 enthaltenden, in ausgezogenen Linien dargestellten Tages kreislauf auf einen Nachtkreislauf um, in dem das Wärmetransportmittel von einer nicht sonnenscheinabhängigen Wärmequelle mit Energie versorgt wird, in diesem Fall vom Abwassertank 4. Zugeführt wird diese Energie dem Kaltspeicher 2, in welchem sie zum Schmelzen des Eises, zur Erhöhung der Wassertemperatur und/oder zur Erwärmung des Erdreichs 7 und damit zur Speicherung in ihm verwendet wird.
Selbstverständlich ist es auch möglich, während des sogenannten Sommerbetriebs für das Wärmetransportmittel die Wärmepumpe 6 laufen zu lassen und so, was insbesondere im Frühjahr angewendet wird. den warmen Speicher 1 durch Sonnenenergie und gleichzeitig mittels der Wärmepumpe 6 zu beheizen, wobei dem kalten Speicher 2 dann zumindest während des Tages keine Wärme zugeführt, sondern nur welche entnommen wird.
Während des Winterhalbjahres, dessen Anfang, wie angenommen werden soll, mit dem Beginn der Heizperiode zusammenfällt, wird die in den Kollektoren 3 absorbierte Sonnenenergie direkt in den kalten Speicher 2 eingespeist. Die Absorbertemperatur ist dabei durch die Temperatur des kalten Speichers 2 bestimmt. Im Winter ist diese Temperatur ziemlich tief (0-4 > C).
Da sie sich nur wenig von der Umgebungstemperatur unterscheidet, ergibt sich ein guter Kollektorwirkungsgrad. Daher kann auch bei wenig intensiver Sonneneinstrahlung (bei schwacher Bewölkung oder Hochnebel) Wärme aufgenommen werden.
Das Mischventil 5 verschliesst, wie bereits erwähnt, die Bypassleitung 29., so dass das Wärmetransportmittel nur durch die Leitungen 21 des kalten Speichers 2 strömt.
Die Wärmepumpe 6 entzieht dem kalten Speicher 2 die benötigte Wärme und lädt damit den Speicher 1. Am Anfang der Heizperiode ist das Wärmeangebot noch grösser als der Wärmebedarf und der kalte Speicher 2 wird trotz des Wärmeentzugs weiter geladen. Die Wärmeentnahme findet bei höherer Ver- dampfertemperatur der Wärmepumpe 6 statt (etwa 20 C).
Beginnt der Wärmebedarf zu überwiegen, so wird der Speicher 2 zunächst im Bereich der Wärmeübertragereinheiten abgekühlt.
Diese Abkühlung wird teilweise kompensiert durch einen Wärmezufluss aus dem Erdreich 7, jedoch kühlt sich der untere Teil des kalten Speichers 2 immer weiter ab, bis schliesslich die Temperatur auf 0" C abfällt. Unter Umständen nunmehr auftretende Konvektionsströmungen innerhalb der Wasserkammer gewährleisten nur noch eine unzureichende Wärmezufuhr zu den Wärmeübertragereinheiten 8, aus denen die Wärme ja über die Verdampferrohre 18 dem Speicher 2 entzogen wird. Daher wird bei weiterem Wärmeentzug Eis erzeugt. Der Wärmeentzug findet jetzt bei niedriger Verdampfertemperatur statt. Die Leistungsziffer der Wärmepumpe 6 hat sich infolgedessen gegen über der Anfangsphase verringert. Die Niedrigtemperaturwärme wird nun hauptsächlich durch die bei der Eisbildung frei werdende latente Wärme geliefert.
Das Eis sondert sich in der beschriebenen Weise von den Wärmeübertragereinheiten 8 ab und schmilzt anfangs in der oberen Region des kalten Speichers, wobei es die dort verbliebene sensible Wärme entlädt. Die Temperatur des gesamten kalten Speichers 2 sinkt auf etwa 0 C ab. Bei weiterer Eisbildung im nullgrädigen Speicher entsteht in der geschilderten Weise das Eis/Wasser-Gemisch; dem Erdreich 7 hinter den Speicherwandungen wird Wärme entzogen, da ein Temperaturgefälle zum Eis/Wasser-Gemisch entsteht. Die Wärmerückgewinnung aus dem Erdreich 7 wird jedoch im Laufe der Heizperiode immer geringer.
Das Schema für den Winterbetrieb (Fig. 3) zeigt weiterhin vor dem Abwassertank 4 die Abzweigleitung, die den Wärmetauscher 15 im warmen Speicher 1 in den Nachtkreislauf einbezieht.
Mit dieser Leitung 31, die durch Öffnen des Absperrorgans 30 freigegeben wird, wird dem Fuss des warmen Speichers 1 durch den Wärmetauscher 15 Wärme entzogen und dem kalten Speicher 1 zugeführt. Durch die Kühlung des Fusses wird dem Erdreich 7, das den warmen Speicher 1 umgibt, ebenfalls Wärme entzogen. Somit wird ein Teil der dort im Sommer ins Erdreich 7 abgegebenen Wärme als Niedrigtemperaturwärme wieder zurückgewonnen.
Der Nachtbetrieb entspricht im Winter im wesentlichen demjenigen während des Sommers, abgesehen von der zusätzlichen Aufheizung des Kaltspeichers 2 aus dem Bodenbereich des Kurzzeitspeichers 1 mit Hilfe des Wärmetauschers 15.
Für die Beeinflussung der Strömungswege des Wärmetransportmittels sind geeignete Steuerungen und Regelungen vorhanden. Diese sind in bekannter Weise ausgeführt, wie sie in bestehenden oder geplanten Anlagen bereits vorhanden sind.
Auf sie soll daher nicht weiter eingegangen werden.
Die Eigenschaft der Speicher 1 und 2, gegen das umgebende Erdreich 7 hin offen zu sein, bedeutet, dass die Speicherkapazität eine gewisse Flexibilität aufweist. Wenn im Jahresmittel dem Speichersystem mehr Wärme zugeführt als für die Heizzwecke wieder entnommen wird, so findet eine Wärmeabgabe an die Umwelt statt. Im umgekehrten Fall sorgt die Umwelt für eine Zufuhr von Wärme in den kalten Speicher 2. Die Flexibilität wirkt sich nützlich aus, da sie Schwankungen des jährlichen Wärmebedarfs ausgleicht.
Wegen der relativ geringen Wärmeleitfähigkeit des Erdbodens 7 ist der ausgleichende Wärmeaustausch zwischen den Speichern 1 und 2 und Umgebung beschränkt. Somit ist auch die Flexibilität der Speicherkapazität begrenzt. Deshalb ist es zweckmässig, dass bei der Dimensionierung der Anlage auf eine ausgeglichene Jahresbilanz des Wärmeumsatzes geachtet wird. Die überschüssige Wärmemenge, die im Sommer dem Speichersystem zugeführt wird, soll möglichst gleich gross sein, wie die Wärmemenge, die während der Heizperiode aus dem kalten Speicher 2 entnommen wird. Als Bezugsjahr für die ausgeglichene Wärmebilanz wählt man ein Jahr mit überdurchschnittlich hohem Wärmebedarf und kleinem Angebot an zu speichernder Energie. Somit besteht in den meisten Jahren ein mittlerer Wärmefluss, der von den Speichern 1 und 2 gegen die Umwelt hin gerichtet ist.
Dieser Wärmefluss bedeutet einen Wärmeverlust des Speichersystems, hat aber gleichzeitiog den Vorteil, dass der Erdboden um das zu versorgende Gebäude herum eine etwas höhere Temperatur als normal annimmt. Somit fällt der Wärmeverlust des Gebäudes an den Erdboden 7 geringer aus.
Zweckmässigerweise ist weiterhin folgendes zu beachten:
Die beiden Speicher 1 und 2 sollen so dimensioniert werden, dass sie im Sommer des Bezugsjahres nach Möglichkeit nur soviel Wärme an das Erdreich 7 abgeben werden, wie während der Heizperiode durch das Speichersystem wieder aus ihm zurückgewonnen werden kann. Die Wärmeabgabe an das Erdreich 7 erfolgt mit einer grossen Wärmeflussdichte durch die kleine Teilfläche 13 im Fuss des warmen Speichers 1. Zusätzlich gibt es eine Wärmeabgabe geringer Wärmeflussdichte durch die relativ grosse, nicht isolierte Teilfläche des Kaltspeichers 2, sobald nach dem Schmelzen des Eises die Temperatur im Kaltspeicher 2 anwächst.
Bei der Wärmerückgewinnung ist die Wärmeflussdichte sowohl durch grosse Flächen des kalten Speichers 2 als auch durch die nicht isolierten Teilbereiche 13 des warmen Speichers 1-wegen des geringen Temperaturgefälles - klein.
Das Ausmass der nicht isolierten Flächen bestimmt, wieviel Wärme aus dem Erdreich aufgenommen werden kann. Daher ist der Teilbereich 13 des warmen Speichers 1 so zu dimensionieren, dass im Sommer des Bezugsjahres eine genügende Wärmemenge an das Erdreich 7 abgegeben wird.
Selbstverständlich ist die Betriebsführung der Anlage ebensowenig auf die geschilderten Arten beschränkt, wie die Ausführung der Anlage an die gezeigten Niedrigtemperatur-Wärmequellen gebunden ist. Insbesondere bei Vorhandensein anderer Wärmequellen kann sich die Betriebsführung der Anlage erheblich ändern. Wird z. B. der Sonnenkollektor 3 durch eine nicht an die Tageszeit gebundene Wärmequelle ersetzt, so kann der beschriebene Tag/Nacht-Rhythmus durch einen anderen Rhythmus oder eine dauernde Wärmezufuhr zu den Speichern 1 und 2 abgelöst werden.
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PATENT CLAIMS
1. Plant for providing heating energy in a building. containing a heat pump. at least one heat source of both at least part of the heat originating from the ground and at least one heat store, characterized in that a trough-like as long-term heat store (2). Water chamber laid in the ground is provided, the walls and floor of which are watertight and heat-conducting.
while its water volume is covered to prevent heat, and that a heat exchanger (8) is arranged in the bottom area of the water chamber, in which the evaporator tubes (18) of the heat pump (6), a heat transfer medium-carrying lines (21) and areal heat transfer fins are connected to each other in a heat-conducting manner wherein the memory (2) is supplied with heat from the at least one heat source (3, 4) through the line strands (21) and is removed from it through the evaporator tubes (18).
2. Plant according to claim 1, characterized in that in addition a short-term heat store (1) is provided, which is provided in the upper region of its vertical extension with thermal insulation (12), while with its lower part (13) it is thermally conductive in the ground ( 7) is sunk, and that this store (2) filled with a storage medium contains the condenser (14) of the heat pump system (6) and a heat exchanger (15) through which the heat transport medium flows, the condenser (14) inside the store (1 ) is arranged at a higher level, while the heat exchanger (15) lies in the lower part (13) which is thermally conductively connected to the soil (7).
3. Plant according to claim 2, characterized in that the two stores 2) are geometrically designed and spatially arranged in relation to one another in the ground (7) that heat flowing out of the short-term store (1) into the ground (7) largely into the heat intake area of Long-term memory (2) flows.
1. Plant according to claim 3, characterized in that the lower part (13) of the I (short-term memory (1) laid in the ground (7) is designed in such a way that the heat flows out of it in a preferred direction.
5. System according to claim 2, characterized in that the line system for the heat transport medium is divided into at least two circuits arranged parallel to one another with heat sources (3. each different temperature levels, heat of higher temperature predominantly the I (short-term storage (1) and heat of lower temperature the long-term memory (') is supplied.
6. Plant according to claim 5, characterized in that solar panels (3) serve as heat sources.
7. Plant according to claim 5, characterized in that a heat source of low temperature is a waste heat source (4), for. B. wastewater.
8. Plant according to claim 5, characterized in that a mixing valve (5) is connected downstream of the long-term storage (2), in which two. Line branches (32, 29) beginning in the heat exchanger (15) of the short-term store (1) open, one (32 of these two line branches containing the line strands (21) of the long-term store (2), while the other contains a surrounding line short-circuiting the long-term store (2) (29) is.
9. Plant according to claim 5, characterized in that the lower part (13) of the short-term memory (1) serves as a low temperature heat source.
The invention relates to a system for providing heating energy according to the preamble of claim 1.
Plants for providing heating, in which the energy required is at least partially taken from a low-temperature heat source and transformed with the help of a heat pump to a sufficient temperature level before it is used for building heating and / or domestic water treatment. are known. Air coolers, for example, are used as low-temperature heat sources. Solar panels, wastewater and other waste heat sources are used.
Especially for systems with lower output - for example for one or two family houses - it is also known to use part of the energy supplied to the heat pump, e.g. B. by laying the evaporator of the heat pump directly in the ground, the ground. The soil is particularly suitable for long-term heat storage, since at a certain depth its temperature fluctuations have a phase delay of Y years compared to those on the surface, so that a lot of heat can be extracted during the heating period.
However, using the ground as a heat source for a heat pump system has a number of disadvantages: 1. There is a great need for undeveloped ground in which the heat-absorbing pipe system can be installed, 2.
The cost of developing this heat source is high.
3. Difficulties arise when repairs and changes need to be made. 4. The removal of heat from the ground leads to the formation of ice in the vicinity of the heat-absorbing pipe system. The vegetation growing above this piece of soil is affected by the formation of ice: trees with their deep roots can no longer grow. The remaining plants suffer from delays in ripening. There is a risk of the soil becoming wet.
The object of the invention is therefore to provide a system with a long-term heat store in which, among other things, the ground is used as a long-term heat store without the disadvantages described having to be accepted. This object is achieved according to the invention with the features mentioned in claim 1.
It is assumed that the immediate vicinity of the storage facility does not extend into flowing groundwater, since this stores the stored heat away.
Although the water chamber, which serves as a long-term heat store, is sunk in the ground, water serves as the primary storage medium; This can partially solidify into ice in the event of excessive heat extraction, without causing ice formation in the surrounding earth. The insulation effect of the ice on the heat transfer surfaces that occurs during ice formation is overcome with the help of a new design of the heat exchanger in the long-term storage; because its construction enables the formation of the ice / water mixture in the storage tank without the heat transfer being significantly impaired by its heat transfer surfaces.
The heat capacity of the long-term storage, which is mainly charged during the summer when there is excess heat and is discharged by the heat pump during the heating period, is very large. Because of its low temperature level, insulation problems are eliminated. For example, it is preferably with waste heat. which is recovered from warm waste water, for example, and / or loaded with heat from solar collectors.
Furthermore, the heat-permeable walls of the water chamber allow the storage tank to absorb heat - in which an ice / water mixture is known to have a temperature of around 0 C - from the surrounding soil, or to give off heat when the storage tank temperature - during the summer - is exceeded Ambient temperature rises. the excess heat is then additionally stored in the ground.
In addition to this long-term or cold storage, which is a large one
Has heat capacity and serves as a seasonal storage, there may be a second small heat storage, which is referred to as short-term, daily or warm storage; this short-term storage is provided with thermal insulation in the upper area of its vertical extension, while its lower part is sunk in the ground in a heat-conducting manner. It has the task, among other things, outside the heating period, i.e. H. if the heat pump is not in operation, ensure the hot water treatment, during which time it is heated, for example, by solar energy, which may be fed into it via a heat exchanger at a relatively high temperature level. Its heat capacity is relatively small, but it is enough to cover the heat requirement for a cold winter day.
Furthermore, it is large enough to be able to bridge a few consecutive bad weather days in summer without having to use additional energy to process the Warin water. During the heating period, the warm storage tank is mainly charged from the long-term storage tank by the heat pump. This is mainly operated at night with low tariff electricity.
Due to its heat-conducting boundary to the surrounding soil, heat can flow in and out, especially to the long-term storage, for which it is expedient if the heat flowing from the short-term storage into the soil largely flows into the heat intake area of the long-term storage, and if in addition, the lower part of the short-term storage buried in the ground is designed in such a way that the heat flows out of it in a preferred direction. The solar collectors preferably used as a low temperature heat source can be conventional liquid cooled flat plate collectors.
When choosing them, the emphasis is more on good optical efficiency (i.e. a high absorption transmission product) than on low-loss operation at higher temperatures. It can therefore
Collectors with a single-pane cover and with non- or weakly selective absorbers are used, since they are only used during the winter half-year to obtain low-temperature heat; such collectors are cheaper than highly efficient ones.
In addition to the storage tanks, a suitable heat transport system that guarantees the heat transfer between the heat sources and the storage tanks is necessary for optimal use of the low-temperature heat. It has the task of heat from the heat sources, so z. B. the solar energy absorbed in the collectors and the heat recovered from the wastewater to the storage; it is expedient if the line system for the heat transport medium is divided into at least two circuits arranged parallel to one another with heat sources of different temperature levels, heat of higher temperature being predominantly supplied to the short-term storage and heat of lower temperature to the long-term storage.
Water, for example, serves as the heat transport medium
Antifreeze and corrosion inhibitors are added.
While the sun's heat is stored during the day, it is advantageous to carry out heat recovery from the wastewater during the night. For this purpose, the warm wastewater is collected in a tank, from which it is extracted after the nightly heat removal
Sewerage is fed.
In the following the invention is explained in more detail using an exemplary embodiment in connection with the drawing.
Fig. 1 shows schematically a plant according to the invention;
2 and 3 each show a seasonally different flow circuit for the heat transport medium, whereby a sensible mode of operation of the system is achieved during the summer and during the winter.
The heating and / or process water treatment for a building (not shown) takes place with the aid of a heat transfer medium which receives the heat in a warm or short-term storage tank 1 (FIG. 1) and feeds it to the building or to the storage tank 1 via a circulation system (not shown) returns.
This store 1, which is located in an underground heating chamber 11, is partially enclosed in the ground 7 and covered with insulation material 12 on part of its surface. This extends into the soil 7 at different depths in different areas of the storage jacket, so that a partial area 13 of the storage device is in heat-conducting connection with the soil 7.
The store 1, which is at least approximately filled with the heat transfer medium, preferably water, advantageously has a high overall height relative to its base area, so that a temperature stratification of the heating medium can form in it.
A condenser 14 of a heat pump system 6 and a heat exchanger 15, which belongs to the flow circuit of the heat transport medium, are immersed in its heating medium volume.
The condenser 14 of the heat pump system 6 is arranged in the store 1 at a height which is approximately V of the total height, in a height range in which the store 1 is still thermally insulated from the surroundings by the insulation 12. The heat exchanger 15, on the other hand, is located near the bottom of the store 1 in an area in which there is a heat-conducting connection to the surrounding soil 7 at least in parts of the storage scope.
Advantageously, the heat-conducting areas 13 of the store 1 can be designed in such a way that there is a preferred direction for the heat flow into the soil 7, which primarily runs to the second, the long-term or cold store 2. The heat pump system 6 is completed by a compressor 16, which is driven by a motor 17, by evaporator tubes 18, which are arranged in the cold store 2, and by an expansion element 19.
The cold store 2 consists of a water chamber which is completely sunk in the ground 7; its bottom and its side walls are watertight, but heat-permeable, while their water volume is covered at the top by an insulation layer 20 to prevent heat. A low air space lies between the insulation 20 and the ceiling of the cold store 2.
This enables the water space to expand, which results from ice formation. The insulation from above serves on the one hand to protect the covering garden floor, on the other hand it allows the cold store 2 to be charged to a higher temperature without excessive losses occurring.
In the bottom area of the cold store 2 there is a heat exchanger 8, which consists of a number of similar elements. In each of these elements, at least one evaporator tube 18 of the heat pump 6 and a line strand 21 for the heat transport medium are connected in a heat-conducting manner to a heat transfer surface; all elements are connected with respect to the media flowing through them in parallel to one another, not shown distributors and collectors for these media.
The novel design of the heat exchanger 8 enables: light to first form an ice layer of a maximum permissible thickness in the heat transfer surface in each of its units when the heat is removed and, after the thickness has been reached, by supplying heat from the inside with the aid of the heat transport medium, i. H. over the heat transfer surface itself, by defrosting the units and transporting them away from the area of the units by means of buoyancy, before a new layer of ice is formed.
The defrosted ice then collects in the water volume of the cold store 2, which is located above the heat exchanger 8; It is therefore advantageous to coordinate the water level in the cold store 2 and the level of the heat transfer surfaces of the heat exchanger units so that even with high heat withdrawal, the defrosted ice can float from the height range of the heat exchanger 8.
It is therefore advantageous to operate the system intermittently, in such a way that when the cold store 2 is unloaded, the heat is removed using the evaporating heat pump medium until ice forms on the heat transfer surfaces, and that the ice adhering to these surfaces is supplied by heat using the heat transport medium is resolved, thanks to the buoyancy forces, it leaves the area of the heat exchanger before a second discharge period is carried out. It is particularly economical from an energy point of view, if possible, to let the discharge and charge periods follow one another in the night / day rhythm, by unloading the storage with the help of the - preferably electromechanical heat pump 6 during the night, while loosening the ice with the help the solar panels 3 takes place during the day.
However, if the available low-temperature heat sources are not sufficient to completely defrost and float the ice before a subsequent discharge period, the defrosting can also be carried out by a primary energy source - e.g. B. Ö1, coal or gas - supplied heat to be completed before - for example in a system operating in day / night operation - a new discharge period begins in the evening.
The heat transport medium, which, as mentioned, has the task of supplying the heat generated in the heat sources used to the stores 1 and / or 2 circulates in a circulatory system in which different paths are flowed through depending on the time of year and / or day. A circulation pump 22, by means of which the flow of the heat transport medium is maintained, is followed in the flow direction by a first three-way switching element 23, with which different low-temperature heat sources - either solar collectors 3 or a waste water tank 4 - can be used in day / night operation. In the daily cycle, the heat transport medium coming from the solar collector 3 arrives at a second three-way switching element 24, which effects a seasonal switching.
From this switching element 24 there is a connection 25 from the solar collectors 3 directly to the line strands 21 located in the cold store 2 during the winter or the heating period, during times when heating using the heat stored in the store 2 is not necessary and therefore also the heat pump 6 is not in operation, a relatively highly heated heat transport medium flows in the collector 3 via a line 26 to the heat exchanger 15 in the temporary storage device 1.
The outlet end of the heat exchanger 15 is connected to a node and branching point 27, into which the night circuit also opens, which leads from the switching element 23 to a point 27 via a waste water tank 4.
Furthermore, between the inlet end of the tank 4 and that of the heat exchanger 15, a connecting line 31 can be shut off with a shut-off device 30.
The heat transport medium supplied from the heat exchanger 15 and / or from the tank 4 can either flow to the line strands 21 in the reservoir 2 via a connection 28 or flow directly to a mixing valve 5 in a bypass line 29; the line strands 21 are also connected via a connection 32 to the mixing valve 5, from which the circulation system for the heat transport medium is closed in itself by a connection to the pump 22.
Advantageous modes of operation of the system described are explained below. A primary distinction is made between summer operation and winter operation, with a short period day operation alternating with night operation within these seasonal operating modes.
During the summer, i.e. H. if the system does not require such large amounts of heat that heat extraction from the store 2 is necessary, the heat pump 6 is out of operation. The switching element 24 connects the solar collector 3 during this time via the line 26 with the heat exchanger 15 in the memory 1; the shut-off device 30 is closed and the mixing valve 5 in operation, d. H. the heat transport medium leaving the heat exchanger 15 flows partly through the line strands 21 in the store 2 and partly through the bypass line 29. The flow diagram of the heat transport medium for this summer operation is shown in FIG. 2.
During winter operation, which differs from summer operation primarily due to the start-up of the heat pump 6, the line 26 to the heat exchanger 15 is shut down by switching over the element 24 and instead the cold store 2 is directly included in the circuit of the heat transport medium through the solar collectors 3. Furthermore, in this operating mode, the mixing valve 5 is set on one side in such a way that the bypass flow to the line branch 21 is prevented by the line 29. Instead, the shut-off device 30 is opened, so that the heat exchanger 15 for the flow of the heat transport medium is arranged parallel to the waste water tank 4, a flow connection from the node 27 via the line 28 to the line strands 21 in the long-term store 2 (FIG. 3).
A distinction must be made between the daytime operation, during which the solar collectors 3 supply energy to the system, and the nighttime operation in both operating modes, which differ according to the season. 2 and 3, the daytime operation is shown in solid lines, the nighttime operation in dashed lines and the parts which are stationary during the seasonally changing operation shown in the respective illustration.
When the heat pump is shut down (FIG. 2), the solar collectors 3 deliver the heat they have absorbed directly to the heat exchanger 15 of the warm short-term storage tank 1, from which the entire heat requirement of the building to be supplied, for example for domestic water treatment, is initially covered.
After the heat transfer medium has passed the heat exchanger 15, it is divided. A part flows into the cold store 2, in which it is further cooled before it reaches the mixing valve 5; the rest flows through line 29 to valve 5, in which both flows combine. The mixing valve 5 is controllable. It regulates the inlet temperature of the heat transport medium into the collector 3, which is kept sufficiently low to ensure good collector efficiency. The use of the mixing valve 5 also makes it possible to fill the collectors 3 with cool heat transport medium in the event of an interruption in operation in the evening or when clouds are moving, and thus to supply the heat still present in the collectors 3 to the storage system.
The still relatively warm means of transport, which arrives in the cold store 2, serves at the beginning of a summer operating period to melt the ice formed during the heating period and then later to raise the temperature of the water.
If this rises above the temperature of the surrounding soil 7, the store 2 emits part of its heat content to this soil 7, which is thus used as a secondary heat storage medium.
In summer, the solar energy absorbed generally exceeds the amount of heat considerably. which is required for hot water preparation. The excess heat is largely released through the part of the non-insulated area 13 located above the heat exchanger 15 in the foot of the warm store 1 in the direction of the cold store 2 into the soil 7. The downward heat emission is relatively low; because the water below the heat exchanger 15 is heat insulating. In this way, the ground 7 in the vicinity of the storage 1 and 2 is fed back the heat that was removed from it during the heating period.
The heat emission of the short-term storage device 1, preferably in the direction of the cold storage device 2, is emphasized by the enlargement of the non-insulated area 13, which is provided in this direction compared to the remaining lateral surface of the storage device 1.
During the night - if necessary also in the absence of sunshine - the switching element 23 switches from the day circuit containing the solar collectors 3, shown in solid lines, to a night circuit in which the heat transport medium is supplied with energy from a heat source which is not dependent on the sunshine, in this case from Waste water tank 4. This energy is supplied to the cold store 2, in which it is used to melt the ice, to increase the water temperature and / or to heat the soil 7 and thus for storage in it.
Of course, it is also possible to run the heat pump 6 during the so-called summer operation for the heat transport medium and so on, which is used in particular in the spring. to heat the warm store 1 by solar energy and at the same time by means of the heat pump 6, the cold store 2 then being supplied with no heat, at least during the day, but only being removed.
During the winter half-year, the beginning of which, as will be assumed, coincides with the beginning of the heating period, the solar energy absorbed in the collectors 3 is fed directly into the cold store 2. The absorber temperature is determined by the temperature of the cold store 2. In winter this temperature is quite low (0-4> C).
Since it differs only slightly from the ambient temperature, the collector efficiency is good. Therefore, heat can be absorbed even when the sun is not very intense (with weak cloud cover or high fog).
As already mentioned, the mixing valve 5 closes the bypass line 29, so that the heat transport medium only flows through the lines 21 of the cold store 2.
The heat pump 6 extracts the required heat from the cold store 2 and thus loads the store 1. At the beginning of the heating season, the heat supply is even greater than the heat requirement and the cold store 2 is still charged despite the heat being withdrawn. The heat is removed at a higher evaporator temperature from the heat pump 6 (about 20 C).
If the heat requirement begins to predominate, the store 2 is first cooled in the area of the heat exchanger units.
This cooling is partially compensated for by an inflow of heat from the soil 7, but the lower part of the cold store 2 continues to cool down until the temperature finally drops to 0 ° C. Convection currents which may now occur within the water chamber only guarantee an insufficient level Heat is supplied to the heat exchanger units 8, from which the heat is extracted from the store 2 via the evaporator tubes 18. Therefore, if the heat is removed further, ice is generated. The heat is now removed at a low evaporator temperature. The performance figure of the heat pump 6 has consequently been higher than in the initial phase The low temperature heat is now mainly supplied by the latent heat released during ice formation.
The ice separates from the heat exchanger units 8 in the manner described and initially melts in the upper region of the cold store, thereby discharging the sensitive heat remaining there. The temperature of the entire cold store 2 drops to approximately 0 ° C. With further ice formation in the zero-degree memory, the ice / water mixture is formed in the manner described; Heat is extracted from the soil 7 behind the storage walls, since a temperature gradient to the ice / water mixture arises. The heat recovery from the soil 7, however, becomes less and less in the course of the heating period.
The diagram for winter operation (FIG. 3) also shows the branch line in front of the waste water tank 4, which includes the heat exchanger 15 in the warm store 1 in the night cycle.
With this line 31, which is released by opening the shut-off member 30, heat is removed from the base of the warm store 1 by the heat exchanger 15 and supplied to the cold store 1. By cooling the foot, heat is also withdrawn from the soil 7 that surrounds the warm store 1. Thus, part of the heat given off there in summer 7 is recovered as low-temperature heat.
The night mode in winter essentially corresponds to that during the summer, apart from the additional heating of the cold store 2 from the bottom area of the short-term store 1 with the help of the heat exchanger 15.
Suitable controls are available for influencing the flow paths of the heat transport medium. These are carried out in a known manner, as they already exist in existing or planned plants.
Therefore, they will not be discussed further.
The property of the stores 1 and 2 to be open to the surrounding soil 7 means that the storage capacity has a certain flexibility. If more heat is added to the storage system on average than is removed again for heating purposes, heat is released to the environment. In the opposite case, the environment supplies heat to the cold store 2. The flexibility has a useful effect because it compensates for fluctuations in the annual heat demand.
Because of the relatively low thermal conductivity of the ground 7, the balancing heat exchange between the stores 1 and 2 and the environment is limited. This also limits the flexibility of the storage capacity. It is therefore advisable to ensure that the system is dimensioned with a balanced annual balance of heat turnover. The excess amount of heat that is supplied to the storage system in summer should be as large as possible as the amount of heat that is removed from the cold storage 2 during the heating period. The reference year for the balanced heat balance is a year with an above-average heat requirement and a small supply of energy to be stored. Thus, in most years there is an average heat flow that is directed towards the environment from stores 1 and 2.
This heat flow means heat loss from the storage system, but at the same time it has the advantage that the ground around the building to be supplied has a slightly higher temperature than normal. The heat loss from the building to the ground 7 is thus lower.
It is also advisable to note the following:
The two storage tanks 1 and 2 are to be dimensioned such that, in the summer of the reference year, they only emit as much heat to the soil 7 as can be recovered from the storage system during the heating season. The heat is given off to the ground 7 with a high heat flux density through the small partial area 13 in the foot of the warm store 1. In addition, there is a heat emission of low heat flow density through the relatively large, non-insulated partial area of the cold store 2 as soon as the temperature has melted after the ice grows in cold storage 2.
In the case of heat recovery, the heat flux density is small, both because of the large areas of the cold store 2 and because of the non-insulated partial areas 13 of the warm store 1 owing to the low temperature gradient.
The size of the non-insulated areas determines how much heat can be absorbed from the ground. Therefore, the partial area 13 of the warm store 1 is to be dimensioned such that a sufficient amount of heat is given off to the ground 7 in the summer of the reference year.
Of course, the operational management of the plant is just as little restricted to the types described as the execution of the plant is tied to the low-temperature heat sources shown. The operational management of the system can change significantly, especially when other heat sources are present. Is z. B. the solar collector 3 replaced by a heat source not tied to the time of day, the described day / night rhythm can be replaced by a different rhythm or a constant supply of heat to the stores 1 and 2.