DE102004045360A1

DE102004045360A1 - Verfahren und Heizungsanlage zur Beheizung von Räumen

Info

Publication number: DE102004045360A1
Application number: DE102004045360A
Authority: DE
Inventors: Kai Dr. Schiefelbein; Willi Kirchensteiner
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2004-09-18
Filing date: 2004-09-18
Publication date: 2006-04-06

Abstract

Mittels einem Verfahren zur Beheizung von Räumen wird die Abluft eines Raumes einer Wärmepumpe (2) zugeführt und dort die Abwärme der Abluft entzogen. Die entzogene Wärmemenge wird entweder dem gleichen Raum wieder zugeführt, einem anderen Raum oder zentralen Vorlauf- und/oder Rücklaufleitungen zugeführt. Die Belüftung des Raumes erfolgt über Fenster oder Zuluftventile. Durch das Verfahren wird Abwärme eines Raumes entweder dem Raum selbst wieder zugeführt oder direkt oder indirekt über ein Verteilsystem anderen Räumen angeboten. Das Verfahren bezieht sich insbesondere auf stark frequentierte Räume, wie Klassenräume von Schulen. Es erfolgt eine kontrollierte Lüftung und Nutzung der Abwärme.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beheizung von Räumen, insbesondere Klassenräumen von Schulen, die von einer zentralen Stelle mit Energie versorgt werden oder die wärmetechnisch mit anderen Räumen in Verbindung stehen.
Als Anwendungsbeispiel wird ein Klassenraum einer Schule beschrieben. Klassenräume in Schulen werden heute im allgemeinen nur über Fenster gelüftet. Die Beheizung erfolgt mittels eines gebäudezentralen Wärmeerzeugers und Radiatoren in den einzelnen Klassenräumen. Die Radiatoren sind bei den besseren Anlagen mit Thermostatventilen ausgestattet.

Die Lüftung über die Fenster ist für Klassenräume während der Unterrichtszeiten eine sehr schlechte Lösung. Ein Klassenraum mit einer Fläche von lediglich 100 m² benötigt bei einer Belegung mit 25 Schülern einen Frischluftvolumenstrom von etwa 750 m³/h (30 m³/h·Person). Eine solche Belüftung ist über die Fenster praktisch nicht realisierbar. Hinzu kommt, dass die Fenster während der Unterrichtsstunden meistens geschlossen sind, um den Straßenlärm aus dem Klassenraum fernzuhalten. Gelüftet wird dann mittels Stoßlüftung in den Pausen.

Die Heizung mit zentralen Wärmeerzeugern wird den Anforderungen in Schulen häufig auch nicht gerecht. Klassenräume auf der Gebäude-Südseite sind gerade in der Übergangszeit häufig überheizt, während es auf der Nordseite empfindlich kühl sein kann. Die Stellung der Thermostatventile in den einzelnen Klassenräumen ist naturgemäß eher Zufall. Noch schlechter ist die Situation, wenn Klassenräume am Abend, z. B. von der Volkshochschule, genutzt werden. Entweder wird dann wegen der Nutzung eines Klassenraumes für die ganze Schule der Absenkbetrieb verschoben oder die Schüler frieren, weil der Absenkbetrieb ohne Berücksichtigung der tatsächlichen Belegung erfolgt.

Bei fast allen größeren Gebäuden mit mehreren Räumen, wie z.B. Schulgebäuden, die intensiv genutzt werden, besteht eine mit bisheriger Technik kaum beherrschbare Konfliktsituation zwischen dem zentralen Heizwärmeangebot und dem stark schwankenden Wärmebedarf zwischen den nördlichen und südlichen Klassenräumen. Während die südlichen Zimmer bei Überheizung oft mit Dauerlüftung geregelt werden wird in den Nordräumen über mangelnde Temperierung geklagt. Eine Anhebung der gesamten Vorlauftemperatur verstärkt bei gleichzeitiger Sonneneinstrahlung den Dauerlüftungsverlust in den Südräumen. Der hydraulische Abgleich der Gesamtanlage wird mit Thermostatventilen kaum mehr erfüllbar. Zusätzlich beobachtet man hier oft gekippte Fenster über Nacht mit verstärkter Auskühlung der Räume und massiver Steigerung der Energiekosten!

Aus der DE 197 02 903 C2 ist eine Klimaanlage für mehrere Räume mit einem eine Wärmepumpe umfassenden Zentralgerät bekannt. Einem vorzugsweise umschaltbaren Kältemittelkreis der Wärmepumpe ist Abluft aus Räumen und/oder Außenluft zuführbar, und ein Hauptwärmetauscher zur Beheizung von in den Räumen angeschlossenen Konvektoren in einem ersten Heizkreis mit einer ersten Umwälzpumpe ist vorhanden.

Eine Methode zum Betreiben einer Wärmepumpe ist aus der WO 2003/038353 A1 bekannt. Abluft wird dabei über einen Verdampfer einer Wärmepumpe gezogen. Im Kondensator erfolgt eine Wärmeabgabe an zirkulierendes Wasser.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Abwärme von Abluft aus Räumen möglichst effizient zu nutzen und einer Beheizung zuzuführen.

Gelöst ist die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs 1 oder des nebengeordneten Anspruchs 8. Heizmedium wird dazu vorzugsweise aus einem Zentralrücklauf entnommen und der Wärmepumpe zugeführt. Die Erwärmung des Heizmediums erfolgt in der Wärmepumpe, wobei die Wärmepumpe der Abluft des Raumes Energie entzieht und diese auf das Heizmedium überträgt. Das in der Wärmepumpe erwärmte Heizmedium wird entweder dem Zentralrücklauf, dem Raumvorlauf und/oder einem Zentralvorlauf zugeführt. Dies erfolgt vorzugsweise durch einen Vergleich der Zentralvorlauf-Temperatur (T_ZV) mit der Wärmepumpen-Temperatur (T_WP), also der Temperatur, die das Heizmedium annimmt, wenn es durch die Wärmepumpe erwärmt ist. Das aus der Wärmepumpe austretende Heizmedium wird in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Zentralvorlaufs und der Temperatur der Wärmepumpe dann verteilt.

Liegt T_WP über T_ZV, erfolgt eine Zumischung des in der Wärmepumpe erwärmten Heizmediums in den Zentralvorlauf ZV oder den Raumvorlauf RV. Je größer T_WP im Vergleich zu T_ZV ist, um so größer ist die Zumischung zu ZV und RV. Vorteilhaft ist es, mit steigendem Temperaturunterschied auch die Massenströme zu erhöhen. Liegt T_WP unterhalb von T_ZV, wird das erwärmte Heizmedium dem Zentralrücklauf oder dem Raumrücklauf zugeführt. Auch hier ist es vorteilhaft, den Massenanteil der Zumischung zu erhöhen, je kleiner T_WP gegenüber T_ZV wird. Vorteilhaft ist auch die Abschaltung oder Leistungsreduzierung der Wärmepumpe, wenn dem Abluftstrom nicht ausreichend Energie entzogen werden kann, um eine effiziente Temperatursteigerung wenigstens des rücklaufenden Heizmediums zu erreichen.

Die Heizungsanlage besteht mindestens aus einem Zentralvorlauf ZV und einem Zentralrücklauf ZR, an die die Wärmeteiler von Räumen angeschlossen sind. Das Heizmedium wird den Räumen entweder direkt vom Zentralvorlauf zugeführt oder zunächst über eine Wärmepumpe geleitet und im Verflüssiger der Wärmepumpe erwärmt. Die Wärmepumpe ist dann ausgangsseitig mit dem Zentralrücklauf, dem Zentralvorlauf oder dem Raumvorlauf verbunden. Über Steuerventile oder Pumpen wird die Massenstromverteilung von der Wärmepumpe entweder zum Zentralvorlauf, zum Zentralrücklauf und/oder Raumvorlauf gesteuert.

Die Wärmepumpe entzieht über den Verdampfer die Abwärme mindestens aus einem Raum. Vorteilhaft ist dabei, die Abluft des Raumes direkt über den Verdampfer und dann nach außen zu leiten.

Die Klassenräume sind dazu weiterhin mit einer Abluftanlage ausgerüstet, die die Energie der Abluft mittels einer Wärmepumpe auf Heizungswasser überträgt. Die Nachströmung der Zuluft erfolgt über dezentrale Zuluftventile in der Außenwand. In einer vorteilhaften Weise wird die Zuluft über einen Filter und direkt über die Heizkörper in den Raum gesaugt, womit eine saubere und vorerwärmte Luft in den Raum eintritt. Somit sind Kaltluftströme insbesondere bei hohem Luftvolumen vermieden.

Durch die mechanische Lüftung können beliebige Luftvolumenströme realisiert werden. So ist es möglich, den Klassenraum während der Unterrichtszeiten mit 750 m³/h zu lüften und außerhalb der Unterrichtszeiten eine Grundlüftung, z.B. mit 150 m³/h, zu realisieren. Durch die Verwendung von Zuluftventilen mit Schalldämpfern kann der Straßenlärm zuverlässig aus dem Klassenraum herausgehalten werden.

Der Aufbau des Heizkreises erfolgt dergestalt, dass parallel zu den Vorlauf- und Rücklaufleitungen der Schule separate Vorlauf- und Rücklaufschienen für die Radiatoren des Klassenraums installiert werden. Die Wärmepumpe erwärmt Wasser aus dem Zentralrücklauf und speist dieses in den Raumvorlauf ein. Ein Mischer ermöglicht das Anheben der Vorlauftemperatur durch Beimischen von Wasser aus dem Zentralvorlauf. Ein weiterer Mischer ermöglicht das Einspeisen eines Teils des Wassers aus dem WP-Vorlauf in den Zentralrücklauf. Der Raumrücklauf wird dem Zentralrücklauf zugeführt.

Die dezentrale Wärmeerzeugung ermöglicht die separate Beheizung nur eines Klassenraums, z. B. bei Abendveranstaltungen. Bei sehr tiefen Außentemperaturen kann die Abluftwärmepumpe über die beschriebene Mischerschaltung vom zentralen Wärmeerzeuger der Schule unterstützt werden.

Ist die Wärmeabnahme des Klassenraums in Übergangszeiten kleiner als die Heizleistung der Abluftwärmepumpe, so kann über den zweiten Mischer die erzeugte Wärme in den zentralen Heizkreis der Schule eingespeist werden. So kann zum Beispiel auf der Südseite des Gebäudes gewonnene Wärme auf der Nordseite genutzt werden.

Ein Ausführungsbeispiel ist im folgenden beschrieben. Die Figur zeigt schematisch einen Klassenraum mit dezentraler Wärmepumpe, angeschlossen an ein Heizsystem.
Ein Raum 1 befindet sich in einem Gebäude mit mehreren Räumen. Im Raum 1 oder in einem Nebenraum befindet sich eine Wärmepumpe 2. Diese ist an den Zentralrücklauf ZR und den Zentralvorlauf ZV angeschlossen. Die Wärmepumpe 2 ist mit einem Raumvorlauf RV verbunden. Im Raum 1 befinden sich Wärmeverteiler 3, z.B. Radiatoren. Die Abluft des Raumes 1 wird über Abluftleitungen 4 über die Wärmepumpe 2 nach außen gefördert. Die Abluft wird dabei über den Verdampfer 5 der Wärmepumpe 2 gezogen und der Abluft dort Wärme entnommen. Der Raum 1 wird über Zuluftventile 6 mit frischer Luft versorgt. Alternativ dazu ist auch eine Belüftung über das Fenster 7 möglich.
Über den Kältemittelkreislauf 8 wird die der Abluft entzogene Wärmeenergie auf den Verflüssiger 9 übertragen und an das dem Zentralrücklauf ZR entnommene Heizmedium übertragen.
Im Ausführungsbeispiel erfolgt die Verteilung des im Verflüssiger 9 der Wärmepumpe 2 erwärmten Heizmediums durch Dreiwegeventile 10a und 10b, die von einer Steuerung 11 betrieben werden. Die Steuerung 11 ist in vorteilhafter Weise Bestandteil der Wärmepumpe 2 und steuert diese sowie einen Abluftventilator 12.
Im Ausführungsbeispiel sind an die Steuerung 11 ein Temperatursensor T_ZR für die Temperatur des Zentralrücklaufs, ein Temperatursensor T_ZV für die Temperatur des Zentralvorlaufs, ein Temperatursensor T_WP für die Wärmepumpentemperatur und ein Temperatursensor T_RV für die Temperatur des Raumvorlaufs angeschlossen. Die Ansteuerung der Dreiwegeventile 10a, 10b erfolgt in der beschriebenen Abhängigkeit zwischen den Temperaturen. Der Temperaturwert des in der Nähe des Ausgangs 13 befindlichen Temperatursensors T_WP gemessene Temperaturwert wird mit dem Temperaturwert des Temperatursensors T_ZV in der Steuerung verglichen und abhängig davon die Massenströme über die Dreiwegeventile 10a, 10b eingestellt. Im Ausführungsbeispiel ist auch vorteilhaft gezeigt, dass die Steuerung 11 mit einem Raumtemperaturfühler verbunden ist und somit die Energiezufuhr zu den Wärmeverteilern 3 steuert. Ein Raumtemperaturfühler 14 ist in vorteilhafter Weise ebenfalls an die Steuerung 11 angeschlossen und beeinflußt die Zumischung von Heizmedium zum Wärmeverteiler 3.
Das Heizmedium, das aus dem Verflüssiger 9 der Wärmepumpe 2 austritt, wird in den Strang 15 zum Zentralrücklauf oder zum nächsten Dreiwegeventil 10b geleitet. Dort wird das Heizmedium über den Strang 16 entweder in den Zentralvorlauf oder über den Strang 17 zum Wärmeverteilsystem des Raumes 1 geleitet.

Claims

Verfahren zur Beheizung von Räumen, insbesondere Klassenräume von Schulen, die von einer zentralen Stelle mit Energie versorgt werden oder die wärmetechnisch mit anderen Räumen in Verbindung stehen, enthaltend die Verfahrensschritte: a) Entnahme von Heizmedium aus dem Raumrücklauf (RR) oder dem Zentralrücklauf (ZR), b) Zuführung des entnommenen Heizmediums zu einer Wärmepumpe (2), c) Erwärmung des Heizmediums mit der Wärmepumpe (2), d) Zuführung des erwärmten Heizmediums in den Zentralrücklauf (ZR) und/oder den Raumvorlauf (RV) und/oder einen Zentralvorlauf (ZV).
Verfahren nach Anspruch 1, enthaltend die Verfahrensschritte: a) Vergleich der Zentralvorlauftemperatur (T_ZV) mit der Temperatur (T_WP) des in der Wärmepumpe (2) erwärmten Heizmediums, b) Zumischung von in der Wärmepumpe erwärmtem Heizmedium in den Zentralvorlauf (ZV) oder zum aus dem vom Zentralvorlauf (ZV) durch einen Raumvorlauf (RV) in den Raum kommenden Heizmedium in Abhängigkeit des Vergleichs der Zentralvorlauftemperatur (T_ZV) mit der Temperatur (T_WP) des in der Wärmepumpe (2) erwärmten Heizmediums.
Verfahren nach Anspruch 2, enthaltend den Verfahrensschritt: a) Beginn einer Zumischung, wenn die Temperatur (T_WP) größer oder gleich (T_ZV) ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend den Verfahrensschritt: a) Erhöhung des Zulaufanteils des in der Wärmepumpe (2) erwärmten Heizmediums an den Zentralvorlauf (ZV) und/oder den Raumzulauf (RV), je größer die Temperatur (T_WP) gegenüber der Zentralvorlauftemperatur (T_ZV) ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend die Verfahrensschritte: a) Vergleich der Zentralvorlauftemperatur T_ZV mit der Temperatur T_WP des in der Wärmepumpe (2) erwärmten Heizmediums, b) Zumischung von in der Wärmepumpe (2) erwärmtem Heizmedium in den Zentralrücklauf (ZR) oder einen Raumrücklauf (RR) in Abhängigkeit des Vergleichs der Zentralvorlauftemperatur (T_ZV) mit der Temperatur (T_WP) des in der Wärmepumpe (2) erwärmten Heizmediums.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend den Verfahrensschritt: a) Beginn einer Zumischung, wenn die Temperatur (T_WP) kleiner oder gleich (T_ZV) ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend den Verfahrensschritt: a) Erhöhung des Zulaufanteils des in der Wärmepumpe (2) erwärmten Heizmediums an den Zentralrücklauf (ZR) und/oder den Raumrücklauf (RR), je kleiner die Temperatur (T_WP) gegenüber der Zentralvorlauftemperatur (T_ZV) ist.
Heizungsanlage zur Beheizung mehrerer Räume, insbesondere Klassenräume von Schulen, mit einem Zentralvorlauf (ZV) und einem Zentralrücklauf (ZR), durch die die Wärmeverteiler mindestens zweier Räume miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmepumpe (2) eingangsseitig einen Anschluss an den Zentralrücklauf (ZR) oder den Raumrücklauf (RR) aufweist und ausgangsseitig in Strömungsrichtung hinter dem Anschluss mit dem Zentralrücklauf verbunden ist, wodurch in der Wärmepumpe (2) erwärmtes Heizmedium dem Zentralrücklauf (ZR) oder dem Raumvorlauf (RV) hinter dem Anschluss wieder zugeführt wird.
Heizungsanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralvorlauf (ZV) mit dem Ausgang der Wärmepumpe (2) verbunden ist.
Heizungsanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 8 und/oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Raumvorlauf (RV) mit dem Ausgang der Wärmepumpe (2) verbunden ist.
Heizungsanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (2) dem Raum Abwärme entzieht und der Heizungsanlage zuführt.
Heizungsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (2) mit Abluftleitungen (4) des Raumes verbunden ist und mindestens ein Teil der Abluft über den Verdampfer (5) der Wärmepumpe (2) geleitet ist.
Heizungsanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (2) mit dem Zentralvorlauf (ZV) über ein Ventil verbunden ist, über das der Rückfluss des Heizmediums aus der Wärmepumpe (2) eingestellt wird.
Heizungsanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil ein Dreiwegeventil (10a) ist und ein Strang (15) zum Zentralrücklauf (ZR) und ein Strang (16) zum Zentralvorlauf (ZV) oder zum Wärmeverteiler (3) des Raumes führt.
Heizungsanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät (11) mindestens die Verteilung des aus der Wärmepumpe (2) kommenden Heizmediums einstellt.
Heizungsanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (11) mit mindestens einem Temperaturfühler für die Zentralvorlauftemperatur (T_ZV) und einem Temperaturfühler für die Wärmepumpentemperatur (T_WP) verbunden ist und die Verteilung des Heizmediums in Abhängigkeit von den gemessenen Temperaturen erfolgt.