DE10118572B4 - Heat supply system - Google Patents
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Abstract
Wärmeversorgungssystem zur Nutzung von Solarwärme für die Heizung von Gebäuden und die Brauchwassererwärmung mit einem Solarkollektor (5), einem Speichersystem (8) und einer Luft-Wasser-Wärmepumpe (9), dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeträgerflüssigkeitskreislauf durch den Solarkollektor (5), den Wärmeübertrager (1) für die Heizung und den Wärmeübertrager (2) für die Brauchwassererwärmung sowie durch den Verdampfer (15) der Wärmepumpe (9) und das Speichersystem (8) gebildet wird und dass ein weiterer Wärmeträgerflüssigkeitskreislauf vorgesehen ist, der durch den Kondensator der Wärmepumpe (9), den Wärmeübertrager (13) für die Heizung und den Wärmeübertrager (14) für die Brauchwassererwärmung gebildet wird und dass der Verdampfer (15) der Wärmepumpe (9) derart ausgebildet ist, dass er Wärme aus der Umgebungsluft und/oder aus dem Wärmeträgerflüssigkeitskreislauf des Speichersystems (8) und des Solarkollektors (5) aufnehmen kann.Heat supply system for the use of solar heat for the Heating of buildings and the domestic water heating with a solar collector (5), a storage system (8) and a Air Water heatpump (9), characterized in that a heat transfer fluid circuit through the Solar collector (5), the heat exchanger (1) for the heating and the heat exchanger (2) for the domestic water heating and by the evaporator (15) of the heat pump (9) and the storage system (8) is formed and that provided a further heat transfer fluid circuit is, through the condenser of the heat pump (9), the heat exchanger (13) for the heating and the heat exchanger (14) for the domestic water heating is formed and that the evaporator (15) of the heat pump (9) is formed is that he has heat from the ambient air and / or from the heat transfer fluid circuit of the storage system (8) and the solar collector (5) can accommodate.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmeversorgungssystem und auf ein Verfahren zum Einsatz von Solarenergie zur Verbesserung der Effizienz dieses Systems.The The invention relates to a heat supply system and to a method of using solar energy for improvement the efficiency of this system.
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.method of the type described above are used for the heating of buildings and the domestic water heating by efficient conversion of renewable energy from solar radiation and reducing or eliminating the use of fossil fuels.
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.Approximately One third of the primary energy used in Germany is in households for air conditioning, v.a. Heating, living rooms and hot water used. Fossil energy sources are used in the first place, their resources are limited and their costs continue to rise. In addition, the unbridled harbors Emission of carbon dioxide into the atmosphere so far incalculable Risks in itself.
Einen wichtigen Beitrag zu den notwendigen Einsparungen müssen dabei die nachweisbar hohen Einsparpotenziale im Bereich der privaten Haushalte im Wohnbereich leisten.a important contribution to the necessary savings must be made the demonstrably high savings potential in the private sector Households in the living area afford.
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.Of the Heating energy demand is still on average in the housing stock more than the target values. Not only with these values energy-ecological, but also to achieve economic efficiency, it is necessary, the investment costs of the plant and their own needs to reduce energy, but above all the use of the offered to improve renewable energy.
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.If heat is lower Temperature on, this can be common hardly be used, even if it is large amounts of heat is. With the use of heat pumps can raise the temperature using electric power and thus a use of heat allows become. With this method it is also possible to recover heat from natural sources, e.g. Fountain or to gain the soil and raise the temperature so that a use for space heating or hot water preparation is possible.
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.at Heat pumps it comes in certain operating conditions for icing of the evaporator. In an air evaporator, this is undesirable. Currently the icing is the air evaporator by discontinuous heating of the vulnerable areas, so additional Energy input, counteracted. This is the energy efficiency a heat pump system reduced.
Im Stand der Technik sind bereits vielfältige Lösungen bekannt, bei welchen Wärmequellen niedrigerer Temperatur zur Wärmeversorgung für Heiz- und Brauchwassererwärmung genutzt werden.in the The prior art, various solutions are already known, in which heat sources lower temperature for heat supply for heating and Water heating be used.
Aktuell
sind Vorrichtungen beispielsweise nach
Die Heizwärme wird dabei durch einen Solar-Luft-Kollektor gewonnen. Bei hoher Einstrahlung und ausreichender Temperatur wird die Solarwärme direkt zur Warmwasserbereitung verwendet.The heating is thereby obtained by a solar-air collector. At high Irradiation and sufficient temperature will direct the solar heat used for water heating.
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.Is missing the solar radiation, can deprive a geothermal heat storage become. Then first a temperature increase in the heat pump, which reduces the losses in heat recovery be compensated.
In
anderen bekannten Lösungen,
beispielsweise nach
Auch
ist gemäß
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.Farther are solutions known in which as a low-temperature reservoir either a ground collector or a solar heated buffer tank is used. A regulation decides which low-temperature reservoir is used by the heat pump.
Die
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.The described solutions is common, that in each case with high equipment use in each case only single aspects of the integration of heat sources of lower temperature in heat supply systems will be realized.
Aus
der
Der Nachteil einer solchen Anlage besteht in der unzureichenden Versorgungs- und Funktionssicherheit.Of the Disadvantage of such a system consists in the insufficient supply and reliability.
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.Of the Invention is based on the object, a method and an apparatus according to the preambles the independent one claims in such a way that solar energy, regardless of their power to Improving the efficiency of heat supply systems can be used. In particular, the efficiency of the heat supply system improved and the supply and reliability are increased.
Die Aufgabe der Erfindung wird die Merkmale des Patentanspruchs 1. The The object of the invention is the features of patent claim 1.
Diese Lösung der Aufgabe besteht in einem Wärmeversorgungssystem zur Nutzung von Solarwärme für die Heizung von Gebäuden und die Brauchwassererwärmung mit einem Solarkollektor, einem Speichersystem und einer Luft-Wasser-Wärmepumpe. Erfindungsgemäß wird ein Wärmeflüssigkeitskreislauf durch den Solarkollektor, den Wärmeübertrager für die Heizung und den Wärmeübertrager für die Brauchwassererwärmung sowie durch den Verdampfer der Wärmepumpe und das Speichersystem gebildet. Darüber hinaus ist ein weiterer Wärmeträgerflüssigkeitskreislauf vorgesehen, der durch den Kondensator der Wärmepumpe, den Wärmeübertrager für die Heizung und den Wärmeübertrager für die Brauchwassererwärmung gebildet wird. Des Weiteren ist der Verdampfer der Wärmepumpe derart ausgebildet, dass er Wärme aus der Umgebungsluft und/oder aus dem Wärmeträgerflüssigkeitskreislauf des Speichersystems und des Solarkollektors aufnehmen kann.These solution The task consists in a heat supply system for the use of solar heat for the Heating of buildings and the domestic water heating with a solar collector, a storage system and an air-to-water heat pump. According to the invention is a Heat liquid circuit through the solar collector, the heat exchanger for the Heating and the heat exchanger for domestic water heating as well through the evaporator of the heat pump and the storage system formed. In addition, another is Heat transfer fluid circuit provided by the condenser of the heat pump, the heat exchanger for the Heating and the heat exchanger formed for the domestic water heating becomes. Furthermore, the evaporator of the heat pump is designed such that he has heat from the ambient air and / or from the heat transfer fluid circuit of the storage system and the solar collector can accommodate.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind als Speichersystem ein Erdkollektor oder ein Latentwärmespeicher als Speichersystem vorgesehen.In A particularly preferred embodiment of the invention are as Storage system a ground collector or a latent heat storage as a storage system intended.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dienen beide gemeinsam, d. h. sowohl ein Erdkollektor als auch ein Latentwärmespeicher, als Speichersystem.In serve a further advantageous embodiment of the invention both together, d. H. both a ground collector and a latent heat storage, as Storage system.
Vorzugsweise ist der Latentwärmespeicher in den Luftverdampfer integriert und thermisch mit der Verdampferoberfläche gekoppelt. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Latentwärmespeicher mit Paraffin als Speichermedium ausgeführt.Preferably is the latent heat storage in integrated the air evaporator and thermally coupled to the evaporator surface. In a further embodiment of the invention, the latent heat storage executed with paraffin as storage medium.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Heizung und zum Betrieb eines Wassererwärmungssystems 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.A method according to the invention for heating and operating a water heating system with a storage system and a heat pump, which can be connected to a solar collector and the heat sinks (consumers) via valve units, is such that the solar collector is exposed to high solar radiation (approximately 400 ... 800 W / m 2 ) directly to the heating and operation of a water heating system is used. If there is no decrease in the available heat by the consumers, it is fed to a storage system. At medium intensity, the solar heat serves to raise the source temperature of the heat pump. If the heat pump has an air evaporator, the evaporator is defrosted by means of a solar system charged with heat with low radiation intensity (about 200 ... 400 W / m 2 ). This is preferably realized by means of a latent memory.
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.
- • The use of solar energy with high radiation intensity directly to the heating and dhw production and thus savings in the use of other energy sources.
- • The use of solar energy at low levels of radiation to increase the source temperature and increase the efficiency of the heat pump of the heat supply system. Increasing the efficiency of a solar collector and possibility of generating energy with low radiation intensity.
- • The use of solar energy at low levels of radiation to defrost the air evaporator and thus increase the efficiency of the heat pump with air evaporator.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen.The Invention will now be described by way of embodiments with reference to the drawings described by way of example. Show it.
In
Die
einstrahlende Solarenergie erwärmt
die Wärmeträgerflüssigkeit
im Solarkollektor
Bei
geringer Solarstrahlung wird die wenig erwärmte Wärmeträgerflüssigkeit über die Wärmepumpe
Ist
der Verdampfer
Fehlt
die Solarstrahlung, wird der Solarkollektor nicht durchflossen.
Die Pumpe
Das
Speichersystem
Der
Latentspeicher ist weiterhin durch Abstimmung der Latenteigenschaften
in der Lage, das Abtauen eines Luftverdampfers
Das Latentmaterial ist nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel Paraffin.The Latent material is paraffin according to a preferred embodiment.
In
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 mit weiterer 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.These Operating mode is possible there from solar collectors usually the heat transfer fluid with high solar radiation with over 70 ° C emerges. In order to is a sufficiently high flow temperature for the applications mentioned reached. On the application of procedures with further increase in temperature the heat transfer fluid can therefore be dispensed with and the heat pump remains out of service. However, it can be put into operation at any time if required.
Ist
es erforderlich, die Austrittstemperatur der Wärmeträgerflüssigkeit zu regeln, ist eine
regelbare Pumpe
Die
Pumpe
Soll
das Speichersystem
Mit der Speicherung der Solarwärme im Boden können nachteilige Auswirkungen des Wärmeentzugs durch Wärmepumpen z.B. auf die Vegetation ausgeglichen werden.With the storage of solar heat in the ground can adverse effects of heat extraction through heat pumps e.g. to be balanced on the vegetation.
Weitere
Varianten des Speichersystems
In
Der
Verdampferkreislauf bewegt eine ausreichend große Menge Wärme niedriger Temperatur, die
aus dem Solarkollektor
Sollen
sowohl das Speichersystem
Ist
der Solarkollektor
Sinnvolle
Weiterbildungen des Kondensatorkreislaufes mit Pumpe
Die
Darstellung in
Beim
Betrieb eines Luftverdampfers wird die Umgebungsluft mit Hilfe eines
Ventilators über
den Wärmeübertrager
des Verdampfers
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
nutzt zum Abtauen eines in der Wärmepumpe
Ist
Solarwärme
in ausreichendem Umfang durch Solareinstrahlung vorhanden, wird
die Solarwärme über den
Verdampfer
Neben der Sicherung der Funktion des Luftverdampfers erfolgt beim Abtauen zugleich eine Erhöhung der Quellentemperatur am Verdampfer. Damit erhöht sich der Wirkungsgrad der Wärmepumpe.Next the backup of the function of the air evaporator takes place during defrosting at the same time an increase the source temperature at the evaporator. This increases the efficiency of the Heat pump.
In
Im
Verdampferkreislauf durchströmt
die Wärmeträgerflüssigkeit
den Solarkollektor
Eine
Nutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
im Betriebsfall nach
Der
Verdampferkreislauf umfasst neben dem Verdampfer der Wärmepumpe
Weitere
Varianten des Speichersystems
Die
Wärme,
die aus dem Speichersystem mittels der Wärmeträgerflüssigkeit entnommen wird, dient
als Wärmquelle
der Wärmepumpe
Vorteilhaft
lässt sich
ebenso ein Wärmeversorgungssystem
ausführen,
welche sowohl einen Luftverdampfer
- 11
- Wärmeübertrager für Heizung im Solarkollektor-NerdampferkreislaufHeat exchanger for heating in the solar collector Nerdampferkreislauf
- 22
- Wärmeübertrager für Wassererwärmungssystem imHeat exchanger for water heating system in the
- Solarkollektor-NerdampferkreislaufSolar collector Nerdampferkreislauf
- 33
- Absperrorgan, Dreiwegeventil im Solarkollektor-/Verdampferkreislaufshut-off, Three-way valve in the solar collector / evaporator circuit
- 44
- Absperrorgan, Dreiwegeventil im Solarkollektor-/Verdampferkreislaufshut-off, Three-way valve in the solar collector / evaporator circuit
- 55
- Solarkollektorsolar collector
- 66
- Absperrorgan, Dreiwegeventil im Solarkollektor-/Verdampferkreislaufshut-off, Three-way valve in the solar collector / evaporator circuit
- 77
- Pumpe im Solarkollektor-/Verdampferkreislaufpump in the solar collector / evaporator circuit
- 88th
- Speichersystemstorage system
- 99
- Wärmepumpeheat pump
- 1010
- Rückschlagventilcheck valve
- 1111
- Pumpe im Kondensatorkreislaufpump in the condenser circuit
- 1212
- Dreiwegeventil im KondensatorkreislaufThree-way valve in the condenser circuit
- 1313
- Wärmeübertrager für Heizung im KondensatorkreislaufHeat exchanger for heating in the condenser circuit
- 1414
- Wärmeübertrager für Wassererwärmungssystem imHeat exchanger for water heating system in the
- KondensatorkreislaufCondenser circuit
- 1515
- Verdampfer/Luftverdampfer der WärmepumpeEvaporator / air evaporator the heat pump
- 1616
- WärmeträgerkreislaufHeat transfer circuit
- 1717
- Kältemittelkreislauf der WärmepumpeRefrigerant circulation the heat pump
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