DE102008002856A1

DE102008002856A1 - Haustechnisches Heizsystem für ein hoch gedämmtes Gebäude und Verfahren zur Versorgung eines hoch gedämmten Gebäudes mit Heizenergie

Info

Publication number: DE102008002856A1
Application number: DE102008002856A
Authority: DE
Inventors: Robert Laur
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2008-05-16
Publication date: 2009-11-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein haustechnisches Heizsystem für ein hoch gedämmtes Gebäude sowie ein Verfahren zur Versorgung des hoch gedämmten Gebäudes mit Heizenergie. Über einen Energiekollektor bereitgestellte Energie wird in Überschusszeiten im als Speichermedium eines Saisonzwischenspeichers dienenden Erdreich unter dem Gebäude zwischengespeichert. In Bedarfszeiten wird die gespeicherte Wärme dem Erdreich wieder entzogen, einem Heizkreis zugeführt und als Heizenergie verwendet. Bei bekannten Sy eines Saisonzwischenspeichers zu Heizzwecken entzogene Wärme auf ein höheres Temperaturniveau anzuheben, um die im Heizkreis benötigten Vorlauftemperaturen zu erreichen. Dies geschieht in der Regel durch den unterstützenden Einsatz von Primärenergieträgern. Um den Einsatz von Primärenergieträgern weiter zu minimieren, sieht die Erfindung vor, die dem Speichermedium entzogene Wärme dem Heizkreis unmittelbar zuzuführen, so dass auf ein Anheben des Temperaturniveaus durch den unerwünschten Einsatz von Primärenergieträgern verzichtet werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein haustechnisches Heizsystem für ein hoch gedämmtes Gebäude gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Versorgung eines hoch gedämmten Gebäudes mit Heizenergie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Entsprechende Haussysteme oder Verfahren sind dem Fachmann bekannt. Das Prinzip beruht darauf, dass der Heizenergiebedarf eines Gebäudes saisonabhängig schwankt und die von einem Energiekollektor bereitgestellte, ebenfalls saisonabhängig schwankende Energiemenge regelmäßig nicht mit dem akuten Heizenergiebedarf übereinstimmt. So liegt insbesondere im Sommer aufgrund ausgedehnter Sonnenzeiten die Energiemenge, die zum Beispiel von einer Solaranlage bereitgestellt werden kann, in aller Regel deutlich über dem akuten Heizenergiebedarf, der aufgrund der verhältnismäßig hohen Außentemperatur in dieser Jahreszeit niedrig bis nicht vorhanden ist. In der Folge stellt der Energiekollektor in diesen Überschusszeiten einen nicht unerheblichen Energieüberschuss bereit. In den Wintermonaten kehrt sich das Verhältnis um, denn hier liefert ein Energiekollektor wegen der geringen Sonnenzeiten und kürzeren Tage deutlich weniger Energie, während umgekehrt der Heizenergiebedarf wegen der kälteren Außentemperaturen gegenüber dem Sommer deutlich ansteigt. Die vom Energiekollektor bereitgestellte Energie ist in aller Regel nicht in der Lage, den akuten Heizenergiebedarf in den Wintermonaten vollständig zu decken. Üblicher Weise muss in diesen Bedarfszeiten durch klassische, aktive Wärmeerzeuger unter Verwendung von Primärenergieträgern (Öl- oder Gasheizung, Pelletofen, Wärmepumpe oder Ähnliches) zugeheizt werden.
Um ein aktives Zuheizen weitgehend vermeiden zu können, werden Saisonwärmespeicher eingesetzt. Ein produzierter Energieüberschuss wird diesen Saisonwärmespeichern zugeführt und in einem darin vorhandenen Speichermedium „zwischengelagert”. Reicht dann zu einem anderen Zeitpunkt des Jahres die vom Energiekollektor bereitgestellte Energiemenge nicht mehr aus, den akuten Heizenergiebedarf zu decken, wird der Saisonwärmespeicher mittels einer Wärmeentnahmeeinrichtung „angezapft”. Ihm wird also im Speichermedium zwischengespeicherte Wärme entzogen, die dann zum Heizen oder zur Erwärmung des Brauchwassers eingesetzt wird. Dabei durch strömt ein Wärmeübertragungsmedium das Speichermedium, nimmt zwischengespeicherte Wärme auf und transportiert sie ab.
Nach dem Stand der Technik muss die Wärmeenergie, die dem als Speichermedium dienenden Erdreich mittels des Wärmeübertragungsmediums zur weiteren Verwendung im Haussystem entzogen wird, allerdings „aufbereitet” werden. Dies bedeutet, dass, bevor die Wärmeenergie dem Heizkreis zugeführt wird, diese auf ein höheres Temperaturniveau angehoben wird. Zum Einsatz kommen insbesondere Wärmepumpen, die als Wärmeübertragungsmedium ein Kältemittel einsetzen und über die Verdichtung des Kältemittels diesem die Wärmeenergie entziehen. Die Wärme wird also auf ein höheres Temperaturniveau verdichtet und erst dann über einen Wärmetauscher an das Heizmedium und damit an den Heizkreis abgeben.
Nachteilig an dem vorstehend beschriebenen Verfahren ist, dass durch den Einsatz von Wärmepumpen letztlich keine entscheidende Einsparung an Primärenergie erreicht werden kann. Die Kosten für die der Wärmepumpe zuzuführende Primärenergie in Form von Strom verringert die angestrebte Energieersparnis beträchtlich und steht letztlich dem Ziel, von extern produzierter Primärenergie bzw. von Primärenergieträgern vollständig unabhängig zu sein, im Wege. Außerdem muss für die benötigte Restwärme nach wie vor ein separates Heizsystem installiert werden, was nicht zuletzt Kosten für Anschaffung, Installation und Wartung mit sich bringt.
Bei Häusern nach dem Passivhausstandard besteht zudem das Problem, dass hierbei, bedingt durch die Zielsetzung, auf Heizflächen gänzlich zu verzichten und die Restwärme ausschließlich über die Belüftung und unter Ausnutzung der Abwärme von Verbrauchern im Gebäude einzubringen, für die Heizkreise verhältnismäßig hohe Vorlauftemperaturen erforderlich sind. Die häufig eingesetzten Abluftwärmepumpen erzielen dabei aufgrund der notwendigen Vorlauftemperaturen nur schlechte Arbeitszahlen. Bevorzugt wird daher die Verbrennung von Energieträgern, die aber ebenso wie die primärenergetisch wenig sinnvolle Stromnutzung zu einer Abhängigkeit von Primärenergie führt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die bekannten Haussysteme zur Beheizung eines hoch gedämmten Gebäudes und die bekannten Verfahren zur Beheizung eines hoch gedämmten Gebäudes dahingehend weiterzuentwickeln, dass die notwendige Restwärmezufuhr durch Primärenergieträger weiter verringert ist und auf zusätzliche Hilfsmittel zur Anhebung des Temperaturniveaus der dem Speichermedium des Saisonwärmespeichers entzogenen Wärme vollständig verzichtet werden kann.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass die dem Speichermedium durch das Wärmeübertragungsmedium entzogene Wärme dem Heizkreis unmittelbar zugeführt wird.
Dass die dem Speichermedium durch das Wärmeübertragungsmedium entzogene Wärme dem Heizkreis unmittelbar zugeführt wird, bedeutet im Sinne der Erfindung, dass die Wärme, die das Wärmeübertragungsmedium dem Speichermedium entzogen hat und die es transportiert, ohne jegliche weitere Aufbereitung, insbesondere also ohne eine nachträgliche Anhebung des Temperaturniveaus, unmittelbar an den Heizkreis abgegeben bzw. in diesen integriert wird. Auf eine Wärmepumpe oder ähnliche Maßnahmen zur Anhebung des Temperaturniveaus des Wärmeübertragungsmediums wird gänzlich verzichtet.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass bei einer präzisen und gezielten Auslegung aller Komponenten des haustechnischen Systems die erforderliche Vorlauftemperatur des Heizkreises derart weit herabgesetzt werden kann, dass die Wärmeenergie, die dem Wärmeübertragungsmedium über das Speichermedium zugeführt wird, trotz des Verzichts auf eine Anhebung des Temperaturniveaus durch zusätzliche, Primärenergieträger benötigende Hilfsmittel, ein Temperaturniveau des Wärmeübertragungsmediums gewährleisten kann, das ausreicht, die für den Heizkreis erforderliche Vorlauftemperatur bereit zu stellen. Somit kann bis auf einige wenige, technisch erforderliche Hilfsmittel, die lediglich eine vernachlässigbare Menge an Hilfsenergie erfordern (insbesondere Hilfsstrom für Pumpen, Steuerventile und Regelungen), auf den Einsatz zusätzlicher Primärenergieträger oder Strom für Wärmepumpen verzichtet werden.
Durch eine großzügige Dimensionierung des Energiekollektors wird sichergestellt, dass dieser in der Lage ist, in den Überschusszeiten einen Energieüberschuss zu liefern, der unter Berücksichtigung der zu erwartenden Wärmeverluste während des Zwischenspeicherungszeitraums ausreicht, den Restwärmebedarf in den Bedarfszeiten zu decken.
Auch ein gezieltes Herabsetzen der erforderlichen Vorlauftemperaturen des Heizkreises trägt dazu bei, dass das unmittelbare Zuführen der mittels des Wärmeübertragungsmediums transportierten Wärme in den Heizkreis ausreichend ist, den Restwärmebedarf in Bedarfszeiten zu decken. Ein solches Herabsetzen der Vorlauftemperaturen kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass vornehmlich oder ausschließlich großzügig dimensionierte Flächenheizungen vorgesehen werden. Hierbei handelt es sich bevorzugt um Fußboden-, Decken- oder Wandheizungen. Damit setzt sich die Erfindung zu dem eigentlichen Ziel des Passivhauskonzepts, dass einen vollständigen Verzicht auf Heizflächen zum Gegenstand hat und den Restwärmebedarf ausschließlich durch eine gezielt gesteuerte Belüftung unter Ausnutzung der durch Verbraucher erzeugten passiven Wärmeenergie decken will, bewusst in einen gewissen Widerspruch. Der Heizkreis weist bevorzugt eine Vielzahl von Einzelheizkreisen auf, mit denen bestimmte Zonen einen Raumes oder einzelne Räume individuell mit Wärme versorgt werden können.
Als Speichermedium wird mit dem Einsatz von Erdwärmespeichern unter anderem auch auf das Erdreich zurückgegriffen. In diesem Fall ist der Saisonwärmespeicher also kein Behälter mit definiertem, abgeschlossenem Volumen und optimiertem Wärmespeicherkennwerten sowie einem Speichermedium mit optimierten Wärmekapazitäten, sondern ein offenes System, dass die am Bauort des Gebäudes vorhandene Erdmasse als Speichermedium ausnutzt. Die auftretenden Wärmeverluste, die durch die nicht ideale Verwendung von Erdreich als Speichermedium entstehen, und das im Gegensatz zu optimierten Speichermedien verhältnismäßig geringe Speichervermögen pro Volumeneinheit werden bewusst in Kauf genommen.
Die Vorlauftemperaturen des Heizkreises bzw. Heizmediums, die bei hoch gedämmten Gebäuden mit Flächenheizungen notwendig sind, sind derart gering (Differenz zur Innenraumsolltemperatur 4–5°K), dass schon geringe Temperaturunterschiede zwischen Heizkreis bzw. Heizmedium und Gebäudeinnenraum für eine zufrieden stellende Beheizung ausreichend sind. Die Wärmemenge, die dem Erdreich zugeführt und über das Wärmeübertragungsmedium entzogen werden kann, reicht für den geringen Heizbedarf eines hoch gedämmten Hauses trotz allem aus.
Außerdem bietet das Erdreich selbst dann, wenn man sich auf unter dem Gebäude liegendes Erdreich als Speichermedium beschränkt, ein sehr großes Speichervolumen, das keinen zusätzlichen Bauraum erforderlich macht. Darüber hinaus ist es im Gegensatz zu speziell angefertigten Saisonwärmespeichern nahezu kostenlos.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass die Wärmeenergie von dem Wärmeübertragungsmedium auf den Heizkreis bzw. in das Heizmedium über einen Wärmetauscher übergeht. Bevorzugt wird das Wärmeübertragungsmedium allerdings direkt in den Heizkreis zur Anhebung der Vorlauftemperatur eingespeist. Heizkreis und Wärmespeicherkreis kommunizieren miteinander. In diesem Fall bilden Heizkreis und Wärmespeicherkreis, der durch das Speichermedium führt und mittels dem es dem Wärmeübertragungsmedium möglich ist, dass Speichermedium zu durchströmen, einen zusammenhängenden Wärmeaustauschkreis. Soll dem Heizkreis Wärme zugeführt werden, so wird so viel Wärmeübertragungsmedium in den Heizkreis eingespeist, dass hierin die benötigten Vorlauftemperaturen erreicht werden. Das in den Heizkreis eingespeiste Wärmeübertragungsmedium verdrängt ein entsprechendes Volumen des Heizmediums aus dem Heizkreis in den Wärmespeicherkreis. Beide Medien vermischen sich also stetig. Sinnvoller Weise sind Wärmeübertragungsmedium und Heizmedium also von identischer Beschaffenheit.
Es kann einerseits vorgesehen sein, dass Wärmespeicherkreis und Heizkreis derart miteinander verbunden sind, dass das durch den Heizkreis strömende Medium einen konstanten Volumen- bzw. Massenstrom aufweist. In diesem Fall wird die Vorlauftemperatur im Heizkreis über die Menge des in den Heizkreis eingespeisten Wärmeübertragungsmediums geregelt. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass Heizkreis und Wärmespeicherkreis derart zu einem zusammenhängenden Wärmeaustauschkreis verbunden sind, dass der gesamte Volumen- bzw. Massenstrom, der durch den Heizkreis strömt, auch durch den Wärmespeicherkreis geleitet wird. Der letztlich die Heizungen durchströmende Wärmestrom kann über das geförderte Medienvolumen eingeregelt werden. Kombinationen beider Varianten sind ebenfalls möglich.
In den Überschusszeiten kann die vom Energiekollektor bereitgestellte Energie auf beliebige Weise als Wärme in das Speichermedium eingebracht werden. Bevorzugt geht die Wärme aber außerhalb des Speichermediums bzw. außerhalb des Zwischenspeichers an das Wärmeübertragungsmedium im Wärmespeicherkreis oder im Wärmeaustauschkreis über. In den Überschusszeiten dient das Wärmeübertragungsmedium zum Übertragen der produzierten Überschusswärme des Energiekollektors in den Energiespeicher, während es in den Bedarfszeiten die in den Überschusszeiten zwischengespeicherte Wärme dem Speichermedium wieder entzieht und dem Heizkreis zuführt.
Sofern der Energiekollektor beispielsweise einen Sonnenkollektor oder ein vergleichbaren Energiekollektor, der die aufgenommene Energie unmittelbar an ein Übertragungsmedium überträgt, vorsieht, kann ein Kollektorkreis vorgesehen sein, den das Wärmeübertragungsmedium unmittel bar durchströmt. Der Kollektorkreis ist in diesem Fall in den Wärmeaustauschkreis integriert. Heizkreis, Wärmespeicherkreis und Kollektorkreis bilden somit einen zusammenhängenden Wärmeaustauschkreis, innerhalb dem die einzelnen Kreise über geeignete Regelungen und Steuereinrichtungen in funktionaler Weise miteinander zusammenwirken. Allerdings ist ebenso sinnvoll, dass der Kollektorkreis geschlossen ist und die vom Energiekollektor übertragene Wärme über einen Wärmetauscher an das Wärmeübertragungsmedium abgegeben wird. Das Übertragungsmedium, das den Kollektorkreis durchströmt, wird in der Regel für die Bedarfszeiten einen gewissen Anteil an Frostschutzmitteln enthalten müssen. Durch eine Zusammenlegung von Kollektor-, Heiz- und Wärmespeicherkreis würde sich dies zwangsläufig über alle Kreise verteilen, was nicht nur die Kosten für die Übertragungsmedien unnötig erhöhen würde, sondern außerdem deren Wärmeaufnahmekapazitäten der einzelnen Kreis unnötig herabsetzen würde.
Bevorzugt ist eine Vorrangschaltung vorgesehen, die die vom Energiekollektor erzeugte Energie zunächst vorrangigen Wärmeverbrauchern (insbesondere Brauchwasser) zuweist und erst dann, wenn deren Bedarf gedeckt ist, sie also gesättigt sind, dem Zwischenspeicher zuführt. Die Zwischenspeicherung im Erdreich ist also bevorzugt nachrangig.
Um die Effizienz des Saisonwärmespeichers zu verbessern, ist bevorzugt vorgesehen, dass dieser eine Mehrzahl von getrennten Wärmespeicher- bzw. Wärmeaustauschkreisen vorsieht, die individuell angesteuert werden können. Insbesondere kann eine erste, innere Speicherzone im Zentrum des Saisonwärmespeichers vorgesehen sein, die von einer zweiten, äußeren Speicherzone umgeben ist, die wiederum von einer weiteren, die zweite Speicherzone umschließenden dritten Speicherzone umgeben ist, und so weiter. Dies ermöglicht eine Minimierung der auftretenden Wärmeverluste sowie eine effizientere Wärmespeicherung in Überschusszeiten und eine effizientere Wärmeausnutzung in den Bedarfszeiten. Jede Speicherzone wird dabei von getrennt ansteuerbaren, unabhängigen Wärmespeicherkreisen bedient.
Bevorzugt wird dabei die innere, erste Speicherzone vorrangig zur Übertragung der Wärme an das Speichermedium genutzt. Erst wenn die Temperatur des Speichermediums derart angestiegen ist, das aufgrund eines zu geringen Temperaturgefälles zwischen Wärmeübertragungsmedium bzw. Wärmespeicherkreis und Speichermedium einer Speicherzone eine effiziente Wärmeabgabe nicht mehr möglich ist, wird die hierzu jeweils nächste, äußere Speicherzone hinzugenommen oder auf diese gewechselt. Hierdurch ergibt sich eine Temperaturverteilung im Speichermedium, die die Wärmeverluste nach außen weitestgehend minimiert, da die treibende Temperaturdifferenz zwischen der im äußeren Bereich des Speichermediums (äußerste Speicherzone) vorherrschenden Temperatur zu der Temperatur außerhalb der Systemgrenzen des Speichermedium gering gehalten wird. In der Folge werden die über die fließenden Systemgrenzen auftretenden Transmissionsverluste gering gehalten.
Ferner bietet es sich an, die Wärmeentnahme in den Bedarfszeiten von außen nach innen, also zunächst über die äußersten Wärmespeicherkreise vorzunehmen. Dies berücksichtigt die Tatsache, dass die nach außen, über die fließende Systemgrenze des Saisonspeichers abgeleitete Wärme, für eine weitere Nutzung endgültig verloren ist. Die aus den inneren Speicherzonen des Saisonwärmespeichers wegen des nach außen gerichteten Temperaturgefälles über die äußeren Speicherzonen nach außen strömende Wärme kann von den Wärmespeicherkreisen der weiter außen liegenden Speicherzonen „abgefangen” werden, bevor diese über die Systemgrenzen aus dem Speichermedium heraus verloren geht.
Um die Temperaturverteilung und die Wärmeentnahme aus dem Speichermedium bzw. die Wärmeeinspeisung in das Speichermedium weiter optimieren und an die speziellen Gegebenheiten eines Bauvorhabens anpassen zu können, kann vorgesehen sein, dass die Leitungsdichten der Wärmespeicherkreise, im Ergebnis also die Wärmeübergangsflächen zwischen den Wärmespeicherkreisen und dem Speichermedium, in den einzelnen Speicherzonen unterschiedlich sind. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Wärmespeicherkreis einer inneren Speicherzone eine höhere Leitungsdichte als der Wärmespeicherkreis einer äußeren Speicherzone aufweist.
Mit der Einrichtung verschiedener Speicherkreise und der vorrangigen Wärmeentnahme über die äußeren Speicherkreise kann neben der Minimierung der systembedingten Wärmeverluste außerdem erreicht werden, dass zumindest in den inneren Speicherkreisen möglichst hohe Temperaturen über einen möglichst langen Zeitraum vorgehalten werden können. Denn die inneren Speicherkreise verlieren, wie vorstehend beschrieben, ihre Wärme im Vergleich zu den benachbarten äußeren Speicherkreisen nur über die nach außen abströmende Wärme, nicht aber durch eine aktive Wärmeentnahme. Im Ergebnis kann das im inneren des Saisonwärmespeichers vorherrschende Temperaturniveau relativ lange hochgehalten werden und daher bei Bedarf (zum Beispiel in strahlungsarmen Bedarfszeiten) auch einen Beitrag zur Warmwasseraufbereitung leisten.
Das Erdreich, das als Speichermedium für das haustechnische Heizsystem eingesetzt wird, ist bevorzugt ein bindiges Erdreich, also insbesondere lehmige Erde bzw. Erde mit einem hohen Anteil an Feinstbestandteilen.
Der Begriff der Wärme ist im Sinne der Erfindung weit auszulegen. Er schließt insbesondere auch Kälte als „negative Wärme” in so weit mit ein, als das haustechnische System gemäß der Erfindung auch dafür eingesetzt werden kann, dass in den heißen Sommermonaten das Gebäude mittels der Heizkreise gekühlt werden kann. Mit von der Erfindung umfasst ist daher auch ein haustechnisches System, dass in der Lage ist, über das Wärmeübertragungsmedium das Heizmedium im Heizkreis auf eine Temperatur zu kühlen, die unterhalb der Innenraumtemperatur im Gebäude liegt, so dass über den Heizkreis und die Heizungen dem Gebäudeinnenraum Wärme entzogen werden kann. Der zum Erwärmen des Gebäudeinnenraums eingesetzte Prozess wird dabei umgekehrt.
Dabei ist allerdings zu beachten, dass der Saisonwärmespeicher gerade in den Überschusszeiten, also insbesondere in den Sommermonaten, in denen eine Kühlung der Innenraumtemperaturen vorgenommen werden soll, mit der ebenfalls in dieser Zeit in besonderem Maße anfallenden Überschussenergie aufgeheizt wird. Das Wärmeübertragungsmedium wird durch die Wärme, die es über den Heizkreis aufgenommen hat, in der Regel keine Temperatur erreichen, die derart hoch ist, dass ein Temperaturgefälle zum Zwischenspeichermedium entsteht. Deshalb kann für den Fall der Kühlung ein gesonderter Kühlkreis vorgesehen sein, der bevorzugt außerhalb des Zwischenspeichers angeordnet ist und ein Grundtemperaturniveau aufweist, das zur Aufnahme der dem Heizkreis entzogenen Wärme ausreichend ist. Grundsätzlich kann aber auch einer der Wärmespeicherkreise zur Kühlung des Gebäudeinnenraums herangezogen werden, sofern die in der zugehörigen Speicherzone ein ausreichend niedriges Grundtemperaturniveau aufweist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen.
In den Zeichnungen zeigt
1 eine Prinzipskizze eines haustechnischen Systems für ein hoch gedämmtes Gebäude und dessen Einsatz in Überschusszeiten (Sommer),
2 eine Prinzipskizze des haustechnischen Systems für ein hoch gedämmtes Gebäude aus 1 sowie dessen Einsatz in Bedarfszeiten (Winter),
3 eine schematische Darstellung einer Mehrzahl an Wärmespeicherkreisen, die jeweils verschiedene Speicherzonen bedienen, und
4 eine Prinzipskizze des haustechnischen Systems aus den 1 und 2 mit einem zusätzlichen Kühlkreis für die Kühlung des Gebäudeinnenraums.
1 zeigt ein hoch gedämmtes Gebäude 1 mit einer den Gebäudeinnenraum einschließenden Dämmschicht 11. Auf dem Dach weist das Gebäude 1 einen Energiekollektor 2 auf, der durch eine Photovoltaikanlage, eine Solarkollektoranlage oder eine Kombination aus beiden Anlagentypen gebildet ist. Es können aber auch andere Formen von Energiekollektoren Verwendung finden. Der Begriff Energiekollektor ist im Sinne der Erfindung weit auszulegen, insbesondere sind hiermit Energiegewinnungsanlagen gemeint, die natürliche Energiequellen, also insbesondere Sonne, Wind und Wasser, in für haustechnische Systeme nutzbare Energieformen umwandeln bzw. für diese System verfügbar machen.
1 zeigt die Nutzung des haustechnischen Systems in Überschusszeiten, in denen die vom Energiekollektor 2 bereitgestellte Energiemenge den Energiebedarf des Gebäudes übersteigt. Auf den Energiekollektor 2 einstrahlende Sonnenenergie wird genutzt, um über eine Vorrangschaltung (nicht gezeigt) zunächst einen Pufferwärmespeicher 12, der beispielsweise zur Brauchwassererhitzung genutzt wird, mit Wärme zu „befüllen”. Ist dieser gesättigt, so wird die Wärme, die der Pufferspeicher 12 nicht mehr aufzunehmen vermag, mittels eines Wärmeübertragungsmediums in das als Speichermedium 4 dienende Erdreich unter dem Gebäude 1 weitergeleitet und dort an das Erdreich abgegeben. Das Erdreich ist gegenüber dem Gebäudeinnenraum ebenfalls durch eine Dämmschicht 11 isoliert, was ein Abwandern der Wärme über das Gebäudefundament weitgehend verhindert. 1 zeigt ein nicht unterkellertes Gebäude 1. Die Erfindung ist aber in gleichem Maße auch auf ein unterkellertes Gebäude anwendbar. Bevorzugt werden Gebäude in kompakter Bauweise, also einer im Verhältnis zum Gebäudevolumen geringen Außenoberfläche.
Das Erdreich ist mit einer Vielzahl von Wärmespeicherschleifen 13 durchzogen, die Teil eines noch näher zu erläuternden Wärmespeicherkreises 6 einer Wärmeentnahmevorrichtung 5 sind. Bei den Wärmespeicherschleifen 13 handelt es sich bevorzugt um verrottungssichere Rohrleitungen, die einen guten Wärmeübergang vom Speichermedium 4 auf das Wärmeübertragungsmedium aufweisen und einen über viele Jahre hinweg andauernden, möglichst wartungsfreien Betrieb ermöglichen. Üblicher Weise werden hier sauerstoffdiffusionsdichte Kunststoffleitungen mit möglichst geringem Wärmeleitwiderstand verwendet.
Der Wärmespeicherkreis 6, der Heizkreis 7 und der Kollektorkreis 9 sind in den Figuren nur schematisch dargestellt. Insbesondere sollen die dargestellten Linien und Pfeile keine physischen Leitungen, sondern lediglich den möglichen Wärmeenergiestrom symbolisieren.
Wie in 1 durch die unterschiedlichen Schraffuren dargestellt stellt sich in Zeiten der Beladung des Saisonwärmespeichers 3 ein Temperaturprofil ein, dass zunächst vom Zentrum des Saisonwärmespeichers 3 (kreuzschraffierter Bereich) nach außen (einfach schraffierter bis nicht schraffierter Bereich) abfallend ist.
Bedingt durch die saisonalen, klimatischen Änderungen ändert sich das Verhältnis von der durch den Energiekollektor 2 bereit gestellten Energie zu dem Energiebedarf des Gebäudes 1, insbesondere zu dem Heizenergiebedarf des Gebäudes 1. In den Bedarfzeiten entnimmt das haustechnische System dem Erdreich die dort während der Überschusszeiten eingelagerte Wärme durch das System von Wärmespeicherschleifen 13, durch das in den Überschusszeiten die Wärme in das Erdreich eingebracht worden war. Wie an der Schraffur unter dem Gebäude 1 in 2 zu erkennen, hat sich im Laufe der Zeit die Wärme im Speichermedium 4 weitestgehend verteilt und es ist ein gleichmäßigeres Temperaturprofil entstanden.
Wie in 2 weiter ersichtlich, wird die im Erdreich zwischengespeicherte Wärme über ein nicht näher dargestelltes Rohrleitungssystem, dass Wärmespeicherkreis 6 und Heizkreis 7 zu einem Wärmeaustauschkreis vereint, mittels des Wärmeübertragungsmediums zu den Heizungen 8 transportiert durch Strahlung und/oder Konvektion an die Raumluft übertragen und erwärmt so den Gebäudeinnenraum. Dabei strömt ein Wärmeübertragungsmedium durch den Wärmespeicherkreis 6 und nimmt die im Erdreich zwischengespeicherte Wärme auf. Ohne weitere Aufbereitung der Wärme, also insbesondere ohne Anhebung des Temperaturniveaus des Wärmeübertragungsmedi ums, wird dieses dem Heizkreis 7 zugeführt. Es kommen lediglich Pumpen, Regeleinrichtungen oder sonstige Hilfsmittel zum Einsatz, die zur Förderung des Wärmeübertragungsmediums erforderlich sind. Zum Einsatz kommen großzügig ausgelegte Flächenheizungen, um die zum effektiven Heizen benötigten Vorlauftemperaturen so gering wie möglich zu halten.
Wie die schematische Darstellung des Heizkreises 7 in 2 verdeutlicht, kann die dem Erdreich entzogene Wärme auch für das Aufheizen des Pufferspeichers 12 eingesetzt werden. Bedingung hierfür ist allerdings, dass die über die Wärmeaufnahme erreichbare Temperatur des Wärmeübertragungsmediums ausreichend hoch ist.
3 zeigt eine Draufsicht auf das im Speichermedium 4 verlegte Leitungssystem des Wärmespeicherkreises 6 mit vier voneinander unabhängigen, getrennt ansteuerbaren Wärmespeicherkreisen 6a, 6b, 6c und 6d, von denen jeder Wärme in jeweils einer der vier Speicherzonen 10a, 10b, 10c und 10d zwischenzuspeichern vermag. Die Anzahl der vorzusehenden Speicherzonen bzw. Wärmespeicherkreise wird sich von Anwendungsfall zu Anwendungsfall unterscheiden und ist auf die beim jeweiligen Bauvorhaben vorliegenden Gegebenheiten vom Architekten anzupassen.
Die Zwischenspeicherung der Wärme erfolgt bevorzugt zunächst in der inneren Speicherzone 10a über den inneren Wärmespeicherkreis 6a. Erst bei Sättigung dieser Zone wird die Wärme gezielt der benachbarten Speicherzone 10b über den Wärmespeicherkreis 6b zugeführt. Dieses Vorgehen wird gleichermaßen mit den weiter außen liegenden Speicherzonen 10c und 10d bzw. den diesen zugeordneten Wärmespeicherkreisen 6c und 6d fortgeführt. Dies führt unter anderem zu einen möglichst hohen Temperaturniveau im Zentrum des Saisonwärmespeichers und verringert die zu erwartenden Wärmeverluste über die Systemgrenzen hinweg.
Eine Entnahme der Wärme aus dem Saisonwärmespeicher erfolgt demgegenüber bevorzugt in umgekehrter Richtung, also von außen nach innen. Dies ermöglicht, dass nach außen, in Richtung der Systemgrenzen strömende Wärme vor dem Abströmen über die Systemgrenzen abgefangen und dem Heizkreis 7 zugeführt werden kann.
4 zeigt die Verwendung des haustechnischen Systems zur Kühlung des Gebäudeinnenraums. Aus einer Speicherzone 10e, die außerhalb der für die Zwischenspeicherung der Wärme genutzten Speicherzonen liegt, wird Wärmeübertragungsmedium in die Flächenheizungen 8 gefördert. Das Speichermedium 4 in diesem Bereich weist eine Temperatur auf, die das Wärmeübertragungsmedium derart abkühlen lässt, dass es die Flächenheizungen 8 unter das Temperaturniveau des Gebäudeinnenraums abzukühlen vermag. Die über die Heizungen 8 aufgenommene Wärme gibt das Wärmeübertragungsmedium über den Wärmespeicherkreis 6e an das Erdreich ab, dass wiederum die Wärme aufgrund seiner Lage außerhalb der für die Einbringung der Wärme in das Speichermedium verwendeten Speicherzonen relativ schnell über die Systemgrenzen hinaus verliert. Sofern weiter innen liegende Speicherzonen ein zur Kühlung des Gebäudeinnenraums ausreichend niedriges Temperaturniveau aufweisen, können auch diese Speicherzonen in den Kühlkreislauf mit einbezogen werden.

1: Gebäude
2: Energiekollektor
3: Saisonwärmespeicher
4: Speichermedium (Erdreich)
5: Wärmeentnahmeeinrichtung
6: Wärmespeicherkreise
7: Heizkreis
8: Heizung
9: Kollektorkreis
10: Speicherzonen
11: Dämmschicht
12: Pufferspeicher
13: Wärmespeicherschleifen

Claims

Haustechnisches Heizsystem für ein hoch gedämmtes Gebäude (1), umfassend – einen Energiekollektor (2), der eingerichtet ist, von einer natürlichen Energiequelle gelieferte Energie als Wärme oder als eine in Wärme umwandelbare Energieform bereit zu stellen, – einen Saisonwärmespeicher (3) mit einem Speichermedium (4), der eingerichtet ist, vom Energiekollektor (2) bereit gestellte überschüssige Energie in Form von Wärme in dem Speichermedium (4) saisonal zwischenzuspeichern, wobei das Speichermedium (4) für die zwischenzuspeichernde Wärme Erdreich, insbesondere unter dem Gebäude (1) liegendes Erdreich, ist, – eine Wärmeentnahmeeinrichtung (5), die dem Speichermedium (4) über ein Wärmeübertragungsmedium Wärme zu entziehen vermag, wobei das Wärmeübertragungsmedium den Saisonwärmespeicher (3) durch einen Wärmespeicherkreis (6) durchströmt und zwischengespeicherte Wärme aufnimmt und transportiert, – eine oder mehrere Heizungen (8) zur Beheizung des Gebäudeinnenraums, wobei die Heizungen (8) einem Heizkreis (7), der von einem die Heizenergie transportierendem Heizmedium durchströmt wird, Heizwärme entziehen und dem Gebäudeinnenraum zuführen, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Speichermedium (4) durch das Wärmeübertragungsmedium entzogene Wärme dem Heizkreis (7) unmittelbar zugeführt ist.
Heizsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmedium in den Heizkreis (7) eingespeist wird.
Heizsystem nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vom Energiekollektor (2) bereitgestellte Energie außerhalb des Saisonwärmespeichers (3) an das Wärmeübertragungsmedium übertragen wird und das Wärmeübertragungsmedium die Wärme in den Saisonwärmespeicher (3) zur Abgabe an das Speichermedium (4) transportiert.
Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wärmeübertragungsmedium über einen mit dem Wärmespeicherkreis (6) zusammenwirkenden Kollektorkreis (9) vom Energiekollektor (2) bereitgestellte Wärmeenergie übertragen wird.
Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrangschaltung vorgesehen ist, nach der die vom Energiekollektor (2) bereitgestellte Wärme zunächst an vorrangige Verbraucher übertragen wird und erst bei deren Sättigung in den Saisonwärmespeicher (3) überführt wird.
Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Saisonwärmespeicher (3) eine Mehrzahl an getrennten Wärmespeicherkreisen (6) vorsieht, die jeweils unterschiedliche Speicherzonen (10) des Saisonwärmespeichers (3) bedienen.
Heizsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine innere, erste Speicherzone (10a) von einer äußeren, zweiten Speicherzone (10b) umgeben ist.
Heizsystem nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicherkreis (6a) einer inneren Speicherzone (10a) eine höhere Leitungsdichte als der Wärmespeicherkreis (6b) einer äußeren Speicherzone (10b) aufweist.
Verfahren zur Versorgung eines hoch gedämmten Gebäudes (1) mit Heizenergie, umfassend die Verfahrensschritte: – Bereitstellen von Wärme oder einer in Wärme umwandelbaren Energie durch einen eine natürliche Energiequelle nutzenden Energiekollektor (2), – Einspeisen der Wärme in ein Speichermedium (4) eines Saisonwärmespeichers (3) zur saisonalen Zwischenspeicherung in dem Speichermedium (4), wobei das Speichermedium (4) für die zwischenzuspeichernde Wärme Erdreich, insbesondere unter dem Gebäude (1) liegendes Erdreich, ist, – Entnehmen der zwischengespeicherten Wärme über eine Wärmeentnahmeeinrichtung (5) mittels eines Wärmeübertragungsmediums, das den Saisonwärmespeicher (3) durch einen Wärmespeicherkreis (6) durchströmt und zwischengespeicherte Wärme aufnimmt und transportiert, wobei eine oder mehrere Heizungen (8) zur Beheizung des Gebäudeinnenraums vorgesehen sind und die Heizungen (8) einem Heizkreis (7), der von einem die Heizenergie transportierendem Heizmedium durchströmt wird, Heizwärme entziehen und dem Gebäudeinnenraum zuführen, gekennzeichnet dadurch, dass die dem Speichermedium (4) durch das Wärmeübertragungsmedium entzogene Wärme dem Heizkreis (7) unmittelbar zugeführt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmedium in den Heizkreis (7) eingespeist wird.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vom Energiekollektor (2) bereitgestellte Energie außerhalb des Saisonwärmespeichers (3) an das Wärmeübertragungsmedium übertragen wird und das Wärmeübertragungsmedium die Wärme in den Saisonwärmespeicher (3) zur Abgabe an das Speichermedium (4) transportiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wärmeübertragungsmedium über einen mit dem Wärmespeicherkreis (6) zusammenwirkenden Kollektorkreis (9) vom Energiekollektor (2) bereitgestellte Wärmeenergie übertragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12 nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Vorrangschaltung die vom Energiekollektor (2) bereitgestellte Wärme zunächst an vorrangige Verbraucher übertragen wird und erst bei deren Sättigung in den Saisonwärmespeicher (3) überführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Saisonwärmespeicher (3) eine Mehrzahl an getrennten Wärmespeicherkreisen (6) vorsieht, die jeweils unterschiedliche Speicherzonen (10) des Saisonwärmespeichers (3) bedienen, wobei eine innere, erste Speicherzone (10a) von einer äußeren, zweiten Speicherzone (10b) umgeben ist und die Wärmeeinspeisung in das Speichermedium (4) zunächst in die innere Speicherzone (10a) vorgenommen wird und erst nach deren Sättigung eine äußere Speicherzone (10b) bedient wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Saisonwärmespeicher (3) eine Mehrzahl an getrennten Wärmespeicherkreisen (6) vorsieht, die jeweils unterschiedliche Speicherzonen (10) des Saisonwärmespeichers bedienen, wobei eine innere, erste Speicherzone (10a) von einer äußeren, zweiten Speicherzone (10b) umgeben ist und die Wärmeentnahme aus dem Speichermedium (4) voranging aus der äußeren Speicherzone (10b) erfolgt.