DE10118572A1 - Wärmeversorgungssystem - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmeversorgungssystem und auf ein Verfahen zum Einsatz von Solarenergie zur Verbesserung der Effizienz dieses Systems. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche derart weiterzubilden, dass Solarenergie unabhängig von ihrer Leistung zur Verbesserung der Effiziens von Wärmeversorgungssytemen einsetzbar wird. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass in Abhängigkeit der Solareinstrahlung und des Wärmebedarfs die Solarenergie verschiedenen Verbrauchern zur Verfügung gestellt wird.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmeversorgungssystem und auf ein
Verfahren zum Einsatz von Solarenergie zur Verbesserung der Effizienz dieses
Systems.
Verfahren der vorstehend beschriebenen Gattung dienen der Heizung von
Gebäuden und der Brauchwassererwärmung mittels effizienter Konversion
erneuerbarer Energie aus Solarstrahlung und unter Verringerung oder Verzicht
des Einsatzes fossiler Energieträger.
Etwa ein Drittel der in Deutschland eingesetzten Primärenergie wird in
Haushalten zur Klimatisierung, v. a. Heizung, der Wohnräume und zur
Warmwasserbereitung eingesetzt. Dabei werden in erster Linie fossile
Energieträger eingesetzt, deren Ressourcen begrenzt sind und deren Kosten
weiter steigen. Zudem birgt die ungezügelte Emission von Kohlendioxid in die
Atmosphäre bislang nicht kalkulierbare Risiken in sich.
Einen wichtigen Beitrag zu den notwendigen Einsparungen müssen dabei die
nachweisbar hohen Einsparpotenziale im Bereich der privaten Haushalte im
Wohnbereich leisten.
Der Heizenergiebedarf liegt jedoch im Mittel des Wohnungsbestands noch weit
über den als Zielwert vorgegebenen Werten. Um diese Werte nicht nur mit
energetisch-ökologischer, sondern auch mit wirtschaftlicher Effizienz zu
erreichen, ist es notwendig, die Investitionskosten der Anlage und ihren
eigenen Bedarf an Energie zu senken, vor allem aber die Nutzung der
dargebotenen erneuerbaren Energie zu verbessern.
Fällt Wärme niedriger Temperatur an, kann diese häufig kaum noch genutzt
werden, auch wenn es sich um große Wärmemengen handelt. Mit dem Einsatz
von Wärmepumpen kann unter Verwendung von Elektroenergie die
Temperatur angehoben und damit eine Nutzung der Wärme ermöglicht
werden. Mit diesem Verfahren ist es auch möglich, Wärme aus natürlichen
Quellen, wie z. B. Brunnen oder dem Erdboden zu gewinnen und die
Temperatur so zu erhöhen, dass eine Nutzung zur Raumheizung oder zur
Warmwasserbereitung möglich wird.
Bei Wärmepumpen kommt es bei bestimmten Betriebszuständen zur
Vereisung des Verdampfers. Bei einem Luftverdampfer ist dies unerwünscht.
Aktuell wird der Vereisung des Luftverdampfers durch diskontinuierliche
Aufheizung der gefährdeten Bereiche, also zusätzlichem Energieeinsatz,
entgegen gewirkt. Damit wird die energetische Effizienz einer
Wärmepumpenanlage gemindert.
Im Stand der Technik sind bereits vielfältige Lösungen bekannt, bei welchen
Wärmequellen niedrigerer Temperatur zur Wärmeversorgung für Heiz- und
Brauchwassererwärmung genutzt werden.
Aktuell sind Vorrichtungen beispielsweise nach DE 198 27 511 A1 bekannt,
die die Nutzung von Solarenergie mit hoher Effizienz speziell für
Niedrigenergiehäuser ermöglichen und dazu ein Wärmepumpen-
Kompaktaggregat nutzen, das über eine Steuerung in den Anlagenbetrieb
eingebunden ist und einen Wärmeübertrager und eine im Luftstrom
nachgeschaltete Wärmepumpe aufweisen.
Die Heizwärme wird dabei durch einen Solar-Luft-Kollektor gewonnen. Bei
hoher Einstrahlung und ausreichender Temperatur wird die Solarwärme direkt
zur Warmwasserbereitung verwendet.
Fehlt die Sonnenstrahlung, kann einem Erdwärmespeicher Wärme entzogen
werden. Dann erfolgt zuerst eine Temperaturerhöhung in der Wärmepumpe,
wodurch die Verluste bei der Wärmerückgewinnung ausgeglichen werden.
In anderen bekannten Lösungen, beispielsweise nach DE 197 14 679 A1,
werden anstelle des Erdwärmespeichers Pufferspeicher verwendet oder
anstelle des Luftkollektors Sonnenkollektoren, deren Wärmeträgermedien
Wasser, Sole oder andere vorzugsweise frostsichere Flüssigkeiten sind.
Auch ist gemäß DE 29 71 6603 U1 eine Lösung bekannt, bei der die
Solarwärme mittels eines Wärmeübertragers die Quellentemperatur der
Wärmepumpe erhöht wird.
Weiterhin sind Lösungen bekannt, bei denen als Niedertemperaturreservoir
entweder ein Erdkollektor oder ein solar beheizter Pufferspeicher dient. Eine
Regelung entscheidet, welches Niedertemperaturreservoir von der
Wärmepumpe genutzt wird.
Den beschriebenen Lösungen ist gemeinsam, dass jeweils mit hohem
apparativem Einsatz jeweils nur einzelne Aspekte der Einbindung von
Wärmequellen niedrigerer Temperatur in Wärmeversorgungssysteme realisiert
werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche derart weiterzubilden,
dass Solarenergie unabhängig von ihrer Leistung zur Verbesserung der
Effizienz von Wärmeversorgungssystemen einsetzbar wird. Insbesondere
sollen der Wirkungsgrad des Wärmeversorgungssystems verbessert und die
Versorgungs- und Funktionssicherheit erhöht werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass in Abhängigkeit der
Solareinstrahlung und des Wärmebedarfs die Solarenergie verschiedenen
Verbrauchern zur Verfügung gestellt wird.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Heizung und zum Betrieb eines
Wassererwärmungssystem mit einem Speichersystem und einer
Wärmepumpe, die mit einem Solarkollektor und den Wärmesenken
(Verbrauchern), über Ventileinheiten derart verschaltbar ist, besteht darin, dass
der Solarkollektor bei hoher Solarstrahlung (ca. 400 . . . 800 W/m2) unmittelbar
der Heizung und dem Betrieb eines Wassererwärmungssystems dient. Erfolgt
keine Abnahme der verfügbaren Wärme durch die Verbraucher, wird sie einem
Speichersystem zugeführt. Bei mittlerer Strahlungsstärke dient die Solarwärme
zur Anhebung der Quellentemperatur der Wärmepumpe. Besitzt die
Wärmepumpe einen Luftverdampfer, so wird bei geringer Strahlungsstärke (ca.
200 . . . 400 W/m2) der Verdampfer mittels eines solar mit Wärme aufgeladenen
Speichersystems abgetaut. Dies wird bevorzugt mittels eines Latentspeichers
realisiert.
Durch die Verschaltung von Solarkollektor, Speichersystem und Wärmepumpe
mit den Verbrauchern und dem Latentspeicher sind folgende Vorteile
verbunden:
- - Die Nutzung von Solarenergie bei hoher Strahlungsintensität unmittelbar zur Heizung und Brauchwasserbereitung und damit Einsparungen beim Einsatz anderer Energieträger.
- - Die Nutzung von Solarenergie bei geringer Strahlungsstärke zur Anhebung der Quellentemperatur und Steigerung der Effizienz der Wärmepumpe des Wärmeversorgungssystems.
- - Steigerung der Effizienz eines Solarkollektors und Möglichkeit zur Energiegewinnung bei geringer Strahlungsstärke.
- - Die Nutzung von Solarenergie bei geringer Strahlungsstärke zum Abtauen des Luft-Verdampfers und damit zur Steigerung der Effizienz der Wärmepumpe mit Luftverdampfer.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen.
Fig. 1 Prinzipdarstellung der Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
Fig. 2 Betriebszustand des Systems bei hoher Solarstrahlung und hohem
Heizwärme- und/oder Warmwasserbedarf,
Fig. 3 Betriebszustand des Systems bei hoher Solarstrahlung und fehlendem
Heizwärme- und/oder Warmwasserbedarf
Fig. 4 Betriebszustand des Systems bei niedriger Solarstrahlung und hohem
Heizwärme- und/oder Warmwasserbedarf
Fig. 5 Betriebszustand des Systems bei vereistem Luftverdampfer an der
Wärmepumpe
Fig. 6 Betriebszustand des Systems bei geringer Solarstrahlung und mit hohem
Heizwärme- und/oder Warmwasserbedarf
Fig. 7 Betriebszustand des Systems ohne Solarstrahlung und mit hohem
Heizwärme- und/oder Warmwasserbedarf
Fig. 8 Luftverdampfer der Wärmepumpe mit Latentspeicherabtauung
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens schematisch dargestellt. Die Vorrichtung dient der Heizung über die
Wärmeübertrager 1 oder 13 und/oder dem Betrieb des
Wassererwärmungssystems über die Wärmeübertrager 2 oder 14. Sie besteht
aus einem Solarkollektor 5, der über geeignete Absperrorgane, insbesondere
die Dreiwegeventile 3 und 4, direkt mit den Wärmeübertragern 1 und 2 oder mit
dem Verdampfer 15 der Wärmepumpe 9 und dem Speichersystem 8
verbunden ist. Die Pumpe 7 und das Rückschlagventil 10 sichern die Funktion
der Vorrichtung.
Die einstrahlende Solarenergie erwärmt die Wärmeträgerflüssigkeit im
Solarkollektor 5. Bei starker Erwärmung durchfließt die erwärmte
Wärmeträgerflüssigkeit unmittelbar die Wärmeübertrager 1 (Heizung) und 1
oder 2 (Wassererwärmungssystem) und gibt die Wärme ab. Der Fluss der
Wärmeträgerflüssigkeit wird von den Dreiwegeventilen 3, 4 und 6 gesteuert.
Dabei steuern die Dreiwegeventile 3 und 4 die Zuführung der
Wärmeträgerflüssigkeit zu einem oder zu beiden Wärmeübertragern 1 und 2
der Verbraucher, entsprechend des Wärmebedarfs.
Bei geringer Solarstrahlung wird die wenig erwärmte Wärmeträgerflüssigkeit
über die Wärmepumpe 9 geführt, wo ihr Wärme entzogen wird. Die
Wärmeträgerflüssigkeit kühlt dann stark ab. Der Solarkollektor 5 weist durch
die höhere Temperaturdifferenz zwischen Solarwärme und Temperatur der
Wärmeträgerflüssigkeit einen höheren Wirkungsgrad auf. Die der
Wärmeträgerflüssigkeit entzogene Wärme steht am Kondensator mit höherer,
nutzbarer Temperatur zur Verfügung und wird von der Pumpe 11, gesteuert
durch das Dreiwegeventil 12, den Wärmeübertragern 13 (Heizung) und/oder
14 (Wassererwärmungssystem) zugeführt.
Ist der Verdampfer 15 der Wärmepumpe 9 als Luftverdampfer ausgeführt und
besteht der Bedarf, diesen bei Vereisung abzutauen, kann das bei
entsprechender Stellung der Dreiwegeventile 4 und 6 mittels Solarstrahlung
erfolgen. Die dazu benötigte Wärmeenergie wird vom Solarkollektor 5
bereitgestellt und/oder dem Speichersystem 8 entnommen.
Fehlt die Solarstrahlung, wird der Solarkollektor nicht durchflossen. Die Pumpe
7 fördert Wärmeträgerflüssigkeit, die im Speichersystem 8 erwärmt wird. Die
Wärme wird im Verdampfer der Wärmepumpe 9 entzogen und am
Kondensator zur Heizung und zum Betrieb des Wassererwärmungssystems
genutzt.
Das Speichersystem 8 kann ausschließlich oder zusätzlich zu anderen Formen
der Speicherung als Latentspeicher ausgeführt sein. Der Latentspeicher ist
dann in den Verdampfer 15 integriert und über einen Wärmetauscher mit
diesem thermisch gekoppelt. Dabei sind die Eigenschaften des Latentmaterials
derart auf den Arbeitspunkt der Wärmepumpe abstimmbar, dass ein optimaler
Betrieb mit hohem Wirkungsgrad gesichert ist.
Der Latentspeicher ist weiterhin durch Abstimmung der Latenteigenschaften in
der Lage, das Abtauen eines Luftverdampfers 15 an der Wärmepumpe 9
effizient zu ermöglichen. Das ist nach dem Ausführungsbeispiel dann der Fall,
wenn die Latenttemperatur des Latentspeichers so weit unter dem Gefrierpunkt
des Wassers liegt, dass beim Umschlagen des Aggregatzustandes des
Latentmaterials Wärme in ausreichender Menge frei wird, um den
Luftverdampfer 15 abzutauen.
Das Latentmaterial ist nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel Paraffin.
In Fig. 2 ist der Betriebszustand des Systems bei hoher Solareinstrahlung
dargestellt, wenn zugleich ein hoher Bedarf an Wärmeenergie für die Heizung
und/oder die Erwärmung von Brauchwasser, also den Betrieb des
Wassererwärmungssystems, besteht. Dabei fördert die Pumpe 7 den Strom
der Wärmeträgerflüssigkeit zum Dreiwegeventil 6. Dieses steuert den Strom
zum Solarkollektor 5, wo die Wärmeträgerflüssigkeit durch die Solarstrahlung
erwärmt wird. Danach durchströmt die Wärmeträgerflüssigkeit das
Dreiwegeventil 4 und erreicht das Dreiwegeventil 3. Am Dreiwegeventil 3 wird
die Nutzung der Wärme gesteuert, in dem der Strom der
Wärmeträgerflüssigkeit entweder zum Wärmeübertrager 1 (Heizung) oder 2
(Wassererwärmungssystem) oder zu beiden zugleich geleitet wird. In der
Praxis wird die gewonnene Wärme in diesem Betriebszustand vor allem zum
Betrieb des Wassererwärmungssystem genutzt, da hohe Solareinstrahlung
witterungsbedingt zumeist mit einem geringen Bedarf an Wärmeenergie zu
Heizzwecken einher geht.
Diese Betriebsweise ist möglich, da aus Solarkollektoren üblicherweise die
Wärmeträgerflüssigkeit bei hoher Solarstrahlung mit über 70°C austritt. Damit
ist eine ausreichend hohe Vorlauftemperatur für die genannten Anwendungen
erreicht. Auf die Anwendung von Verfahren weiteren Erhöhung der Temperatur
der Wärmeträgerflüssigkeit kann daher verzichtet werden und die
Wärmepumpe bleibt außer Betrieb. Sie kann jedoch bei Bedarf jederzeit in
Betrieb genommen werden.
Ist es erforderlich, die Austrittstemperatur der Wärmeträgerflüssigkeit zu regeln,
ist eine regelbare Pumpe 7 einzusetzen. Damit ist es auch möglich, den
Solarkollektor 5 optimal zu betreiben.
Fig. 3 zeigt die Betriebsvariante bei hoher Solareinstrahlung und geringem, aus
einem Puffer zu befriedigenden, oder fehlendem Wärmebedarf und
-verbrauch. Dieser häufig auftretende Betriebsfall mindert die energetische und
wirtschaftliche Effizienz bei solarthermischen Anwendungen in der Praxis, da
gerade beim Angebot großer Mengen solarer Wärme die Nachfrage gering ist.
Dieses Problem ist durch die Möglichkeit zu mindern, die die Vorrichtung im
dargestellten Betriebsfall bietet. Dabei wird eine unbegrenzte Wärmemenge im
Speichersystem 8 gespeichert, wenn dieses als Erdwärmespeicher ausgeführt
ist.
Die Pumpe 7 fördert die Wärmeträgerflüssigkeit, die durch die Dreiwegeventile
6 und 4 gesteuert wird, über den Solarkollektor 5. Danach durchströmt die
Wärmeträgerflüssigkeit den Verdampfer 15 der Wärmepumpe 9, ohne dass
diese jedoch in Betrieb wäre. Als sinnvolle Weiterbildung kann der Verdampfer
15 der Wärmepumpe 9 daher auch mittels eines nicht dargestellten Systems
aus Ventilen und Rohrleitungen in Form eines Bypasses überbrückt werden,
um unnötigen Verschleiß im Wärmeübertrager durch die abrasiven Wirkungen
der Strömung der Wärmeträgerflüssigkeit zu vermeiden.
Soll das Speichersystem 8 ein Erdwärmespeicher sein, müssen geeignete
geologische Bedingungen vorhanden sein, die nach dem Stand der Technik zu
untersuchen sind. Der Erdwärmespeicher kann als senkrechte Bohrung
ausgeführt sein. Eine Sonde wird in den Boden eingebracht, die die Wärme
von der Wärmeträgerflüssigkeit in den Boden überträgt oder die
Wärmeträgerflüssigkeit Wasser wird in einem freien Kreislauf direkt in den
Boden gepumpt. Als notwendige geologische Bedingungen und
Voraussetzungen dürfen insbesondere keine Grundwasserströmungen
vorhanden sein, weil damit auch die zu speichernde Wärme aus dem Bereich
des Speichers weg transportiert würde und einer Rückgewinnung verloren
ginge. Der Erdwärmespeicher kann auch als Massivabsorber oder als
horizontaler Erdspeicher ausgeführt sein.
Mit der Speicherung der Solarwärme im Boden können nachteilige
Auswirkungen des Wärmeentzugs durch Wärmepumpen z. B. auf die
Vegetation ausgeglichen werden.
Weitere Varianten des Speichersystems 8 sind großvolumige Speicher, bei
denen als Wärmeträger oder -speicherflüssigkeit Wasser als kostengünstiges
Material mit hoher Wärmekapazität genutzt wird. Es sind jedoch auch andere
Wärmeträger oder -speicherflüssigkeiten sowie Feststoffe mit einer
ausreichend hohen spezifischen Wärmekapazität einsetzbar. Die Entscheidung
über den Einsatz der Gestaltungsvarianten des Speichersystems 8 hängt in
erster Linie von der Größe und Kapazität der Anlage ab. Erst ab einem
bestimmten Spitzenwärmebedarf ist die Ausführung des Speichersystems 8 als
Erdwärmespeicher wirtschaftlich. Der Grund hierfür liegt in den hohen Kosten
für die geologische Erkundung bei der Suche nach einem geeigneten Bereich
für den Erdwärmespeicher und für das Abteufen der Bohrung.
In Fig. 4 ist der Betriebszustand des Systems dargestellt, bei dem mit geringer
Solarenergieeinstrahlung ein hoher Wärmebedarf gedeckt werden soll. Dabei
ist die Wärmepumpe 9 in Betrieb, in deren Verdampferkreislauf der
Solarkollektor 5 sowie das Speichersystem 8 integriert sind und von der
Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt werden. Der Kondensatorkreislauf der
Wärmepumpe 9 umfasst die Wärmeübertrager 13 und 14, die über das
Dreiwegeventil 12 in Abhängigkeit vom Wärmebedarf für Heizung und/oder
den Betrieb des Wassererwärmungssystems angesteuert werden. Beide
Kreisläufe werden von jeweils einer Pumpe angetrieben, wobei sich Pumpe 7
im Verdampferkreislauf und Pumpe 11 im Kondensatorkreislauf befindet.
Der Verdampferkreislauf bewegt eine ausreichend große Menge Wärme
niedriger Temperatur, die aus dem Solarkollektor 5 und dem als
Erdwärmespeicher ausgeführten Speichersystem 8 gewonnen wird. Diese
Wärme wird der Wärmeträgerflüssigkeit im Verdampfer der Wärmepumpe 9
wieder entzogen. Die dadurch abgekühlte Wärmeträgerflüssigkeit weist eine
hohe Temperaturdifferenz zu den Wärmequellen im Speichersystem 8 und/
oder im Solarkollektor 5 auf und kann damit eine höhere Wärmemenge
aufnehmen.
Sollen sowohl das Speichersystem 8 als auch der Solarkollektor 5 durchströmt
werden, muss die Austrittstemperatur der Wärmeträgerflüssigkeit aus dem
Speichersystem 8 deutlich unter der des Solarkollektors 5 liegen, damit eine
Nutzung der Solarwärme gewährleistet ist. Ist die Austrittstemperatur der
Wärmeträgerflüssigkeit aus dem Speichersystem 8 gleich oder höher als die
Austrittstemperatur der Wärmeträgerflüssigkeit aus dem Solarkollektor 5, wird
in den Betrieb nach Fig. 7 ohne Solarstrahlung umgeschaltet, da anderenfalls
Wärme aus dem Speichersystem 8 über den Solarkollektor 5 abgegeben
würde und damit für eine Nutzung verloren ginge. Zum anderen ist die
Betriebsführung in Abhängigkeit, vom als Wärmeträgerflüssigkeit eingesetzten
Material, zu betrachten, da bei sehr niedrigen Außentemperaturen die
Wärmeträgerflüssigkeit Gefahr läuft einzufrieren. Wird als
Wärmeträgerflüssigkeit Sole oder ein Glykol-Wasser-Gemisch eingesetzt,
besteht diese Gefahr nicht.
Ist der Solarkollektor 5 entsprechend groß dimensioniert, kann auch der
Mischbetrieb vermieden und die gespeicherte Wärme aus dem Speichersystem
8 für den Betriebsfall ohne Solarstrahlung gespart werden. Durch den groß
dimensionierten Solarkollektor 5 wird die benötige Wärmemenge zuzüglich der
Wirkungsgrad bedingten Übertragungsverluste mit niedriger Temperatur
gewonnen und in der Wärmepumpe 9 im Temperaturniveau angehoben, mit
dem es dann die Wärmepumpe 9 über den Kondensatorkreislauf verlässt.
Sinnvolle Weiterbildungen des Kondensatorkreislaufes mit Pumpe 11,
Dreiwegeventil 12 und den Wärmeübertragern für Heizung 13 und
Wassererwärmungssystems 14 bestehen in der Anwendung eines
Pufferspeichers für die Wärmeenergie höherer Temperatur. Dieser
Pufferspeicher könnte als separates Aggregat in einem getrennten Kreislauf
angeordnet sein oder in einen der Wärmeübertrager 13 oder 14 integriert sein.
Die Darstellung in Fig. 5 zeigt die Vorrichtung im Betriebszustand des Systems
mit einer Wärmepumpe 9, deren Verdampfer 15 als Luftverdampfer ausgeführt
ist oder der in Kombination verschiedener Verfahren auch als Luftverdampfer
betrieben werden kann. Die gewonnene Wärme wird im Kondensatorkreis
durch die Wärmeträgerflüssigkeit und die Pumpe 11 transportiert, durch das
Dreiwegeventil 12 gesteuert und über die Wärmeübertrager 13 und 14 der
Nutzung zur Heizung und/oder im Wassererwärmungsystem zugeführt.
Beim Betrieb eines Luftverdampfers wird die Umgebungsluft mit Hilfe eines
Ventilators über den Wärmeübertrager des Verdampfers 15 geleitet. Durch die
Temperaturdifferenz wird der Luft Wärme entzogen und durch die
Temperaturerhöhung in der Wärmepumpe 9 nutzbar gemacht. Wird der
Verdampfer 15 unter den Gefrierpunkt des Wasser abgekühlt, kommt es leicht
zur Vereisung des Verdampfers 15, da die Luftfeuchtigkeit auf der Oberfläche
des Luftverdampfers kondensiert und gefriert. Mit dem Anwachsen der
Eisschicht kommt es zu Einschränkungen im Wirkungsgrad der Wärmepumpe
9 bis hin zum Ausfall des Aggregats. Deshalb sind Luftverdampfer nach dem
Stand der Technik mit Abtaueinrichtungen versehen, die diesem nachteiligen
Phänomen entgegen wirken. Allerdings ist dafür der Einsatz von Energie,
üblicherweise Elektroenergie, erforderlich, wodurch der Gesamtwirkungsgrad
einer Wärmepumpenanlage mit Luftverdampfer gemindert wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt zum Abtauen eines in der
Wärmepumpe 9 eingesetzten Luftverdampfers Solarenergie. Die Solarwärme
wird im Solarkollektor 5 gewonnen, der von der Wärmeträgerflüssigkeit
durchflossen wird. Den von der Pumpe 7 angetriebenen Fluss steuern die
Dreiwegeventile 6 und 4.
Ist Solarwärme in ausreichendem Umfang durch Solareinstrahlung vorhanden,
wird die Solarwärme über den Verdampfer 15 geführt und taut diesen ab. Ist
die verfügbare Solarwärme nicht ausreichend, schaltet das Dreiwegeventil 6
den Strang, der die Wärmeträgerflüssigkeit über den Solarkollektor 5 führt, ab.
Dann wird nur der Wärmespeicher 8 durchströmt, der zuvor durch
überschüssige, nicht der Wärmeträgerflüssigkeit beim Abtauen des
Verdampfers 15 entzogene Solarwärme gespeist und aufgeladen wurde. Er
gibt nun die Wärme ab, mit der der Luftverdampfers abgetaut wird.
Neben der Sicherung der Funktion des Luftverdampfers erfolgt beim Abtauen
zugleich eine Erhöhung der Quellentemperatur am Verdampfer. Damit erhöht
sich der Wirkungsgrad der Wärmepumpe.
In Fig. 6 ist die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens dargestellt im Betriebszustand bei geringer Solarstrahlung und
hohem Heizwärme- und/oder Warmwasserbedarf. Die Solarstrahlung allein
reicht nicht aus, um die Wärmeträgerflüssigkeit so zu erwärmen, dass eine
ausreichende Temperaturdifferenz in den Wärmeübertragern 1 und 2 zur
Heizung und zum Betrieb des Wassererwärmungssystems entsteht. Deshalb
wird die durch Solarstrahlung erwärmte Wärmeträgerflüssigkeit zur Erhöhung
der Quellentemperatur der Wärmepumpe 9 genutzt. Damit wird der
Wirkungsgrad der Wärmepumpe 9 erhöht. Sie gibt im Kondensatorkreis die
Wärme an die Wärmeträgerflüssigkeit ab, die durch die Pumpe 11 gefördert
und das Dreiwegeventil 12 gesteuert wird. Über die wahlweise oder zugleich
durchströmten Wärmeübertrager 13 und 14 wird die Wärme der Heizung und
dem Wassererwärmungsystem zugeführt.
Im Verdampferkreislauf durchströmt die Wärmeträgerflüssigkeit den
Solarkollektor 5, wobei sie von der Pumpe 7 gefördert und den
Dreiwegeventilen 6 und 4 gesteuert wird. Nachdem der Wärmeträgerflüssigkeit
im Verdampfer 15 der Wärmepumpe 9 die Wärme entzogen wurde, trifft diese
mit einer sehr niedrigen Temperatur am Eingang des Solarkollektors 5 ein.
Dadurch besteht eine hohe Temperaturdifferenz zwischen der eingestrahlten
Solarwärme und der Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit. Damit ist der
Wärmeübergang verbessert und die absolute Wärmekapazität der
Wärmeträgerflüssigkeit gesteigert. Daraus folgt eine Steigerung des
Wirkungsgrades des Solarkollektors 5 einerseits, sowie andererseits die
Möglichkeit, auch bei geringerer Solarstrahlung und tiefen Außentemperaturen
Solarenergie zu nutzen.
Eine Nutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Betriebsfall nach Fig. 6
wäre demnach auch bei geringen Temperaturen und einer minimalen
Solarstrahlung im Gegensatz zu herkömmlicher Technik noch möglich.
Fig. 7 zeigt den Betriebszustand der Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Solarstrahlung fehlt, aber ein
hoher Bedarf an Heizwärme und/oder Warmwasser besteht. Dabei ist die
Wärmepumpe 9 in Betrieb. Ihr Kondensatorkreis ist wie bei Fig. 4 und Fig. 6
beschrieben mit den Verbrauchern zusammengeschaltet.
Der Verdampferkreislauf umfasst neben dem Verdampfer der Wärmepumpe 9
bei diesem Betriebszustand nur die Pumpe 7, das Dreiwegeventil 6 und das
Speichersystem 8. Soll das Speichersystem 8 ein Erdwärmespeicher sein,
müssen geeignete geologische Bedingungen vorhanden sein, die nach dem
Stand der Technik zu untersuchen sind. Eine Sonde wird in den Boden
eingebracht, die die Wärme von der Wärmeträgerflüssigkeit in den Boden
überträgt, oder die Wärmeträgerflüssigkeit Wasser wird in einem freien
Kreislauf direkt aus dem Boden entnommen. Der Erdwärmespeicher kann
bevorzugt als senkrechte Bohrung oder als horizontale Schleife ausgeführt
sein.
Weitere Varianten des Speichersystems 8 sind großvolumige Speicher, bei
denen als Wärmeträger oder -speicherflüssigkeit Wasser als kostengünstiges
Material genutzt wird. Es sind jedoch auch andere Wärmeträger oder
Speicherflüssigkeiten, sowie Feststoffe mit einer ausreichend hohen
spezifischen Wärmekapazität einsetzbar. Die Entscheidung über den Einsatz
der Gestaltungsvarianten des Speichersystems 8 hängt in erster Linie von der
Größe und Kapazität der Anlage ab.
Die Wärme, die aus dem Speichersystem mittels der Wärmeträgerflüssigkeit
entnommen wird, dient als Wärmquelle der Wärmepumpe 9, in deren
Verdampfer 15 die Wärme entzogen wird.
Vorteilhaft lässt sich ebenso ein Wärmeversorgungssystem ausführen, welche
sowohl einen Luftverdampfer 15, als auch einen Soleverdampfer 15 im
Wärmepumpenkreislauf aufweist. Diese werden je nach Kapazität geschaltet.
Beispielsweise wird die Wärmepumpe am Anfang der Heizsaison über den
Soleverdampfer 15 und den Speicher 8 mit Wärme versorgt und zum Ende der
Heizsaison, wenn der Speicher 8 ausgekühlt ist, wird der Luftverdampfer 15
der Wärmepumpe betrieben. Zumal dann auch die Lufttemperaturen
jahreszeitlich bedingt wieder ansteigen.
Fig. 8 zeigt einen Luftverdampfer 15 der Wärmepumpe 9 mit
Latentspeicherabtauung. Dazu weist der Luftverdampfer 15 einen Speicher 8
auf, der als Latentspeicher mit Paraffin ausgeführt ist. Durch die thermische
Kopplung des Latentspeichers 8 mit dem Kältemittelkreislauf 17 im
Luftverdampfer 15 der Wärmepumpe 9 werden die Oberflächen des
Luftverdampfers frei von Eis- und Reif gehalten. Besonders vorteilhaft wird der
Latentspeicher dabei von Solarenergie beladen.
1
Wärmeübertrager für Heizung im Solarkollektor-
Verdampferkreislauf
2
Wärmeübertrager für Wassererwärmungssystem im
Solarkollektor-/Verdampferkreislauf
3
Absperrorgan, Dreiwegeventil im Solarkollektor/Verdampferkreislauf
4
Absperrorgan, Dreiwegeventil im Solarkollektor/Verdampferkreislauf
5
Solarkollektor
6
Absperrorgan, Dreiwegeventil im Solarkollektor-Nerdampferkreislauf
7
Pumpe im Solarkollektor-Nerdampferkreislauf
8
Speichersystem
9
Wärmepumpe
10
Rückschlagventil
11
Pumpe im Kondensatorkreislauf
12
Dreiwegeventil im Kondensatorkreislauf
13
Wärmeübertrager für Heizung im Kondensatorkreislauf
14
Wärmeübertrager für Wassererwärmungssystem im
Kondensatorkreislauf
15
Verdampfer/Luftverdampfer der Wärmepumpe
16
Wärmeträgerkreislauf
17
Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe
Claims (16)
1. Verfahren zum Betrieb eines Wärmeversorgungssystems, dadurch
gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der Solareinstrahlung und des
Wärmebedarfs die Solarenergie verschiedenen Verbrauchern zur
Verfügung gestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei hoher
Solarenergieeinstrahlung und hohem Heizwärmebedarf die Solarwärme
in die Heizung (1, 13) und/oder das Wassererwärmungssystem (2, 14)
eingespeist wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei
hoher Solarenergieeinstrahlung und niedrigem Heizwärmebedarf die
Solarwärme in ein Speichersystem (8) eingeleitet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass bei niedriger Solarenergieeinstrahlung und hohem
Heizwärmebedarf die Solarwärme zur Anhebung der Quellentemperatur
für den Betrieb einer Wärmepumpe (9) eingesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass bei niedriger Solarenergieeinstrahlung und hohem
Heizwärmebedarf die Solarwärme zum Abtauen eines Luftverdampfers
(15) einer Wärmepumpe (9) eingesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die
Abtauung des Luftverdampfers (15) einer Wärmepumpe (9) die
Solarwärme in einen Latentwärmespeicher (8) eingeleitet wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeversorgungssystem einen
Kreislauf von Wärmeträgerflüssigkeit aufweist, welcher weiterhin
mindestens einen Solarkollektor (5) und mindestens eine Heizung (1,
13) und/oder mindestens ein Wassererwärmungssystem (2, 14)
umfasst.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7 zur Durchführung eines Verfahrens nach
Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf der
Wärmeträgerflüssigkeit zusätzlich den Verdampfer (15) einer
Wärmepumpe (9) und ein Speichersystem (8) aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das
Speichersystem (8) als Erdwärmespeicher ausgeführt ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9 zur Durchführung eines
Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Leistung und/oder die Drehzahl der Pumpe (7) regelbar sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10 zur Durchführung eines
Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den
Kreislauf der Wärmeträgerflüssigkeit in der Reihenfolge des
Durchströmens der Verdampfer (15) der Wärmepumpe (9), das
Speichersystem (8) und der Solarkollektor (5) integriert sind.
12. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kreislauf der
Wärmeträgerflüssigkeit ein Luftverdampfer (15) einer Wärmepumpe (9)
und ein Solarkollektor (5) angeordnet sind und dass die Solarwärme die
Vereisung des Luftverdampfers (15) verhindert.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der
Luftverdampfer (15) einen Latentwärmespeicher (8) aufweist, welcher
durch die Solarwärme aufgeladen wird.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der
Latentwärmespeicher (8) ein Paraffinspeicher ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der
Arbeitspunkt des Paraffinspeichers derart mit dem der Wärmepumpe
abgestimmt ist, dass beim Betrieb der Wärmepumpe der optimale
Arbeitspunkt erreicht wird.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15 zur Durchführung eines
Verfahrens nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die Wärmepumpe (9) des Wärmeversorgungssystems sowohl
einen Luftverdampfer (15) als auch einen Soleverdampfer (15) an der
Wärmepumpe (9) aufweist.
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