CH693114A5

CH693114A5 - Heat pump compact device for controlled ventilation and heat energy supply of buildings

Info

Publication number: CH693114A5
Application number: CH02133/98A
Authority: CH
Inventors: Andreas Buehring
Original assignee: Fraunhofer Ges Forschung
Priority date: 1997-12-11
Filing date: 1998-10-22
Publication date: 2003-02-28
Also published as: AT411930B; ATA175498A

Abstract

The heat pump compact device (16) for ventilation and heat energy supply of buildings (15) has a heat exchanger (5), a heat pump (6) connected after the heat exchanger, an outside air flow as well as a building air flow into the heat exchanger. An exhaust as well as an admission air flow exit out of the heat exchanger and enter the heat pump, from which in turn a building admission air flow and exhaust air flow emerge. t least one primary energy heat source (7) is provided which heats up the building exhaust air flow before entry into the heat exchanger.

Description

Technisches Gebiet Technical field

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpen-Kompaktvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpen-Kompaktvorrichtung zur geregelten Lüftung und Wärmeenergieversorgung von Niedrig-Energie-Gebäuden oder Passivhäusern, in die ein Aussenluft- und ein Gebäudeabluftstrom einströmt und vermittels Wärmerückgewinnung aus dem zugeführten Gebäudeabluftstrom die eingeströmte Aussenluft erwärmt und als ausströmende Gebäudezuluft dem Gebäude zu geführt wird, mit mindestens einem Wärmetauscher, der der Gebäudeabluft Wärmeenergie entzieht und an die Gebäudezuluft abgibt und mindestens einer dem Wärmetauscher nachgeschalteten Wärmepumpe, die durch weitere Entwärmung der den Wärmetauscher durchströmten Gebäudeabluft eine zusätzliche Erwärmung der Gebäudezuluft bewirkt oder einer Brauchwassererwärmung oder beidem dient. The invention relates to a heat pump compact device and a method for operating a heat pump compact device for controlled ventilation and heat energy supply of low-energy buildings or passive houses, into which an outside air and a building exhaust air flow flows and which flows in by means of heat recovery from the supplied building exhaust air flow Outside air is heated and supplied to the building as outflowing building supply air, with at least one heat exchanger that extracts heat energy from the building exhaust air and releases it to the building supply air and at least one heat pump connected downstream of the heat exchanger, which causes additional heating of the building supply air by further heat dissipation of the building exhaust air flowing through the heat exchanger or hot water heating or both.

Stand der Technik State of the art

Vorrichtungen der vorstehend beschriebenen Gattung dienen einer geregelten Lüftung mit Wärmerückgewinnung, der Brauchwassererwärmung und der Heizung von Niedrig-Energie-Gebäuden oder Passivhäusern. Devices of the type described above are used for controlled ventilation with heat recovery, domestic water heating and heating of low-energy buildings or passive houses.

In Deutschland wird ein Drittel der Primärenergie für die Bereitstellung von Raumwärme und Warmwasser in den privaten Haushalten eingesetzt. Die Ressourcen der überwiegend eingesetzten fossilen Energieträger sind begrenzt. Die Aufnahmefähigkeit der Atmosphäre für das bei Verbrennungsprozessen frei werdende CO2 zeigt Grenzen. Die Bundesregierung hat das Ziel der Senkung des CO2-Ausstosses um ein Viertel bis zum Jahre 2005 gesetzt. Zur Umsetzung dieses Vorhabens ist es von grosser Bedeutung, die nachgewiesenermassen hohen Einsparpotenziale im Wohnbereich zu erschliessen. In Germany, a third of primary energy is used for the provision of space heating and hot water in private households. The resources of the predominantly used fossil fuels are limited. The absorption capacity of the atmosphere for the CO2 released during combustion processes shows limits. The federal government has set the goal of reducing CO2 emissions by a quarter by 2005. To implement this project, it is of great importance to tap the proven high savings potential in the living area.

Der Heizenergiebedarf liegt im Wohnungsbestand bei Werten von 250 bis 300 kWh/(m<2>a). Dieser Wert soll zum Ende des Jahrzehnts im Rahmen der Energiesparverordnung auf 40 bis 70 kWh/(m<2>a) gesenkt werden. Darüber hinaus gehende Massnahmen zur Senkung des Heizenergiebedarfs lassen sich meist nicht mehr aus den eingesparten Energiebezugskosten refinanzieren. Hierfür ist eine Einsparung im Bereich der Investitionskosten notwendig. The heating energy requirement in the housing stock is between 250 and 300 kWh / (m <2> a). This value is to be reduced to 40 to 70 kWh / (m <2> a) by the end of the decade as part of the energy saving regulation. Measures beyond this to reduce heating energy requirements can usually no longer be refinanced from the energy procurement costs saved. This requires savings in the area of investment costs.

Mit dem Konzept der Passivhäuser wird dieser Weg eingeschlagen. Sie zeichnen sich durch eine sehr gute Dämmung und hohe passive Solargewinne aus. Sie haben stets eine kontrollierte Lüftung mit Wärmerückgewinnung. Der Heizenergiebedarf wird bis zu dem Punkt gesenkt, an dem deutliche Vereinfachungen in der Haustechnik der Gebäude möglich werden. Diese Gebäude stellen stark veränderte Anforde rungen an das System zur Restwärmebereitstellung. Die benötigten Jahresenergiemengen sind ebenso wie die Heizleistung für den Auslegungsfall gering. Gute Wärmedämmung des Gebäudes führt zu einem trägen thermischen Verhalten, Der Leistungsbedarf für die Brauchwassererwärmung und ein eventuelles Aufheizen des Gebäudes nach einer Abkühlphase bestimmen das Heizsystem. Bei einem Jahrerestheizwärmebedarf unter 15 kWh/m<2> und einer maximalen Heizlast von 10 W/m<2> kann auf ein konventionelles Heizsystem verzichtet werden. Solarsysteme mit Pufferspeichern bieten gute Möglichkeiten zur Kopplung leistungsschwacher Wärmequellen mit höheren Bereitstellungsleistungen. This path is taken with the concept of passive houses. They are characterized by very good insulation and high passive solar gains. You always have controlled ventilation with heat recovery. The heating energy requirement is reduced to the point where significant simplifications in the building services engineering are possible. These buildings make drastically different demands on the system for providing residual heat. The amount of annual energy required, as well as the heating output for the design case, is low. Good thermal insulation of the building leads to sluggish thermal behavior. The power requirement for domestic water heating and the possible heating of the building after a cooling phase determine the heating system. A conventional heating system can be dispensed with if the residual heat for the year is below 15 kWh / m <2> and a maximum heating load of 10 W / m <2>. Solar systems with buffer stores offer good options for coupling low-performance heat sources with higher provision rates.

Durch die Entwicklung hierauf abgestimmter, kostengünstiger Systeme können Investitionskosten aus dem Bereich der Haustechnik in die Verbesserung der Gebäudehülle verlagert werden. Dadurch werden die investiven Mehrkosten des verbesserten Baustandards zum Teil ausgeglichen. Damit ergibt sich ein kostengünstiges Gesamtkonzept bei hoher Primärenergieeinsparung. Through the development of cost-effective systems that are tailored to this, investment costs can be shifted from the field of home technology to the improvement of the building envelope. This partially offsets the additional investment costs of the improved building standard. This results in a cost-effective overall concept with high primary energy savings.

Im Rahmen von Forschungsprojekten wurde gezeigt, dass unter mitteleuropäischen Rahmenbedingungen mit vorhandener Technik Gebäude gebaut werden können, die einen Restheizwärmebedarf von 10 bis 20 kWh/(m<2>a) haben. Auf Grund dieses, gegenüber mit konventioneller Bauweise errichteten Gebäuden, deutlich reduzierten Energiebedarfs von Passivhäusern oder Niedrig-Energie-Gebäuden werden erfolgreich Lüftungs- und Heizsysteme eingesetzt, die die in der Gebäudeabluft gespeicherte Wärmeenergie durch Wärmerückgewinnung nutzen, um bspw. die Gebäudezuluft zu heizen, das Brauchwasser zu erwärmen und darüber hinaus durch Verwendung und Integration von Solaranlagen in den Wärmekreislauf des Gebäudes und/oder durch zusätzliche Nutzung von Erdwärme weitere natürliche Wärmequellen zur Wärmeversorgung nutzbar machen. Research projects have shown that under Central European framework conditions, existing technology can be used to build buildings that have a residual heating requirement of 10 to 20 kWh / (m <2> a). Due to this, compared to buildings constructed with conventional construction, significantly reduced energy requirements of passive houses or low-energy buildings, ventilation and heating systems are successfully used, which use the heat energy stored in the building exhaust air by heat recovery, for example to heat the building supply air To heat domestic water and also to use other natural heat sources for heat supply by using and integrating solar systems into the heat cycle of the building and / or by additionally using geothermal energy.

Mit diesen Massnahmen kann ein konventionelles Heizsystem, das im Wesentlichen auf der Basis von Primär- und Sekundärenergie arbeitet, weit gehend überflüssig gemacht werden. These measures can largely make a conventional heating system that essentially works on the basis of primary and secondary energy superfluous.

Massgeblich für die Auslegung derartiger Lüftungs- und Heizsysteme für Gebäude ist der Leistungsbedarf, der für die Brauchwassererwärmung sowie für die Gebäudeheizung nach einer Abkühlphase erforderlich ist. Decisive for the design of such ventilation and heating systems for buildings is the power requirement, which is required for domestic water heating and for building heating after a cooling phase.

Die heute bekannten Lüftungs- und Heizsysteme für Passivhäuser bestehen aus einem Kompaktgerät, das der Lüftung des Gebäudes, der Brauchwassererwärmung sowie der Gebäudeheizung dient. Dem Kompaktgerät ist in der Regel ein Erdreichwärmetauscher vorgeschaltet. Überdies weisen Lüftungs- und Heizsysteme einen Brauchwasserwärmespeicher und vorzugsweise eine thermische Solaranlage auf, wodurch die Energieeffizienz der Systeme weiter gesteigert werden kann. The currently known ventilation and heating systems for passive houses consist of a compact device that is used to ventilate the building, hot water and building heating. A soil heat exchanger is usually connected upstream of the compact device. In addition, ventilation and heating systems have a domestic hot water storage and preferably a thermal solar system, which can further increase the energy efficiency of the systems.

Dem, aus einem Plattenwärmetauscher sowie einer Wärmepumpe bestehenden Kompaktgerät wird zum einen die Gebäudeabluft sowie frische Aussenluft, die vorzugsweise über einen Erdwärmetauscher geleitet wird, zugeführt. Der Erdwärmetauscher dient der Vorwärmung der Frischluft in der Heizperiode und glättet darüber hinaus extreme Kältespitzen. Der Plattenwärmetauscher, der eine hohe Rückwärmezahl aufweisen sollte, überträgt einen Teil der Wärmeenergie der Gebäudeabluft auf die zugeführte Frischluft. Die dem Plattenwärmetauscher nachgeschaltete Wärmepumpe nutzt die in der, den Wärmetauscher verlassene Gebäudeabluft noch enthaltene sensible sowie einen grossen Teil der latenten Restwärmeenergie durch Entwärmung dieser Abluft bis hin zur Vereisungsgrenze des Verdampfers, um die den Wärmetauscher bereits durchströmte frische Zuluft und gegebenenfalls Brauchwasser innerhalb des Brauchwasserwärmespeichers weiter zu erwärmen. Vorzugsweise weist die Wärmepumpe zwei Kondensatoren auf, von denen der erste der Gebäudezulufterwärmung und der zweite der Brauchwassererwärmung dient. The compact unit, consisting of a plate heat exchanger and a heat pump, is supplied with the building exhaust air and fresh outside air, which is preferably conducted via a geothermal heat exchanger. The geothermal heat exchanger is used to preheat the fresh air in the heating season and also smoothes extreme cold peaks. The plate heat exchanger, which should have a high heat recovery rate, transfers part of the heat energy from the building exhaust air to the fresh air supplied. The heat pump downstream of the plate heat exchanger uses the sensitive residual air contained in the building's exhaust air as well as a large part of the latent residual heat energy by heating this exhaust air up to the icing limit of the evaporator, around the fresh supply air that has already flowed through the heat exchanger and, if necessary, process water within the process water heat store to warm up. The heat pump preferably has two condensers, the first of which is used for heating the building air and the second for heating the domestic water.

Die auf diese Weise erwärmte frische Zuluft verlässt als Gebäudezuluft das Kompaktgerät und gelangt direkt in das Gebäude. The fresh supply air heated in this way leaves the compact device as building supply air and goes directly into the building.

Die thermische Solaranlage erwärmt das im Brauchwasserwärmespeicher enthaltene Brauchwasser und vermag im Sommer den Betrieb der Wärmepumpe vollständig zu ersetzen. Der Brauchwasserwärmespeicher dient dabei der Speicherung von Wär meenergie, die von der Wärmepumpe und zusätzlich von der Solaranlage geliefert wird und besitzt darüber hinaus einen Heizstab, mit dem eine elektrische Wärmeaufbereitung des Speichermediums möglich ist. Das beschriebene Lüftungs- und Heizsystem ermöglicht eine automatisch geregelte Lüftung der Gebäude typischerweise mit 0,4 bis 0,5 Luftwechseln pro Stunde. The thermal solar system heats the process water contained in the process water heat storage and can completely replace the operation of the heat pump in summer. The process water heat storage is used to store thermal energy that is supplied by the heat pump and also by the solar system and also has a heating element with which electrical heat treatment of the storage medium is possible. The described ventilation and heating system enables an automatically controlled ventilation of the building, typically with 0.4 to 0.5 air changes per hour.

Am Fraunhofer-lnstitut für Solare Energiesysteme ISE wurden mit dem Simulationsprogramm TRNSYS Untersuchungen zur Jahreswärmebilanz am Beispiel eines als Passivhaus ausgeführten Reihenmittelhauses unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Lüftungs- und Heizungssystems und unter Zugrundelegung eines bestimmten Nutzerverhaltens, das während der Heizperiode nach Möglichkeit keine oder nur seltene Lüftungen bei offenem Fenster vorsehen sollte, durchgeführt. Dabei gelten folgende Rahmenbedingungen. Das betrachtete Reihenmittelhaus weist eine Wohnfläche von 121 m<2> auf und wird von 4 Personen bewohnt. Die inneren Wärmequellen betragen 3,35 W/m<2>. Die Feuchteproduktion beträgt 120 g/(h Person). Die Lüftungsanlage ist auf einen Volumenstrom von 125 m<3>/h eingestellt. Die Infiltration verursacht einen Luftwechsel von 0,05 pro Stunde. At the Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, the simulation program TRNSYS was used to carry out investigations into the annual heat balance using the example of a row house in the form of a passive house using the ventilation and heating system described above and based on a certain user behavior, which, if possible, had no or only rare ventilation during the heating period should be provided with the window open. The following general conditions apply. The row house in question has a living space of 121 m 2 and is inhabited by 4 people. The internal heat sources are 3.35 W / m <2>. The moisture production is 120 g / (h person). The ventilation system is set to a volume flow of 125 m <3> / h. The infiltration causes an air change of 0.05 per hour.

Fig. 2 veranschaulicht in einer Diagrammdarstellung diesbezügliche Untersuchungsergebnisse. Entlang der Ordinate ist der Energiebedarf des betrachteten Hauses für Lüften, Warmwasserbereitung und für die Heizung inklusive aller Hilfsaggregate pro Woche in Einheiten kWh/w aufgetragen. Entlang der Abszisse ist die Monatsabfolge mit einer Diskretisierung von jeweils einer Woche aufgetragen. Fig. 2 illustrates in a diagram representation related test results. Along the ordinate, the energy requirement of the house under consideration for ventilation, water heating and for heating, including all auxiliary units, is plotted in units of kWh / w per week. The monthly sequence is plotted along the abscissa with a discretization of one week each.

Die im Diagramm eingetragenen, unterschiedlich markierten Säulen pro Woche entsprechen dem wochenweisen Energiebedarf und setzen sich jeweils zusammen aus den entsprechend gekennzeichneten Beiträgen des Solareintrags (S), der Wärmepumpe (W) und des Heizstabs (H). Die Kurve (G) beschreibt die Einhüllende der Gesamt-Wochenenergiewerte. Dadurch wird deutlich, dass der wochenweise Energiebedarf in den Sommermonaten (Juni bis August) ca. 50 kWh/w beträgt, wohingegen in den Wintermonaten (Dezember bis Februar) ein im Vergleich zu den Sommermonaten dreifacher Wert, nämlich ca. 150 kWh/w angenommen wird. Während in den Sommermonaten der Energiebedarf ausschliesslich aus dem Solareintrag (S) gedeckt werden kann, wird der Solarbeitrag in den Wintermonaten verschwindend gering. Die in der Winterszeit deutlich erhöhte Wärme wird zum überwiegenden Anteil durch die Wärmepumpe (W) gedeckt, der verbleibende Anteil durch den elektrischen Heizstab (H) im Brauchwasserspeicher. Das Integral der Kurve (G) über das ganze Jahr liefert den jährlichen Gesamtenergiebedarf für Rest-Heizung und Warmwasseraufbereitung und beträgt im untersuchten Fall 4,097 kWh/a. Das Integral über die Einzelenergiebeiträge S, W, H über das Jahr, liefert deren jeweiligen Beitrag zum jährlichen Gesamtenergiebedarf, diese liegen für den Solareintrag bei 1,494 kWh/a, für die Wärmepumpe bei 2,287 kWh/a und für den Heizstab bei 316 kWh/a. The differently marked columns in the diagram per week correspond to the weekly energy requirement and each consist of the correspondingly marked contributions of the solar entry (S), the heat pump (W) and the heating element (H). The curve (G) describes the envelope of the total weekly energy values. This makes it clear that the weekly energy requirement in the summer months (June to August) is approx. 50 kWh / w, whereas in the winter months (December to February) it is assumed to be three times the value in the summer months, namely approx. 150 kWh / w becomes. While in the summer months the energy requirement can only be met from the solar input (S), the solar contribution in the winter months is negligible. The significantly increased heat in winter is largely covered by the heat pump (W), the remaining part by the electric heating element (H) in the domestic hot water tank. The integral of the curve (G) throughout the year provides the total annual energy requirement for residual heating and hot water preparation and is 4.097 kWh / a in the case examined. The integral of the individual energy contributions S, W, H over the year provides their respective contribution to the total annual energy requirement, which is 1.494 kWh / a for the solar input, 2.287 kWh / a for the heat pump and 316 kWh / a for the heating element ,

Die Kurve (B) stellt den jährlichen Verlauf des Energiebedarfs für die Brauchwassererwärmung sowie die Energieverluste dar, die über das gesamte Jahr einen annähernd konstanten Energiebedarf von ca. 50 kwh/w ausmachen. Bildet man das Integral der Kurve (B) über das Jahr, so beträgt der jährliche Gesamtenergiebedarf für Warmwasseraufbereitung und Verluste 2,757 kWh/a. Aus der Differenz der jeweiligen Integrale von G und B über das Jahr ergibt sich der jährliche Gesamtenergieaufwand für die Rest-Heizung, der 1,340 kWh/a beträgt. The curve (B) shows the annual course of the energy requirement for domestic water heating and the energy losses, which make up an almost constant energy requirement of approx. 50 kwh / w throughout the year. If the integral of curve (B) is formed over the year, the total annual energy requirement for hot water preparation and losses is 2.757 kWh / a. The difference in the respective integrals of G and B over the year results in the total annual energy expenditure for the residual heating, which is 1.340 kWh / a.

Weitergehende Auswertungen zeigen überdies, dass der jährliche Gesamtenergiebedarf inkl. Speicherverlusten zu 67% von der Brauchwassererwärmung verursacht wird. Die Solaranlage trägt mit 36%, die Wärmepumpe mit 56% und der Heizstab im Brauchwasserwärmespeicher mit 8% zur Deckung des jährlichen Gesamtwärmebedarfs bei. Der Jahresstrombedarf für Lüftung, Brauchwassererwärmung und Heizung liegt bei ca. 1 kWh/m<2> und unter 10 kWh/m<2>. Dies entspricht mit dem Primärenergiefaktor für bundesdeutschen Netzmix für Haushaltskunden nach GEMIS 3,01 dem Einsatz von 29,7 kWhPE/(m<2>a). Dies liegt deutlich unter der Anforderung von maximal 60 kWhPE/(m<2>a) für Passivhäuser. Further evaluations also show that 67% of the annual total energy consumption including storage losses is caused by the heating of the domestic water. The solar system contributes 36%, the heat pump 56% and the heating element in the hot water storage tank with 8% to cover the annual total heat requirement. The annual electricity requirement for ventilation, hot water heating and heating is approx. 1 kWh / m <2> and less than 10 kWh / m <2>. With the primary energy factor for the German network mix for household customers in accordance with GEMIS 3.01, this corresponds to the use of 29.7 kWhPE / (m <2> a). This is well below the maximum requirement of 60 kWhPE / (m <2> a) for passive houses.

Weicht das Nutzverhalten jedoch von dem vorgesehenen ab, kann der Gesamtwärmebedarf zum Beheizen von Passivhäusern stark ansteigen. Besonders kritisch ist dies beim Lüftungsverhalten. Während der Heizperiode sollte in einem Passivhaus nach Möglichkeit nicht oder nur selten über die Fenster gelüftet werden, da die durch die Fenster weggelüftete Abwärme nicht zurückgewonnen werden kann und die Frischluft mit Aussentemperatur in die Wohnräume gerät und somit zu einem starken Ansteigen des Wärmebedarfs führt. However, if the usage behavior deviates from the intended one, the total heat requirement for heating passive houses can increase significantly. This is particularly critical when it comes to ventilation. During the heating period in a passive house, ventilation should be avoided if at all, or only rarely, because the waste heat that is vented through the windows cannot be recovered and the fresh air with outside temperature gets into the living space and thus leads to a sharp increase in the heat requirement.

Fig. 3 veranschaulicht die Simulationsergebnisse bei einem relativ starken zusätzlichen Luftwechsel von 0,6 h<-><1> durch die Fensterlüftung des vorstehend betrachteten Reihenmittelhauses. Die Grafik ist analog der in Fig. 2 aufgebaut und beschriftet. Deutlich erkennbar ist der durch das zusätzliche Lüften hervorgerufene Mehrenergiebedarf für Heizung H. Der Gesamtenergiebedarf für Heizung und Warmwasser beträgt nun 8,172 kWh/a, während der Energieaufwand für die Brauchwassererwärmung sich annähernd unverändert zu 2,699 kWh/a bestimmt. Der Beitrag der verschiedenen Energiequellen zu dem jährlichen Gesamtenergiebedarf beträgt für den Solareintrag 1,531 kWh/a, für die Wärmepumpe 4,527 kWh/a und für den Heizstab 2,115 kWh/a. Der Gesamt-Jahresstrombedarf liegt bei 29,7 kWh/m<2>. Fig. 3 illustrates the simulation results with a relatively strong additional air change of 0.6 h <-> <1> through the window ventilation of the row middle house considered above. The graphic is constructed and labeled analogously to that in FIG. 2. The additional energy requirement for heating H caused by the additional ventilation is clearly recognizable. The total energy requirement for heating and hot water is now 8.172 kWh / a, while the energy consumption for hot water heating is almost unchanged at 2.699 kWh / a. The contribution of the various energy sources to the annual total energy requirement is 1.531 kWh / a for the solar input, 4.527 kWh / a for the heat pump and 2.115 kWh / a for the heating element. The total annual electricity requirement is 29.7 kWh / m <2>.

Der zusätzlich erforderliche Heizbedarf kann nur zu einem geringen Teil von der Wärmepumpe abgedeckt werden. Fast die gesamte zusätzliche Wärmeanforderung muss direktelektrisch abgedeckt werden. Der Strombedarf wie auch der Primärenergieeinsatz verdreifacht sich dadurch und liegt mit fast 90 kWhPE/(m<2>a) deutlich über der Forderung für Passivhäuser. The heat pump can only cover a small part of the additional heating requirements. Almost the entire additional heat requirement has to be covered electrically. The electricity requirement as well as the primary energy use triples and with almost 90 kWhPE / (m <2> a) is significantly higher than the requirement for passive houses.

Darstellung der Erfindung Presentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass eine energetisch effizientere und kostengünstigere Deckung der erforderlichen Zusatzheizleistung möglich wird. Insbesondere soll das Heizsystem dem Nutzer eine direkte Möglichkeit bieten, die Auswirkungen unökonomischen Nutzerverhaltens unmittelbar zu erfahren. Ferner soll der Wirkungsgrad der Vorrichtung verbessert, der für die Zusatzheizleistung erforderliche Primärenergieeinsatz reduziert und eine unmittelbare Rückkoppelung zwischen Nutzerverhalten in Bezug auf Lüftung und Wärmeenergieverbrauch und den damit zusammenhängenden Kosten erreicht werden. The invention is based on the object of developing a device according to the preamble of claim 1 in such a way that more energy-efficient and cost-effective coverage of the required additional heating power is possible. In particular, the heating system should offer the user a direct opportunity to experience the effects of uneconomical user behavior directly. Furthermore, the efficiency of the device is to be improved, the use of primary energy required for the additional heating power is to be reduced and a direct feedback between user behavior with regard to ventilation and thermal energy consumption and the associated costs are to be achieved.

Die Lösung der der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe ist Gegenstand des Anspruchs 1. Gegenstand des Anspruchs 11 ist ein Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemässen Vorrichtung. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. The solution to the problem on which the invention is based is the subject of claim 1. The subject of claim 11 is a method for operating the device according to the invention. Advantageous further developments are the subject of the dependent claims.

Erfindungsgemäss ist eine Wärmepumpen-Kompaktvorrichtung zur geregelten Lüftung und Wärmeenergieversorgung von Gebäuden, vorzugsweise von Niedrig-Energie-Gebäuden und Passivhäusern, in die ein Aussenluft- und ein Gebäudeabluftstrom einströmt und vermittels Wärmerückgewinnung aus dem Gebäudeabluftstrom die eingeströmte Aussenluft erwärmt und als Gebäudezuluft dem Gebäude wieder zugeführt wird und/oder zur Erwärmung einer Brauchwasserspeichereinheit dient, mit mindestens einem Wärmetauscher, der dem Gebäudeabluftstrom Wärmeenergie entzieht und an den Gebäudezuluftstrom abgibt und mindestens einer dem Wärmetauscher nachgeschalteten Wärmepumpe, die durch weitere Entwärmung der den Wärmetauscher durchströmten Gebäudeabluft eine zusätzliche Erwärmung der Gebäudezuluft bewirkt oder der Brauchwassererwärmung oder beidem dient, derart ausgebildet, dass mindestens eine Primärenergie-Wärmequelle, vorzugsweise ein Gasbrenner vorgesehen ist, der derart thermisch mit der Wärmepumpen-Kompaktvorrichtung gekoppelt ist, dass die Wärmequelle indirekt, durch Vorschaltung im Gebäudeabluftstrom vor dem Wärmetauscher, direkt der Erwärmung der Gebäudezuluft und/oder der Brauchwassererwärmung dient. According to the invention, a heat pump compact device for regulated ventilation and thermal energy supply of buildings, preferably of low-energy buildings and passive houses, into which an outside air and a building exhaust air flow flows and which heats the outside air flowing in by means of heat recovery from the building exhaust air flow and is fed back to the building as building supply air is and / or is used to heat a domestic water storage unit, with at least one heat exchanger that extracts thermal energy from the building exhaust air flow and releases it to the building supply air flow and at least one heat pump connected downstream of the heat exchanger, which causes additional heating of the building supply air by further heat dissipation of the building exhaust air flowing through the heat exchanger Domestic hot water heating or both is used in such a way that at least one primary energy heat source, preferably a gas burner, is provided which is thermally mi t the heat pump compact device is coupled so that the heat source is used indirectly, by connecting the building exhaust air flow upstream of the heat exchanger, directly to heat the building supply air and / or to heat the domestic water.

Durch die Integration einer Primärenergie-Wärmequelle, vorzugsweise eines Flüssiggasbrenners, in die Wärmepumpen-Kompaktvorrichtung vorzugsweise derart, dass der Flüssiggasbrenner im Gebäudeabluftstrom dem Wärmetauscher vorgeschaltet ist, sind eine Reihe von Vorteilen verbunden: - Es steht eine leistungsstarke, kurzfristig verfügbare Wärmequelle zur Verfügung, die über den Plattenwärmetauscher einen grossen Teil der Brennstoffenergie an die Gebäudezuluft abgeben kann und durch die Erhöhung des Temperaturniveaus und des Feuchtegehalts das sensible und latente Wärmepotenzial der Wärmequelle der Wärmepumpe erhöht und so eine effektive Brennwertnutzung des Flüssiggases ermöglicht. - Durch diese Wärmequelle kann die Spitzenanforderung des Wärmebedarfs im Winter bei weit gehendem Ersatz des elektrischen Heizbedarfs gedeckt werden. Dies steigert die Energieeffizienz des Gesamtsystems. - Es vereinfachen sich die Sicherheitsanforderungen an den Brenner, da entstehendes Abgas nicht in die Wohnräume gelangen kann. - Die Wärmeenergie der Flüssiggasbrennerabgase kann auch für das Abtauen des Verdampfers der Wärmepumpe verwendet werden, wodurch der grosse energetische Aufwand für die Heissgasabtauung überflüssig wird. By integrating a primary energy heat source, preferably a liquid gas burner, into the heat pump compact device, preferably in such a way that the liquid gas burner is connected upstream of the heat exchanger in the building exhaust air flow, a number of advantages are associated: - A powerful, short-term available heat source is available, which can transfer a large part of the fuel energy to the building air through the plate heat exchanger and increases the sensitive and latent heat potential of the heat source of the heat pump by increasing the temperature level and the moisture content, thus effectively using the calorific value of the liquid gas. - This heat source can cover the peak demand for heat in winter while largely replacing the electrical heating requirement. This increases the energy efficiency of the overall system. - The safety requirements for the burner are simplified, since the resulting exhaust gas cannot get into the living rooms. - The thermal energy of the LPG burner exhaust gases can also be used for defrosting the evaporator of the heat pump, which means that the high energy expenditure for hot gas defrosting is superfluous.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung soll insbesondere mit handelsüblichen Flüssiggasflaschen zur Versorgung des Brenners betrieben werden, zumal bei dem projektierten Wärmeverbrauch eines Passivhauses zur Deckung der Spitzenlast der Wärmeenergie der Energieinhalt einer handelsüblichen 33- kg-Flasche Flüssiggas ausreicht. Damit wird eine unmittelbare Rückkoppelung zwischen dem Nutzverhalten in Bezug auf Lüftung und Wärmeenergieverbrauch und der Notwendigkeit der Bestellung einer neuen Flasche bzw. den damit verbundenen Kosten erreicht. The device according to the invention is to be operated, in particular, with commercially available liquid gas bottles for supplying the burner, especially since the energy content of a standard 33 kg bottle of liquid gas is sufficient to cover the peak load of thermal energy in the planned heat consumption of a passive house. This results in a direct feedback between the usage behavior with regard to ventilation and thermal energy consumption and the need to order a new bottle or the associated costs.

Es ist auch vorteilhaft, den Küchenherd an die Flüssiggasversorgung anzuschliessen, um so eine weitere Energiedienstleistung im Haushalt primärenergetisch effizient zu erbringen. It is also advantageous to connect the kitchen stove to the LPG supply, in order to provide a further energy service in the household efficiently with primary energy.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. The invention is described below by way of example without limitation of the general inventive concept using exemplary embodiments with reference to the drawings.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1 Prinzipdarstellung der erfindungsgemässen Integration eines Flüssiggasbrenners in das Wärmepumpen-Kompaktgerät, Fig. 2 Jahreswärmebilanz in Wochenwerten für ein als Reihenhaus ausgeführtes Passivhaus mit Kompaktgerät und Solaranlage bei vorteilhaftem Nutzerverhalten und Fig. 3 Jahreswärmebilanz in Wochenwerten für ein für ein als Reihenhaus ausgeführtes Passivhaus mit Kompaktgerät und Solaranlage bei zusätzlicher Fensterlüftung mit 0,6fachem Luftwechsel pro Stunde. 1 shows a schematic diagram of the inventive integration of a liquid gas burner into the compact heat pump device, Fig. 2 annual heat balance in weekly values for a passive house designed as a row house with compact device and solar system with advantageous user behavior and Fig. 3 annual heat balance in weekly values for a passive house designed as a row house with compact device and solar system with additional window ventilation with 0.6 times the air change per hour.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels Description of an embodiment

In Fig. 1 ist das erfindungsgemässe Prinzip der Integration einer Primärenergie-Wärmequelle in das Wärmepumpen-Kompaktgerät (16) am Beispiel eines Flüssiggasbrenners (7) dargestellt. 1 shows the principle according to the invention of integrating a primary energy heat source into the compact heat pump device (16) using the example of a liquid gas burner (7).

Das Wärmepumpen-Kompaktgerät mit Flüssiggasbrenner (16) dient der geregelten Lüftung und Heizung des dargestellten Passivhauses (15), indem es die in der Gebäudeabluft (2) enthaltene Wärmeenergie sowie die durch den Flüssiggasbrenner (7) erzeugte Wärmeenergie einerseits zur Erwärmung der einströmenden Aussenluft (1), die das Gerät als Gebäudezuluft (3) wieder verlässt und andererseits zur Brauchwassererwärmung (4) nutzt. Das dargestellte Wärmepumpen-Kompaktgerät (16) besteht aus einem Wärmetauscher (5), einer Wärmepumpe (6) sowie dem Flüssiggasbrenner (7). The heat pump compact device with LPG burner (16) is used for controlled ventilation and heating of the passive house (15) shown, by using the thermal energy contained in the building exhaust air (2) and the thermal energy generated by the LPG burner (7) on the one hand to heat the incoming outside air ( 1), which leaves the device as building air (3) and on the other hand uses it for domestic water heating (4). The heat pump compact device (16) shown consists of a heat exchanger (5), a heat pump (6) and the liquid gas burner (7).

Die Gebäudeabluft (2) wird zunächst durch den Flüssiggasbrenner (7) stark erwärmt, indem die Verbrennungsabgase des Flüssiggasbrenners in die Gebäudeabluft eingespeist werde, wodurch die sensible Wärmeenergie der Gebäudeabluft (2) stark erhöht wird. Durch die Verbrennungsabgase wird der Feuchtegehalt ebenfalls erhöht, was zu einer Erhöhung der latenten Wärmeenergie im Gebäudeabluftstrom nach dem Flüssiggasbrenner (7) führt. In dem nachfolgend durchströmten Wärmetauscher (5) wird ein grosser Anteil der sensiblen Wärmeenergie auf die dem Wärmepumpen- Kompaktgerät (16) zugeführte Aussenluft übertragen. Nach Verlassen des Wärmetauschers (5) wird die Gebäudeabluft (2) zur Nutzung der darin noch enthaltenen Restwärmeenergie als Wärmequelle einer Wärmepumpe (6) zugeführt, bevor sie als Fortluft (17) in die freie Atmosphäre strömt. Das sensible und latente Wärmepotenzial der Gebäudeabluft (2) vor der Wärmepumpe (6) ist, im Vergleich zum Wärmepumpen-Kompaktgerät ohne Flüssiggasbrenner deutlich grösser. Dies bewirkt eine effizientere Energieumsetzung in der Wärmepumpe (6) und eine zusätzliche Wärmerückgewinnung mit Brennwertnutzung aus dem Abgas des Flüssiggasbrenners (7). Die Wärmepumpe (6) kann eine Entwärmung der Gebäudeabluft (2) bzw. Fortluft (17) bis zur Vereisungsgrenze des integrierten Verdampfers erreichen. Die Wärmepumpe (6) weist zwei Kondensatoren auf, von denen einer für die Gebäudezulufterwärmung bei Heizbedarf sorgt und der zweite der Brauchwassererwärmung (4) dient. Zwischen beiden Kondensatoren kann mithilfe von Magnetventilen entsprechend umgeschaltet werden. The building exhaust air (2) is first strongly heated by the liquid gas burner (7) by feeding the combustion gases from the liquid gas burner into the building exhaust air, which greatly increases the sensitive thermal energy of the building exhaust air (2). The combustion gases also increase the moisture content, which leads to an increase in the latent heat energy in the building exhaust air flow after the LPG burner (7). In the heat exchanger (5) which is subsequently flowed through, a large proportion of the sensitive thermal energy is transferred to the outside air supplied to the heat pump compact device (16). After leaving the heat exchanger (5), the building exhaust air (2) is fed to a heat pump (6) to use the residual heat energy contained therein as a heat source before it flows into the free atmosphere as exhaust air (17). The sensitive and latent heat potential of the building exhaust air (2) in front of the heat pump (6) is significantly greater compared to the compact heat pump device without a liquid gas burner. This results in a more efficient energy conversion in the heat pump (6) and additional heat recovery with condensing from the exhaust gas of the LPG burner (7). The heat pump (6) can cool the building exhaust air (2) or exhaust air (17) up to the icing limit of the integrated evaporator. The heat pump (6) has two condensers, one of which is used to heat the building supply air when heating is required and the second is used to heat the domestic water (4). You can switch between the two capacitors using solenoid valves.

Dem Wärmepumpen-Kompaktgerät (16) ist ein Erdwärmetauscher (9) vorgeschaltet, durch den die Aussenluft während der Heizperiode erwärmt wird und der so extreme Kältespitzen der Aussenluft glättet. The heat pump compact device (16) is preceded by a geothermal heat exchanger (9), by means of which the outside air is heated during the heating period and which smoothes the extreme cold peaks of the outside air.

Zur Speicherung von Wärmeenergie und zur Aufbereitung des Brauchwassers ist eine Brauchwasserspeichereinheit (10) vorgesehen. Das Brauchwasserspeichervolumen wird an der tiefsten Stelle mit einströmendem Kaltwasser (13) versorgt. Über die Brauchwassererwärmung (4) der Wärmepumpe (6) wird das Kaltwasser im Brauchwasserspeicher erwärmt. Als weitere Wärmequelle ist ein Elektroheizstab (12) im Brauchwasserspeicher (10) vorgesehen. Die Warmwasserversorgung (14) des Hauses wird im oberen Teil des Brauchwasserspeichers abgenommen. A hot water storage unit (10) is provided for storing thermal energy and for treating the hot water. The process water storage volume is supplied at the lowest point with incoming cold water (13). The cold water in the hot water tank is heated via the hot water heating (4) of the heat pump (6). An electric heating element (12) is provided in the domestic hot water tank (10) as a further heat source. The hot water supply (14) of the house is removed in the upper part of the domestic hot water tank.

Die Energieeffizienz des Systems kann durch die Kombination mit einer thermischen Solaranlage (11) weiter gesteigert werden. Dieses System nutzt die direkte Solarenergie und dient ebenfalls der Brauchwassererwärmung (4). Durch entsprechende Auslegung kann im Sommer dadurch der Betrieb der Wärmepumpe (6) überflüssig gemacht werden. The energy efficiency of the system can be further increased by combining it with a thermal solar system (11). This system uses direct solar energy and is also used for domestic water heating (4). Appropriate design can make the operation of the heat pump (6) superfluous in summer.

Grundsätzlich lässt sich die erfindungsgemässe Vorrichtung zur geregelten Lüftung und Wärmeenergieversorgung in allen Gebäuden zur Reduzierung des Primärenergiebedarfs einsetzen. Besonders hohe Einsparungen an Primärenergie werden jedoch in Gebäuden mit guter Wärmedämmung und hohen Solarenergiegewinnen, so genannten Passiv- oder Niedrig-Energie-Häusern, erreicht. Für Passivhäuser und sehr gute Niedrigenergiehäuser kann mit dem Gerät die gesamte Wärmeversorgung gedeckt werden. In principle, the device according to the invention for regulated ventilation and heat energy supply can be used in all buildings to reduce the primary energy requirement. However, particularly high savings in primary energy are achieved in buildings with good thermal insulation and high solar energy gains, so-called passive or low-energy houses. For passive houses and very good low-energy houses, the entire heat supply can be covered with the device.

Die erfindungsgemässe Integration einer Primärenergie-Wärmequelle in ein Wärmepumpen-Kompaktgerät, vorzugsweise eines Flüssiggasbrenners, der mit konventionellen Flüssiggasflaschen betrieben wird, eignet sich zur unmittelbaren Rückkoppelung zwischen Nutzerverhalten in Bezug auf Gebäudelüftung und Wärmeenergieverbrauch und den damit in Zusammenhang stehenden Aufwendungen. The inventive integration of a primary energy heat source in a heat pump compact device, preferably a liquid gas burner, which is operated with conventional liquid gas bottles, is suitable for direct feedback between user behavior in relation to building ventilation and thermal energy consumption and the associated expenses.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

1 Aussenluftstrom 2 Gebäudeabluftstrom 3 Gebäudezuluftstrom 3 min Zuluftstrom 4 Brauchwassererwärmung 5 Wärmetauscher 6 Wärmepumpe 7 Flüssiggasbrenner 8 Flüssiggasflasche 9 Erdwärmetauscher 10 Brauchwasserspeichereinheit 11 Thermische Solaranlage 12 Elektroheizstab 13 Kaltwasserzufluss 14 Warmwasserabfluss 15 Passivhaus 16 Wärmepumpen-Kompaktgerät 17 Fortluft S Energiebeitrag durch thermische Solarenergie W Energiebeitrag durch die Wärmepumpe H Energiebeitrag durch den Elektroheizstab G Gesamtenergiebedarf für Heizung und Warmwasseraufbereitung B Gesamtenergiebedarf für Warmwasseraufbereitung inklusive der Verluste 1 outside air flow 2 building exhaust air flow 3 Building supply air flow 3 min supply air flow 4 DHW heating 5 heat exchangers 6 heat pump 7 LPG burners 8 LPG bottle 9 geothermal heat exchangers 10 domestic water storage unit 11 Thermal solar system 12 electric heating element 13 Cold water inflow 14 hot water discharge 15 passive house 16 compact heat pump unit 17 exhaust air S Energy contribution through thermal solar energy W Energy contribution from the heat pump H Energy contribution from the electric heating element G Total energy requirement for heating and hot water preparation B Total energy requirement for hot water preparation including losses

Claims

1. heat pump compact device (16) for controlled ventilation and thermal energy supply of buildings (15), preferably of low-energy buildings or passive houses, with - at least one heat exchanger (5), - at least one heat pump (6) connected downstream of the heat exchanger (5), - an outside air (1) and a building exhaust air flow (2), which flow into the heat exchanger (5), - An exhaust air (17) and a supply air flow (3 min), which emerge from the heat exchanger (5) and open into the heat pump (6), from which a building supply air flow (3) that opens into the building (15), and the exhaust air flow (17) emerge characterized in that there is at least one primary energy heat source (7) which blocks the building exhaust air flow (2) before entering the heat exchanger (5) and / or the supply air (3 min) and / or the building supply air flow (3) and / or a domestic water storage unit (10) is heated.

2. Heat pump compact device according to claim 1, characterized in that the primary energy heat source is a gas burner (7), preferably a liquid gas burner, which can be operated with commercially available liquid gas bottles (8).

3. Heat pump compact device according to claim 1 or 2, characterized in that the heat exchanger (5) is a plate heat exchanger.

4. Heat pump compact device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the outside air flow (1) via a geothermal heat exchanger (9) can be supplied to the heat exchanger (5).

5. Heat pump compact device according to one of claims 1 to 4, characterized in that a hot water storage unit (10) is available for storing thermal energy, for the heating of which connecting lines to the heat pump (6) are present.

6. Heat pump compact device according to claim 5, characterized in that a solar collector (11) for domestic water heating (4) is present.

7. Heat pump compact device according to claim 6, characterized in that the domestic water storage unit (10) has an electric heating element (12) as an additional heat source.

8. Heat pump compact device according to one of claims 2 to 7, characterized in that the combustion exhaust gases of the gas burner (7) open into the building exhaust air flow.

9. A method for operating a heat pump compact device for controlled ventilation and thermal energy supply of buildings (15), preferably of low-energy buildings or passive houses according to claim 1, characterized in that the building exhaust air flow (2) before entering the heat exchanger (5 ) is heated.

10. The method according to claim 9, characterized in that a part of the heat energy of the building exhaust air flow (2) within the heat exchanger (5) to the outside air flow (1) is released by way of heat transfer and the rest of the heat energy to raise the temperature level and Moisture content of the exhaust air (17) is used.