DE10114160C2

DE10114160C2 - Anordnung zur Klimatisierung von Wohn- und Gewerberäumen mittels Wärmepumpe

Info

Publication number: DE10114160C2
Application number: DE10114160A
Authority: DE
Inventors: Michael Schroeter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-03-22
Filing date: 2001-03-22
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2021-03-23
Also published as: DE10114160A1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Klimatisierung von Wohn- und Gewerberäumen unter bedarfsweiser Verwendung vor handener Heizkörper einer herkömmlichen Warmwasserheizungsan lage als Kühlkörper, indem im Kühlbetrieb der Heizkessel ab geschaltet ist und bei abgeschaltetem Heizkessel den Heizkör pern mittels einer parallel zum Heizkessel angeschlossenen Wärmepumpe den Heizkörpern Wärmeenergie entzogen wird, und wobei im Heizbetrieb die Wärmepumpe abgeschaltet ist.

Stand der Technik

Wärmepumpen sind hinlänglich bekannt. Sie führen einem Raum durch Kondensation eines Wärmeträgers, beispielsweise Ammo niak oder Frigen, Wärme zu. Man benützt dabei die Erschei nung, dass Flüssigkeiten, die unter hohem Druck stehen, bei einer höheren Temperatur verdampfen als solche unter kleine rem Druck. Der Wärmeträger wird in einem Verdampfer bei klei nem Druck verdampft. Die dazu notwendige Wärme kann verschie denen Quellen entnommen werden, beispielsweise dem Erdreich, dem Wasser oder der Luft. Ein Kompressor saugt den Dampf an und verdichtet ihn auf den gewünschten höheren Druck. In ei nem nachgeschalteten Kondensator wird bei dem herrschenden hohen Druck der Dampf unter Wärmeentzug verflüssigt, indem man den Dampf durch Rohrleitungen führt, die außen von Kühl wasser umspült werden. Der Dampf gibt dann seine Wärme an das Kühlwasser ab und wird dadurch kondensiert. Das Kühlwasser kann auf diese Weise bis auf 60 bis 70°C erwärmt und seiner seits als Wärmeträger für eine Warmwasserheizung verwendet werden. Es kühlt sich in den Heizkörpern ab und strömt zurück in den Kondensator, wo es neuerlich erwärmt wird. Der Kondensator der Wärmepumpe ersetzt also den Kessel einer Warmwas serheizungsanlage. Der verflüssigte Dampf im System wird durch ein Ventil auf einen kleineren Druck entspannt und im Verdampfer wiederum verdampft. Man kann daraus ersehen, dass der Wärmeträger durch den Kompressor von einer niederen Tem peratur von z. B. 10°C auf eine höhere Temperatur von z. B. 60°C hochgepumpt werden kann. Die Arbeit, die hierfür notwen dig ist, leistet der Kompressor.

Wärmepumpen werden typischerweise dort eingesetzt, wo elekt rischer Strom für den Kompressorantrieb billig ist und wo Heizung und Kühlung gleichzeitig notwendig sind, beispiels weise in milchverarbeitenden Betrieben. Die Kellerräume wer den in diesem Beispiel durch den Wärmeentzug des Verdampfers gekühlt, die oberen Räume durch die Wärmezufuhr des Kondensa tors geheizt.

Ein anderes Beispiel betrifft die Klimatisierung von Wohn- oder Gewerberäumen über die kalte und die warme Jahreszeit. Je nach Jahreszeit werden in einem kombinierten Heiz-Kühl- System durch entsprechende Stellung eines Vierwegeventils die Raumluft erwärmt oder gekühlt.

Auch ist schon eine als Heizung und Kühlsystem betreibbare, nach dem Prinzip der Wärmepumpe arbeitende Vorrichtung mit integrierter Warmwasserbereitung, bestehend aus einem Kom pressor mit nachgeordnetem, als Kondensator wirkendem Heiz körper in der vom Kompressor abgehenden Ableitung und dem Heizkörper nachgeordnetem, als Verdampfer wirkenden Heizkes sel bekannt, dessen Ableitung in den Kompressor zurück läuft, wobei in die Ableitung zwischen Kompressor und Heizkörper ein Wärmeaustauscher zur Warmwasserbereitung eingefügt ist, wobei in die Verbindungsleitung zwischen Heizkörper und Heizkessel ein weiterer Wärmeaustauscher zur Vorwärmung des anschließend den ersten Wärmeaustauscher zur Warmwasserbereitung durchlau fenden Wassers eingefügt ist (DE 35 43 072 A1). Die Vorrich tung entzieht dem System, das heißt dem Arbeitsmedium, Restwärme, und zwar im Falle des Betreibens der Vorrichtung als Heizung nach dem Austritt aus dem Heizkörper und beim Betrei ben der Vorrichtung als Kühlung nach dem Austritt aus dem Wärme an die Umgebung abgebenden Aggregats.

Aus der DD 219 554 A1 ist ein Verfahren zur Brauchwasserbe reitung mittels einer Wärmepumpe bekannt. Die notwendige E nergie wird dem Rücklauf der Heizungsanlage entzogen. Hierzu wird außerhalb der Heizperiode das Heizmedium, welches durch die Umgebungsluft erwärmt wird, zur Energiegewinnung genutzt. Eine Klimatisierung von Räumen ist in dieser Betriebsart nicht angesprochen.

Nach der einleitend näher beschriebenen DE 195 15 152 A1 wird eine Wärmepumpe in einer ausschließlich als Warmwasserheizung betriebenen Anlage für die Zwecke einer Klimatisierung der Räume über die in der warmen Jahreszeit als Kühlkörper betreibbaren Warmwasser-Heizkörper eingesetzt. Die notwendige Ableitung der den Räumen entzogenen Wärme wird nicht ange sprochen.

Für eine Klimatisierung der Räume haben sich Klimaanlagen auf der Grundlage einer Wärmepumpe in unseren Breiten noch nicht allgemein durchgesetzt. Dies ist in erster Linie dem Vorhan densein herkömmlicher Warmwasserheizungsanlagen sowie dem für eine Kühlung doch recht erheblichen Energieaufwand, also Stromkosten, geschuldet.

Aufgabe und Lösung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wohn- und Ge schäftsräume zu klimatisieren, das heißt, zu kühle Räume zu heizen und überwärmte Räume auf angenehmes Raumklima zu küh len und zu entfeuchten und energiesparend Brauchwasser zu er zeugen. Die erfindungsgemäße Anordnung soll insbesondere kei nen großen Eingriff in bereits erstellte herkömmliche Warmwasserheizungs- und Brauchwasserbereitungsanlagen mit sich bringen und einen möglichst geringen Energiebedarf erfordern.

Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen geben die be gleitenden Ansprüche an.

Vorteilhafte Wirkungen

Die Erfindung erweitert eine herkömmliche Warmwasserheizung mit einfachen Mitteln in eine Klimaanlage, wobei im Kühlbe trieb der Heizkessel außer Betrieb genommen wird und statt dessen der Heizungskreislauf und der Brauchwasserheizkreis lauf von einer Wärmepumpe beaufschlagt werden. Die Wärmepumpe entzieht den in der Heizungsanlage vorhandenen Heizkörpern Wärme und heizt mit dieser Wärme den Brauchwasserspeicher. Im Heizbetrieb wird hingegen die Wärmepumpe außer Betrieb genom men und der Heizkessel heizt sowohl die Heizungsanlage als auch den Brauchwasserkessel.

Die im Kühlbetrieb der Raumluft entzogene Wärmeenergie wird dem Brauchwasser mit beispielsweise 2 kW Heizleistung zuge führt, wobei nur eine Hilfsenergie von 0,5 kW (Strom) für den Betrieb der Wärmepumpe aufgewendet werden muss. Je wärmer ein Raum ist und desto stärker er folglich auf angenehme Raumtem peratur zu kühlen ist, desto mehr verbessert sich die Ener giebilanz. Die Wärmepumpe kann in der warmen Jahreszeit bei spielsweise einen Haushalt mit bis zu 1000 Litern 45°C-war men Brauchwasser versorgen. Auch die Installationskosten sind vergleichsweise zu üblichen Klimageräten geringer, da außer der Wärmepumpe und ihrer Anschlüsse keine weiteren wesentli chen Investitionen anfallen. Die Heizkörper werden als Kühl körper "zweckentfremdet" und ein Brauchwasserspeicher ist oh nehin vorhanden. Bei der Regelung der Wärmepumpe kann größ tenteils auf vorhandene elektrische Komponenten für die Rege lung der Heizung zurückgegriffen werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

In der zugehörigen einzigen Fig. 1 ist das Prinzip der Er findung schematisch dargestellt.

Bei einer Warmwasserheizung dient Wasser zum Transport der Wärme. Beim dargestellten System handelt es sich um eine Zweirohr-Warmwasserheizung mit Zwangsumlauf, also um eine Pumpenwarmwasserheizung. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche beschränkt, sondern könnte auch z. B. für Schwer kraftheizungen und Einrohrsysteme angewendet werden.

Zunächst soll ein übliches Heizungssystem näher beschrieben werden, das erfindungsgemäß aufgerüstet werden soll. Ein Heizkessel K dient als Wärmeerzeuger. Die Heizenergie liefert z. B. ein Erdgas- oder Erdölbrenner. Mit dem z. B. auf 60°C temperaturgeregelten Heizkesselwasser wird über eine Hei zungsvorlaufleitung HV ein Platten-, Rippen- oder Rohrheiz körper H beaufschlagt. In der Heizungsvorlaufleitung HV liegt hierzu eine Heizungswasserpumpe HP, die das warme Heizungs wasser z. B. von einem Kellerraum nach oben fördert. Je nach Verteilungssystem kann die Heizungswasserpumpe HP aber auch in der Heizungsrücklaufleitung HR liegen. Das Heizungswasser durchströmt den Heizkörper H. Der Heizkörper H hat im Vorlauf ein den Heizungswasserstrom regulierendes Thermostatventil ThV, um eine gewünschte konstante Raumtemperatur vorwählen zu können. Am Thermostatventil ThV kann der Heizkörper H aber auch ganz abgestellt werden. Nach Durchströmen des Heizkör pers H, wobei das Heizungswasser Wärme an die Umgebung ab gibt, fließt das Heizungswasser über eine Heizungsrücklauf leitung HR zurück in den Heizkessel K, wo es erneut aufge heizt wird.

Außerdem heizt der Heizkessel K auch Brauchwasser in einen Brauchwasserspeicher B auf. In den Brauchwasserspeicher B fließt je nach Entnahme über einen Frischwasserzulauf kaltes Frischwasser KW ein. Im Brauchwasserspeicher B liegt eine Rohrschlange, die über eine Brauchwasserheizvorlaufleitung BV und eine Brauchwasserheizkreispumpe BP mit Warmwasser vom Heizkessel K versorgt wird. Das Warmwasser erwärmt das Brauchwasser, beispielsweise gleichfalls auf 60°C unter Wär meabgabe und fließt abgekühlt über die Brauchwasserheizrück laufleitung BR zurück zum Heizkessel K, wo es wieder erwärmt wird. Das Brauchwasser wird vom Verbraucher beispielsweise zum Waschen, Spülen, Baden oder Duschen (Dusche D) entnommen.

Normalerweise arbeitet eine solche Anlage das ganze Jahr in der beschriebenen Weise. Natürlich regeln die Thermostatven tile ThV in der wärmeren Zeit herunter oder sie werden manu ell ganz geschlossen. Auch kann am Heizkessel K auf "Sommer betrieb" umgeschaltet werden, was zur Folge hat, dass der Heizungskreislauf abgeschaltet wird. Der Heizkessel K selbst muss jedoch weiterhin in Betrieb bleiben, da er für die Ver sorgung mit Brauchwasser benötigt wird.

Gemäß der Erfindung wird der Brenner des Heizkessels K jedoch im "Sommerbetrieb" abgeschaltet und entsprechend auf "Kühlbe trieb" umgeschaltet. An die Stelle des Heizkessels K tritt eine Wärmepumpe W. Die Wärmepumpe W hat eine Verdampferseite WV und eine Kondensatorseite WK, wie eingangs beschrieben. Von der Wärmepumpenvorlaufleitung KV auf der Kondensatorseite strömt das im Wärmetauscher der Wärmepumpe W aufgeheizte Was ser zum Brauchwasserspeicher B und zurück über eine Wärmepum penrücklaufleitung KR zurück in die Wärmepumpe W. Somit steht auch im "Kühlbetrieb" warmes Brauchwasser zur Verfügung.

Zweckmäßigerweise sind die Vor- und Rücklaufleitungen auf der Kondensatorseite KV, KR der Wärmepumpe W mit den Vor- und Rücklaufleitungen auf der Brauchwasserseite BV, BR des Heiz kessels K über Zweiwegeventile V1, V2 miteinander verbunden, um eine Umstellung von "Kühlbetrieb" auf "Heizbetrieb" zu vereinfachen. Für Neuanlagen kann in vorteilhafter Weise der Kondensator WK der Wärmepumpe W gleich im Brauchwasserspei cher B angeordnet werden. Ebenso ist es möglich, die konden satorseitigen Vor- und Rücklaufleitungen KV, KR bis in den Brauchwasserspeicher B zu führen, um dort eine Heizschlange zu beaufschlagen.

Die Wärmepumpe W entnimmt im "Kühlbetrieb" ihre Heizenergie, mit Ausnahme der elektrischen Energie für den Kompressoran trieb der Wärmepumpe W, den in den Räumen angeordneten Heiz körpern H. Von diesen ist lediglich einer in der Fig. 1 dar gestellt. Es werden jedoch zweckmäßigerweise alle Heizkörper H des Heizungssystem einbezogen. Diese werden somit im "Kühl betrieb" zu Kühlkörpern, die die Räume auf angenehme Tempera turwerte klimatisieren. Hierzu ist die verdampferseitige Vor laufleitung W der Wärmepumpe W an die heizungsseitige Rück laufleitung HR mittels eines Zweiwegeventils V3 angeschlossen und die verdampferseitige Rücklaufleitung VR an die heizungs seitige Vorlaufleitung HV, gleichfalls mittels eines Zweiwe geventils V4. Außerdem muss dafür gesorgt werden, dass für den Fall, dass am Heizkörper H ein Thermostatventil ThV ange schlossen ist, dieses voll geöffnet ist und bleibt. Die Wir kungsweise ist folgende: Der Heizkessel K ist abgeschaltet. Die Heizungspumpe HP im Heizkreislauf wird im Beispiel auf Drehrichtungsumkehr geschaltet und eingeschaltet. Sollte die in einer vorhandenen Anlage befindlichen Heizungspumpe HP die Drehrichtungsumkehr nicht ermöglichen, kann z. B. auch eine zusätzliche Heizungspumpe eingebunden werden. Die ungeeigne te, vorhandene Heizungspumpe sollte dann im abgeschalteten Teil des Heizkreislaufs, auf der dem Heizkessel K zugewandten Seite der Ventile V3, V4 liegen und nur im "Heizbetrieb" zu geschaltet werden. Die zusätzliche Heizungspumpe sollte auf der der Wärmepumpe zugewandten Seite der Ventile V3, V4 lie gen und nur im "Kühlbetrieb" zugeschaltet werden. Die Hei zungspumpe HP fördert das in den Heizkörpern H von der Umge bung auf Zimmerwärme "aufgeheizte", also beispielsweise auf 25°C oder darüber erwärmte Heizungswasser der Anlage über die Heizwasservorlaufleitung HV - entgegengesetzt zum "Heizbe trieb" - verdampferseitig in die Wärmepumpe W. Das Heizungs wasser wird verdampferseitig durch die Wärmepumpe W gekühlt. Die dem Heizungswasser entzogene Wärme wird kondensatorseitig wieder abgegeben. Mit der abgegebenen Wärme wird im Wärmetau scher der Wärmepumpe W das Brauchwasser erwärmt.

Die Wärmepumpe W hat dem Heizungswasser also Wärmeenergie entzogen. Das in der Wärmepumpe W auf beispielsweise 12°C ab gekühlte Heizungswasser strömt über die verdampferseitige Vorlaufleitung VV der Wärmepumpe W, über das Zweiwegeventil V3 und die Heizkörperrücklaufleitung HR - umgekehrt zum "Heizbetrieb" - dem Heizkörper H wieder zu. Der Heizkörper H kühlt den Raum unter Wärmeaufnahme auf eine gewünschte Tempe ratur, beispielsweise 20°C, ab. Sich bildendes Kondensat am Heizkörper H fängt eine Auffangwanne A auf oder wird geeignet abgeleitet. Warme Luft hat bekanntlich eine hohe Luftfeuch tigkeit. Indem der warmen Raumluft beim Abkühlen zugleich Feuchte entzogen wird, die sich an den Heizkörpern H nieder schlägt und abtropft, verbessert sich das Raumklima weiter.

Das Ausführungsbeispiel ist selbstverständlich nach mancher lei Ausprägung modifizierbar, ohne den Schutzbereich der Er findung zu verlassen. So kann eine (automatische) Umschaltung von "Heizbetrieb" auf "Kühlbetrieb" vorgesehen sein, die nicht nur zwischen warmer Jahreszeit und kalter Jahreszeit in Kraft tritt, sondern auch zwischen warmen Stunden und kühlen Stunden unterscheidet. Z. B. kann die Heizungsanlage in Ab hängigkeit von der Außentemperatur oder Zeit in warmen Mit tagsstunden auf "Kühlen" schalten und ab den kühleren Abend stunden auf "Heizen". Warmes Brauchwasser wird in jeder Be triebsart bereitgestellt. Weiterhin können Thermostatventile dahingehend modifiziert werden, dass sich nicht nur die Raum wärme, sondern auch die Raumkühle regulieren lässt. Oder es wird ein zusätzliches Thermostatventil am Heizkörperrücklauf installiert, das im "Kühlbetrieb" regelt.

Bezugszeichen

A Auffangwanne
B Brauchwasserspeicher
BP Brauchwasserheizkreislaufpumpe
BR Brauchwasserheizrücklaufleitung
BV Brauchwasserheizvorlaufleitung
D Dusche
H Heizkörper
HP Heizungspumpe
HR Heizungsrücklaufleitung
HV Heizungsvorlaufleitung
K Heizkessel
KR kondensatorseitige Wärmepumpenrücklaufleitung
KV kondensatorseitige Wärmepumpenvorlaufleitung
KW kaltes Frischwasser
THV Thermostatventil
V1 bis V

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Zweiwegeventile
VV verdampferseitige Wärmepumpenvorlaufleitung
VR verdampferseitige Wärmepumpenrücklaufleitung
W Wärmepumpe
WK Kondensatorseite der Wärmepumpe
WV Verdampferseite der Wärmepumpe

Claims

1. Anordnung zur Klimatisierung von Wohn- und Gewerberäumen unter bedarfsweiser Verwendung vorhandener Heizkörper einer herkömmlichen Warmwasserheizungsanlage als Kühlkörper, indem im Kühlbetrieb der Heizkessel abgeschaltet ist und bei abge schaltetem Heizkessel den Heizkörpern mittels einer parallel zum Heizkessel angeschlossenen Wärmepumpe Wärmeenergie entzo gen wird, und wobei im Heizbetrieb die Wärmepumpe abgeschal tet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkessel (K) einer Warmwasserheizungs- und Brauch wasserbereitungsanlage von der Wärmepumpe (W) derart über brückt ist, dass die Kondensatorseite der Wärmepumpe (W) brauchwasserseitig und die Verdampferseite der Wärmepumpe (W) warmwasserheizungseitig eingebunden sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der im "Kühlbetrieb" abgeschalteter Heizkessel (K) der Warmwasserheizungsanlage mit der Wärmepumpe (W) so überbrückt ist, dass verdampferseitig (WV) die Wärmepumpenvorlaufleitung (VV) über ein Mehrwegeventil (V3) an die Heizungsrücklauflei tung (HR) des Heizungskreises und die verdampferseitige Wär mepumpenrücklaufleitung (VR) über ein Mehrwegeventil (V4) an die Heizungsvorlaufleitung (HV) des Heizungskreises ange schlossen sind, wobei ferner kondensatorseitig (WK) die Wär mepumpenvorlaufleitung (KV) über ein Mehrwegeventil (V1) an die Brauchwasservorlaufleitung (BV) des Brauchwasserheizkrei ses und die kondensatorseitige Wärmepumpenrücklaufleitung (KR) über ein Mehrwegeventil (V2) an die Brauchwasserrück laufleitung (BR) angeschlossen sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein am Heizkörper (H) in der Heizungsvorlaufleitung (HV) angeordnetes Thermostatventil (ThV) im "Kühlbetrieb" voll ge öffnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine im Heizungskreislauf für die Heizkörper (H) liegen de Wasserpumpe (HP) im "Kühlbetrieb" in der umgekehrten Dreh richtung arbeitet.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (WK) der Wärmepumpe (W) in den Brauch wasserspeicher (B) der Warmwasserheizungsanlage eingebaut ist.

6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass den Heizkörpern (H) eine Auffangwanne (A) für Kondensat wasser zugeordnet ist.

7. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Wärmepumpe (W) in ein Zweirohrheizungssystem mit Zwangsumlauf über 2-Wege-Ventile eingebunden ist.

8. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass eine automatische Umschaltung zwischen "Heizbetrieb" und "Kühlbetrieb" vorgesehen ist.