DE102009011715A1

DE102009011715A1 - Hydraulische Weiche zum Anschluss von Wärmeerzeugern an eine Heizungsanlage, Heizungsanlage und Verfahren zum Betrieb einer Heizungsanlage

Info

Publication number: DE102009011715A1
Application number: DE102009011715A
Authority: DE
Inventors: Dirk Drews
Original assignee: SOLARHYBRID AG
Current assignee: SOLARHYBRID AG
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2010-09-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Weiche zum Anschluss von Wärmeerzeugern an eine Heizungsanlage, mit einem über Erzeugeranschlüsse (3.1, 3.2) zum Anschluss eines Wärmeerzeugers (5, 6) und Speicheranschlüsse (4.1, 4.2) zum Anschluss eines Wärmespeichers (7) von einem Wärmeträgerfluid durchströmbaren Strömungsraum (2), bei welcher innerhalb des Strömungsraums (2) ein Solarwärmetauscher (8) zur Erwärmung des Wärmeträgerfluids durch Abgabe solarer Wärme angeordnet ist. Weitere Gegenstände der Erfindung bilden eine Heizungsanlage und ein Verfahren zum Betrieb einer Heizungsanlage.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Weiche zum Anschluss von Wärmeerzeugern an eine Heizungsanlage mit einem über Erzeugeranschlüsse zum Anschluss eines Wärmeerzeugers und Speicheranschlüsse zum Anschluss eines Wärmespeichers von einem Wärmeträgerfluid durchströmbaren Strömungsraum. Weitere Gegenstände der Erfindung bilden eine Heizungsanlage mit einem Wärmeerzeuger und einem Wärmespeicher zum Speichern von über den Wärmeerzeuger erzeugter Wärme und ein Verfahren zum Betrieb einer Heizungsanlage.
In der Vergangenheit war die Wärmeversorgung von Heizungsanlagen und insbesondere Hausheizungsanlagen durch die Verwendung fossiler Brennstoffe und teilweise Holz als nachwachsendem Brennstoff geprägt, welche die üblichen Hochtemperatur-Wärmeverbraucher, wie etwa eine Brauchwarmwasserbereitung, und Niedertemperatur-Wärmeverbraucher, wie etwa eine Fußbodenheizung, beliebig mit Wärmeenergie versorgen können. Resultierend aus der Verknappung fossiler Brennstoffe und der Problematik des CO₂-Ausstoßes haben sich in den letzten Jahren zunehmend Heizungsanlagen mit Wärmeerzeugern auf der Basis regenerativer Energieträger etabliert, wie etwa Solar- oder Wärmepumpenanlagen.
Der Einsatz regenerativer Wärmeerzeuger ist jedoch insbesondere in Kombination mit herkömmlichen Energieerzeugern auf der Basis fossiler Brennstoffe nicht ohne Weiteres koordinierbar. Denn die bedarfsgerechte Bereitstellung unterschiedlich hoch temperierter Wärmeenergie für Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Wärmeverbraucher ist beim Einsatz regenerativer Wärmeerzeuger aufgrund deren zum Teil stark schwankender oder niedriger Temperaturniveaus in der Praxis mit einer Reihe von Problemen behaftet. Während beispielsweise das vergleichsweise geringe Temperaturniveau der über eine Wärmepumpenanlage gewonnenen Wärme ausreicht, um eine Fußbodenheizung zu versorgen, ist eine wirtschaftlich sinnvolle Energieversorgung von Hochtemperatur-Wärmeverbrauchern über eine Wärmepumpe nicht möglich, was die Einbindung einer Wärmepumpenanlage in eine Heizungsanlage mit herkömmlichen Energieerzeugern kompliziert. Die Einbindung thermischer Solaranlagen ist ebenfalls mit einer Reihe von Problemen behaftet, da diese mit sich tages- und jahreszeitlich ändernden Umweltbedingungen starken Schwankungen hinsichtlich der Temperatur der über den Solarkollektor aufgenommenen Wärme unterliegen.
Besondere Schwierigkeiten bereitet die Ergänzung vorhandener Öl-, Gas- oder Holzheizungen mit Wärmeerzeugern auf der Basis regenerativer Energieträger insbesondere im Sanierungsfall.
Üblicherweise wird eine ergänzende Solaranlage losgelöst vom vorhandenen Bestand der Öl- oder Gasheizung installiert und soll die Aufgabe übernehmen, in einstrahlungsstarken Zeiten Brauchwarmwasser zu erwärmen. Am häufigsten werden die Solaranlagen derart installiert, dass die aufgenommene Wärme über einen in einem Brauchwasserspeicher angeordneten Solarwärmetauscher direkt auf das zu erwärmende Brauchwarmwasser übertragen wird. Dies hat neben regelungstechnischen Problemen vor altem den Nachteil, dass die Bevorratung größerer Brauchwassermengen auf einem für die Brauchwarmwassernutzung ausreichend hohen Temperaturniveau aufgrund der Bildung sog. Stagnationswassers hygienisch bedenklich ist. Zur Vermeidung dieser Probleme ist es bei Solaranlagen wie auch bei Wärmepumpenanlagen bekannt, die aufgenommene Wärme zunächst auf ein Wärmespeichermedium zu übertragen, das in einem Wärmespeicher eingelagert wird und dessen Wärme bei Bedarf für einen Wärmeverbraucher zur Verfügung steht.
Bei Solaranlagen wird die über den Solarkollektor gewonnene Wärme über einen auch als Solarübergabestation bezeichneten Plattenwärmetauscher auf das Wärmeträgermedium übertragen. Dabei wird die pumpengestützt durch den Solarkollektor strömende Solarflüssigkeit abgekühlt und im Gegenstrom das Wärmeträgermedium erwärmt. Das erwärmte Wärmeträgermedium wird in dem Wärmespeicher eingelagert und kann zur bedarfsweise zu Versorgung eines Wärmeverbrauchers verwendet werden. Die abgekühlte Solarflüssigkeit wird zur Aufnahme weiterer Energie erneut durch den Solarkollektor gefördert. Energetisch nachteilig bei einer Einbindung von Solaranlagen mittels derartiger Solarübergabestationen ist der verhältnismäßig hohe Aufwand an Pumpenenergie für den Durchtritt durch den Wärmetauscher zur Übertragung der Wärme auf das Wärmeträgermedium.
Energetisch vorteilhafter wäre eine direkte Einbringung der über die Solaranlage gewonnen Energie durch Anordnung einer Wärmetauscherwendel direkt im Inneren des Wärmespeichers. Dies ist jedoch mit dem Problem verbunden, dass aufgrund der bei Solaranlagen schwankenden Temperaturniveaus die sich innerhalb des Wärmespeichers aufgrund von Dichteunterschieden einstellende und teilweise durch konstruktive Maßnahmen gezielt geförderte Schichtung des Wärmeträgermediums gestört würde.
Ebenfalls problematisch stellt sich die Ergänzung von Wärmepumpenanlagen in bereits existierenden Öl- oder Gasheizungen dar. Probleme ergeben sich in der Praxis vor allem aus der Tatsache, dass die Volumenströme des über die Wärmepumpe erwärmten Wärmeträgermediums mit den Fördervolumenströmen nachgeschalteter Pumpen, beispielsweise zur Einlagerung des Wärmeträgermediums in dem Wärmespeicher, synchronisiert werden müssen, was den Installateur bei der Nachrüstung verschiedener Wärmepumpen von unterschiedlichen Herstellern immer wieder vor Probleme stellt.
Um diese Probleme zu vermeiden, werden bei Wärmepumpenanlagen hydraulische Weichen zum Anschluss der Wärmepumpe an die Heizungsanlage bzw. zum Anschluss an den Wärmespeicher verwendet. Diese bestehen aus einem Strömungsraum, der auf der einen Seite über Erzeugeranschlüsse verfügt, an welche die Wärmepumpe angeschlossen wird, und auf der anderen Seite über Speicheranschlüsse verfügt, die zum Anschluss der hydraulischen Weiche an einen Wärmespeicher dienen. Die hydraulische Weiche ist über die Anschlüsse von dem Wärmeträgermedium durchströmbar und bildet eine Art Kurzschlusskopplung, über welche sich die für die Lebensdauer der Heizungsanlage ungünstigen Volumenstromdifferenzen selbst regelnd ausgleichen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine hydraulische Weiche, eine Heizungsanlage und ein Verfahren zum Betrieb einer Heizungsanlage anzugeben, welche auf einfache und energetisch vorteilhafte Weise eine Ergänzung bestehender Gas- oder Ölheizungen mit verschiedene regenerativen Wärmeerzeugern, insbesondere Wärmepumpen- und Solaranlagen, ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer hydraulischen Weiche der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass innerhalb des Strömungsraums ein Solarwärmetauscher zur Erwärmung des Wärmeträgerfluids durch Abgabe solarer Wärme angeordnet ist.
Durch die Unterbringung eines Solarwärmetauschers innerhalb des Strömungsraums einer hydraulischen Weiche lassen sich mit ein und derselben Weiche sowohl thermische Solaranlagen wie auch Wärmepumpenanlagen auf einfache Weise in eine Heizungsanlage integrieren. Die mit dem Solarwärmetauscher versehene hydraulische Weiche bildet eine Art Universalschnittstelle, über welche sich wahlweise thermische Solaranlagen und/oder Wärmepumpen in eine bestehende Hausheizanlage integrieren lassen. Durch die hydraulische Weiche werden die bei der Ergänzung von Wärmepumpen bestehenden Probleme gelöst, gleichzeitig ergibt sich eine energieeffiziente Einbindung der Solaranlage.
In konstruktiv vorteilhafter Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass sich die Anschlüsse quer zur Strömungsrichtung des Strömungsraums erstrecken, so dass sich die Wärmeerzeuger seitlich an die hydraulische Weiche anschließen lassen und auch ein seitlicher Anschluss des Wärmespeichers möglich ist.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Solarwärmetauscher im Strömungsweg zwischen zwei Erzeugeranschlüssen und/oder zwei Speicheranschlüssen angeordnet ist, so dass der Solarwärmetauscher die von der Solaranlage aufgenommene Energie beim Überströmen des Wärmeträgermediums auf das Wärmeträgermedium überträgt.
Weiter wird vorgeschlagen, dass zwischen den Erzeugeranschlüssen ein den Strömungsraum in eine untere und eine obere Strömungsstufe teilender Erzeugeranschluss vorgesehen ist. Auf diese Weise ergibt sich ein kaskadiert zweistufiger Aufbau, der den Temperaturanforderungen der Hoch- und Niedertemperatur-Wärmeverbraucher angepasst ist. In Betriebszeiten, in denen nur Niedertemperatur-Wärmeverbraucher mit Wärme zu versorgen sind, kann nur die untere Strömungsstufe betrieben werde. In Betriebszeiten, in denen Hochtemperatur-Wärmeverbraucher mit Wärme zu versorgen sind, kann wahlweise nur die obere oder beide Strömungsstufen betrieben werden.
Von Vorteil ist eine Ausgestaltung, nach welcher zwischen der ersten und der zweiten Strömungsstufe ein Speicheranschluss zur Einlagerung von Wärmeträgerfluid aus der ersten Strömungsstufe in den Wärmespeicher vorgesehen ist. Über diesen Speicheranschluss kann Wärmeträgerfluid aus der ersten Strömungsstufe entnommen und an entsprechender Stelle in den Wärmespeicher eingelagert werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Solarwärmetauscher in der unteren Strömungsstufe angeordnet ist. Je nach Temperatur der über den Solarkollektor gewonnen Wärme kann die Einlagerung in einen mittleren oder oberen Bereich des Wärmespeichers erfolgen.
Weiter wird vorgeschlagen, dass eine innerhalb des Strömungsraums angeordnete Wärmepumpe zur Umschichtung von Wärme aus der ersten Strömungsstufe in die zweite Strömungsstufe vorgesehen ist. Mit Hilfe einer solchen integrierten Wärmepumpe, bei der es sich beispielsweise um eine Kleinstwärmepumpe handeln kann, kann Wärmeenergie von der unteren Strömungsstufe in die obere Strömungsstufe gefördert werden. Beispielsweise kann über eine Wärmepumpe erzeugte Wärmeenergie mit einem Temperaturniveau von 40°C mittels der integrierten Wärmepumpe durch Zuführung elektrischer Energie auf ein für die Brauchwassererwärmung ausreichendes Temperaturniveau von beispielsweise 65°C erwärmt werden. Hierzu wird der Verdampfer der Wärmepumpe in der unteren Strömungsstufe und der Kondensator der Wärmepumpe in der oberen Strömungsstufe angeordnet. Einzelheiten einer solchen Energieumschichtung zum Zwecke der Einlagerung in einem als Schichtenspeicher ausgebildeten Wärmespeicher sind wesentlicher Bestandteil dieser Erfindung und im Einzelnen in der PCT-Patentanmeldung PCT/DE 2008/001697 beschrieben, auf welche hiermit voll umfänglich Bezug genommen wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Strömungsraum eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist, vorzugsweise in Form eines stehenden Zylinders. Durch die zylindrische Form wird im strömungsfreien Zustand der hydraulischen Weiche eine Temperaturschichtung innerhalb des Strömungsraums ähnlich einem Schichtenspeicher erreicht.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Solarwärmetauscher wendelförmig ausgebildet ist, wodurch sich lange Strömungswärme der Solarflüssigkeit und eine damit verbundene vorteilhafte Übertragung der Wärme auf das Wärmeträgermedium ergibt.
Von besonderem Vorteil für eine effiziente Wärmeübertragung ist eine weitere Ausgestaltung, nach welcher sich der Solarwärmetauscher wendelförmig in einem Ringraum zwischen einem den Strömungsweg blockierenden Zylinder und einer den Strömungsraum begrenzenden Mantelfläche erstreckt. Innerhalb des Ringspaltkanals werden die Volumenanteile des Wärmeträgerfluids bei der Wärmeübertragung von der Solarflüssigkeit vorteilhaft genutzt, so dass große Volumenanteile an der Wärmeübertragung teilnehmen. Einzelheiten dieser Ringspaltausgestaltung sowie der Gestaltung des wendelförmigen Solarwärmetauschers sind in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2008 059 541.1 beschrieben, deren Merkmale sämtlich mit aufgenommen werden und Teil der Erfindung sind. Durch die in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2008 059 541.1 beschriebenen Ausgestaltungen des Ringspaltkanals sowie des wendelförmigen Wärmetauschers wird in Übereinstimmung mit der Aufgabe dieser Erfindung eine energetisch vorteilhafte Einbindung der der Solaranlage durch Verbesserung des Wärmeübergangs auf das Wärmeträgermedium erreicht.
Ebenfalls zur Verbesserung des Wärmeübergangs wird im Hinblick auf eine energetisch vorteilhafte Einbindung der der Solaranlage vorgeschlagen, dass Mittel zur Unterstützung einer turbulenten Strömung des Wärmeträgerfluids zwischen dem Solarwärmetauscher und einer Wand des Strömungsraums und/oder einer Wand des Zylinders angeordnet sind. Durch derartige Stromschnellen lösen sich laminare Strömungen an den Wendeln des Solarwärmetauschers ab, was den Übergang der Wärme von der Solarflüssigkeit auf das Wärmespeichermedium verbessert. Auch dies ist ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung, dessen Einzelheiten in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2008 059 543.8 beschrieben sind, deren Merkmale vollständig mit aufgenommen werden.
Bei einer Heizungsanlage der eingangs genannten Art wird zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagen, dass der Wärmeerzeuger und der Wärmespeicher über eine hydraulische Weiche der vorbeschriebenen Art miteinander verbunden sind.
Durch die Unterbringung eines Solarwärmetauschers innerhalb des Strömungsraums einer hydraulischen Weiche lassen sich mit ein und derselben Weiche sowohl thermische Solaranlagen wie auch Wärmepumpenanlagen auf einfache Weise in die Heizungsanlage integrieren. Die mit dem Solarwärmetauscher versehene hydraulische Weiche bildet eine Art Universalschnittstelle, über welche sich wahlweise thermische Solaranlagen und/oder Wärmepumpen beispielsweise im Rahmen von Sanierungsmaßnahmen in die bestehende Hausheizanlage integrieren lassen. Durch die hydraulische Weiche werden die bei der Ergänzung von Wärmepumpen bestehenden Probleme gelöst, gleichzeitig ergibt sich eine Möglichkeit zur energieeffizienten Einbindung einer Solaranlage.
In diesem Zusammenhang wird weiter vorgeschlagen, dass an die untere Strömungsstufe ein Niedertemperatur-Wärmeerzeuger, beispielsweise eine Außenluft-Wärmepumpe, angeschlossen ist, dessen Vorlauf und Rücklauf über die untere Strömungsstufe kurzgeschlossen sind, wodurch sich eine vorteilhafte Anbindung des Niedertemperatur-Wärmeerzeugers an die Heizungsanlage ergibt.
Weiter wird vorgeschlagen, dass an die obere Strömungsstufe ein Hochtemperatur-Wärmeerzeuger angeschlossen ist, dessen Vorlauf und Rücklauf über die obere Strömungsstufe kurzgeschlossen sind, wodurch sich eine vorteilhafte Anbindung des Hochtemperatur-Wärmeerzeugers, beispielsweise einer Gas- oder Ölheizung, an den Wärmespeicher ergibt.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Rücklauf des Niedertemperatur-Wärmeerzeugers und/oder der Vorlauf des Hochtemperatur-Wärmeerzeugers über den mittleren Erzeugeranschluss der hydraulischen Weiche an die hydraulische Weiche angebunden sind.
Ferner wird vorgeschlagen, dass ein Hochtemperaturerzeuger derart an die hydraulische Weiche angeschlossen ist, dass dessen Vorlauf und dessen Rücklauf über die untere und die obere Strömungsstufe kurzgeschlossen sind.
Weiterhin ist vorgesehen, dass der Solarwärmetauscher mit einem Sonnenenergie aufnehmenden Solarkollektor verbunden ist.
Darüber hinaus wird in Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die hydraulische Weiche über drei Speicheranschlüsse an den Wärmespeicher angeschlossen ist, was eine temperaturabhängige Einlagerung des Wärmeträgerfluids aus der hydraulischen Weiche in den Wärmespeicher erlaubt.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die hydraulische Weiche über zwei Speicheranschlüsse an den Wärmespeicher angeschlossen ist, wobei der obere Speicheranschluss mit einem Ventil zur wahlweisen Einlagerung von Wärmeträgerfluid in den oberen Bereich oder einen mittleren Bereich des Wärmespeichers versehen ist. Auch auf diese Weise lässt sich das Wärmeträgerfluid temperaturabhängig in dem entsprechenden Bereich des Wärmespeichers einlagern.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagen, dass die über den Solarkollektor aufgenommene Wärme über eine hydraulische Weiche nach der vorbeschriebenen Art in den Wärmespeicher eingelagert wird.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass neben der über den Solarwärmetauscher in die hydraulische Weiche eingebrachten Wärme entsprechend dem Bedarf eines über den Wärmespeicher mit Wärme versorgten Wärmeverbrauchers wahlweise ein Niedertemperatur-Wärmeerzeuger und/oder ein Hochtemperatur-Wärmeerzeuger zur Einbringung weiterer Wärme in die hydraulische Weiche zugeschaltet wird.
In Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgeschlagen, dass der Bedarf des Wärmeverbrauchers sensorisch erfasst wird und die Zuschaltung automatisch erfolgt.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Einlagerung des Wärmeträgerfluids in den Wärmespeicher nach Zuschaltung eines Wärmeerzeugers zeitlich verzögert erfolgt. Durch die zeitliche Verzögerung werden Mischungen des in dem Wärmespeicher schichtenweise entsprechend der Temperatur eingelagerten Wärmeträgerfluids vermieden, die dadurch bedingt sind, dass bei der Inbetriebnahme eines Wärmeerzeugers zunächst eine gewisse Kaltwassermenge gefördert wird, bevor dann das Wärmeträgerfluid den Wärmeerzeuger mit der gewünschten Temperatur verlässt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Zuhilfenahme der beigefügten Zeichnungen von Ausführungsbeispielen erläutert. Darin zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer hydraulischen Weiche, und
2 bis 7 schaltplanmäßige Übersichtsdarstellungen verschiedener Ausführungsformen von Heizungsanlagen.
In 1 dargestellt ist eine hydraulische Weiche 1 zum Anschluss regenerativer Wärmeerzeuger an eine Heizungsanlage gemäß den Darstellungen in den 2 bis 7. Nachfolgend werden zunächst Einzelheiten der hydraulischen Weiche anhand der Darstellung in 1 erläutert, bevor dann anhand der Darstellungen in den 2 bis 7 deren Funktion innerhalb einer Heizungsanlage erläutert werden wird.
Die hydraulische Weiche 1 besteht aus einem sich in vertikaler Richtung erstreckenden, rohrförmigen Strömungsraum 2, der an der in 1 linken Seite über insgesamt drei Erzeugeranschlüsse 3.1, 3.2, .3.3 zum Anschluss von Wärmeerzeugern verfügt. Auf der gegenüberliegenden Seite sind drei Anschlüsse 4.1, 4.2, 4.3 zum Anschluss eines ausgebildeten Wärmespeichers vorgesehen. Über die Anschlüsse 3.1, 3.2, 3.3, 4.1, 4.2, 4.3 kann ein Wärmeträgerfluid in den den Innenraum der hydraulischen Weiche 1 bildenden Strömungsraum 2 ein- bzw. aus diesem heraus strömen. Die Anschlüsse 3.1, 3.2, 3.3, 4.1, 4.2, 4.3 erstrecken sich quer zur Strömungsrichtung des Strömungsraums 2, so dass die Wärmerzeuger wie auch der Wärmespeicher von der Seite her an die hydraulische Weiche 1 anschließbar sind.
In etwa in Höhe der Mitte der hydraulischen Weiche 1 liegen der mittlere Erzeugeranschluss 3.3 und der mittlere Speicheranschluss 4.3, die den Strömungsraum 2 in eine untere Strömungsstufe 2.1 und eine obere Strömungsstufe 2.2 teilen, an welche jeweils ein Wärmeerzeuger anschließbar ist.
Die Erzeugeranschlüsse 3.1, 3.2, 3.3 und die Speicheranschlüsse 4.1, 4.2, 4.3 sind gegenüberliegend jeweils etwa in gleicher Höhe der hydraulischen Weiche 1 angeordnet.
In der unteren Strömungsstufe 2.1 ist der Solarwärmetauscher 8 von dem Wärmeträgermedium überströmbar angeordnet. Bei dem Solarwärmetauscher 8 handelt es sich um ein wendelförmiges Wärmetauscherrohr aus Edelstahl-Wellrohr, Kupferrohr oder ähnlichen Rohrmaterialien. Der Solarwärmetauscher 8 wird von einer Solarflüssigkeit, beispielsweise Glykol, durchströmt, welche in einem Solarkreislauf kontinuierlich durch die Kollektorfläche der Solaranlage strömt, wobei die Solarflüssigkeit Wärme aufnimmt und anschließend in dem Solarwärmetauscher 8 auf das die hydraulische Weiche 1 durchströmende Wärmeträgerfluid abgibt. Die Wendel des Solarwärmetauschers 8 erstreckt sich konzentrisch zur Achse der hydraulischen Weiche 1 und weist in ihrem Inneren einen Zylinder 9 auf, der nach unten hin offen und nach oben hin geschlossen gestaltet ist und ein Durchströmen des Zentralbereichs zwischen den Rohrwendeln blockiert. Auf diese Weise ergibt sich für das Wärmeträgermedium ein ringspaltförmiger Überströmbereich zwischen einer inneren Mantelfläche 12 des Strömungsraums 2 und einer äußeren Mantelfläche 13 des Zylinders 9 zur Überströmung des Solarwärmetauschers 8, wodurch sich eine effiziente Wärmeübertragung unterstützt durch zusätzliche Mittel zur Erzeugung von turbulenter Strömungen zwischen der Mantelfläche 12 und/oder 13 ergibt.
Einzelheiten der Funktionsweise der hydraulischen Weiche werden nachfolgend zunächst unter Zuhilfenahme der Übersichtsdarstellung in 2 erläutert.
In 2 dargestellt ist eine Heizungsanlage, bei der es sich um eine Hausheizanlage handelt. In etwa in der Mitte der 2 dargestellt ist der Wärmespeicher 7, in welchem das Wärmeträgermedium zur Zwischenspeicherung von Energie eingelagert ist und bei Bedarf zur Versorgung von Wärmeverbrauchern 41, 42 zur Verfügung steht. Bei dem Wärmespeicher 7 handelt es sich um einen Schichtenspeicher, in welchem das Wärmeträgerfluid entsprechend seiner Temperatur aufgrund von Dichteunterschieden in verschiedenen Schichten übereinander eingelagert ist. Im unteren Bereich 7.1 des Wärmespeichers 7 beträgt die Temperatur des Wärmeträgermediums etwa 30°C. Im mittleren Bereich 7.2 liegt die Temperatur bei 40°C und im oberen Bereich 7.3 bei 60°C. Das mittlere und das obere Temperaturniveau des Wärmeträgermediums entsprechen den im modernen Wohnungsbau und auch im Sanierungsfall für die Versorgung der Wärmeverbraucher verwendeten Temperaturniveaus.
In 2 rechts eingezeichnet sind beispielhaft zwei Wärmeverbraucher 41, 42. Bei dem Wärmeverbraucher 42 handelt es sich um einen Niedertemperatur- Wärmeverbraucher, beispielsweise eine Fußbodenheizung, zu deren Betrieb das im mittleren Bereich 7.2 des Wärmespeichers 7 bevorratete Wärmeträgermedium ausreichend temperiert ist. Getrieben über eine Pumpe 30 wird das Wärmeträgerfluid dem mittleren Bereich 7.2 über den Anschluss 20.2 des Wärmespeichers 7 entnommen, dem Wärmeverbraucher 42 zugeführt und über einen Anschluss 20.1 abgekühlt in den unteren Bereich 7.1 des Wärmespeichers 7 zurückgeführt. Daneben ist ein Hochtemperatur-Wärmeverbraucher 41 vorgesehen, bei welchem es sich um eine Brauchwarmwassererwärmung handelt. Über eine Pumpe 31 wird zum Betrieb des Wärmeverbrauchers 41 Wärmeträgermedium über den Anschluss 20.3 aus dem oberen Bereich 7.3 des Wärmespeichers 7 entnommen und dem Wärmeverbraucher 41 zugeführt. In dem Wärmeverbraucher 41 wird über einen Wärmetauscher das Brauchwarmwasser, beispielsweise Duschwasser, erwärmt, wodurch das Wärmeträgerfluid abkühlt und wiederum über den Anschluss 20.1 in den unteren Bereich 7.1 des Wärmespeichers 7 zurückläuft.
Um den Wärmespeicher 7 kontinuierlich mit einer ausreichend hoch temperierten Menge an Wärmeträgerfluid versorgt zu halten, sind bei der Heizungsanlage nach 2 insgesamt drei Wärmeerzeuger vorgesehen.
Zum einen ist ein Hochtemperatur-Wärmeerzeuger 6 vorgesehen, bei dem es sich um eine herkömmliche Heizung auf Basis fossiler Energieträger, beispielsweise eine Öl- oder Gasheizung, oder eine Holzheizung, beispielsweise eine Pelletheizung, handelt. Darüber hinaus sind zwei regenerative Wärmeerzeuger vorgesehen. Bei dem Wärmeerzeuger 5 handelt es sich um einen Niedertemperatur-Wärmeerzeuger, beispielsweise eine Außenluft-Wärmepumpe, eine Erdwärmepumpe oder eine ähnliche Wärmepumpe. Der dritte Wärmeerzeuger wird von einer Solaranlage zur Einbringung solarer Wärme gebildet, von welcher lediglich der Solarwärmetauscher 8 eingezeichnet ist.
Die über diese Wärmeerzeuger 5, 6, 8 erzeugte Wärme wird auf das Wärmeträgermedium übertragen, welches zum Zwecke der Zwischenspeicherung in dem Wärmespeicher 7 eingelagert wird, von welchem aus es wie oben beschrieben zur Versorgung der Wärmeverbraucher 41, 42 entnommen werden kann. Die Einlagerung des erwärmten Wärmeträgermediums in den Wärmespeicher 7 erfolgt nicht direkt, sondern über die hydraulische Weiche 1, die zwischen den Wärmeerzeugern 5, 6 und dem Wärmespeicher 7 dargestellt ist, wodurch sich eine vorteilhafte Einbindung der Wärmeerzeuger 5, 6, 8 in die Heizungsanlage ergibt, was nachfolgend in Einzelnen erläutert werden wird.
Über den mittleren Erzeugeranschluss 3.3 unterteilt sich der im Inneren der hydraulischen Weiche 1 vorgesehene Strömungsraum 2 in eine untere Strömungsstufe 2.1 und eine obere Strömungsstufe 2.2. An den unteren Erzeugeranschluss 3.1 und den mittleren Erzeugeranschluss 3.3 ist der Niedertemperatur-Wärmeerzeuger 5 derart angeschlossen, dass dessen Vorlauf 5.1 sowie dessen Rücklauf 5.2 über die untere Strömungsstufe 2.1 kurzgeschlossen sind. An die obere Strömungsstufe 2.2 ist der Hochtemperatur-Wärmeerzeuger 6 derart angeschlossen, dass dessen Vorlauf 6.1 sowie dessen Rücklauf 6.2 über die Erzeugeranschlüsse 3.2 und 3.3 kurzgeschlossen sind. Es ergibt sich eine Art Kurzschlusskopplung der beiden Wärmeerzeuger 5, 6 über die hydraulische Weiche 1, welche dazu dient, Volumenstromdifferenzen zwischen den Wärmeerzeugerpumpen 5.3 bzw. 5.4 und einer das Wärmeträgermedium in den Wärmespeicher 7 fördernden Pumpe 32 auszugleichen. Ist beispielsweise die Wärmepumpe 5 in Betrieb und fördert deren Pumpe 5.3 einen größeren Volumenstrom als die Pumpe 32, so wird dies dadurch ausgeglichen, dass über den Kurzschluss in der unteren Strömungsstufe 2.1 ein Ausgleichsstrom in Richtung des Vorlaufs 5.1 strömt. Hierdurch werden Beeinträchtigungen der Heizungsanlage aufgrund der in der Praxis für den Installateur nur schwer aufeinander abzustimmenden Volumenströme der Pumpen 5.3, 5.4 und 32 vermieden.
Durch die Kurzschlusskopplung werden die regelungstechnisch eigenständigen Wärmeerzeuger 5, 6 voneinander unabhängig hydraulisch mit dem Wärmespeicher 7 bzw. den Wärmeverbrauchern 41, 42 gekoppelt. Die Wärmeerzeuger 5, 6, beispielsweise die Wärmepumpe 5, verfügen jeweils über eine interne Regelung, die die Fördervolumenströme in Abhängigkeit der Entnahme des Wärmeträgerfluids aus dem Wärmespeicher 7 regelt. Auch steuerungstechnisch sind die Wärmeerzeuger 5, 6 daher indirekt mit den Wärmeverbrauchern 41, 42 gekoppelt.
Darüber hinaus ist ein regelungstechnisch gesteuerter Kurzschlussbetrieb beim Anlaufen der Wärmeerzeuger 5, 6 vorgesehen, um zu verhindern, dass nicht ausreichend temperiertes Wärmeträgerfluid in den Wärmespeicher 7 befördert i wird. Beim Einschalten der Wärmeerzeuger 5, 6 steht zunächst noch kälteres Wärmeträgerfluid in den Leitungen, zudem erfordert es eine gewisse Vorlaufzeit, bis die Wärmeerzeuger 5, 6 das Wärmeträgerfluid nach dem Einschalten auf der gewünschten Solltemperatur fördern. Um diese Betriebszustände auszuschließen, kann der Strömungsweg des Mediums in den Wärmespeicher 7 erst nach einer vorgegebenen Vorlaufzeit freigegeben werden. Auch ist es möglich, die Temperatur in Bereich des Erzeugeranschlusses 3.2 der hydraulischen Weiche zu erfassen und das kältere Wärmeträgerfluid bis zum Erreichen einer vorgegeben Solltemperatur zunächst im Kurzschlussbetrieb umzuwälzen. Eine Einlagerung zu kalten Wärmeträgermediums in den Wärmespeicher 7 würde die natürliche Schichtung des dort bevorrateten Wärmeträgermediums zerstören, da es zu einer Durchmischung des Speicherinhalts käme. Im schlimmsten Fall ergäbe sich Mischwasser mit einer Temperatur unterhalb der für den Betrieb des Hochtemperatur-Wärmeverbrauchers 41 erforderlichen Mindesttemperatur.
In die hydraulische Weiche 1 eingebunden ist in deren unterer Strömungsstufe 2.1 der Solarwärmetauscher 8 der Solaranlage, der die aufgenommene Wärme direkt in die hydraulische Weiche einkoppelt. Der Solarwärmetauscher 8 wird durch aus dem unteren Bereich 7.1 des Schichtenspeichers 7 über den Anschluss 21.1 entnommenes Wärmeträgermedium überströmt und gibt dabei kontinuierlich seine Wärme ab, wodurch sich beispielsweise die Vorlauftemperatur am Vorlauf 6.1 des Hochtemperatur-Wärmeerzeugers 6 erhöht. In einstrahlungsstarken Zeiten kann die über den Solarwärmetauscher 8 eingebrachte Wärme ausreichen, um den Wärmespeicher 7 mit ausreichend Energie zu versorgen. In diesem Fall können die Wärmeerzeuger 5, 6 ausgeschaltet bleiben. Bei einer solchen Betriebsweise ist es ferner möglich, dass der Wärmespeicher 7 rein statisch beladen wird, d. h. die Strömungen in und aus dem Wärmespeicher 7 rein aufgrund von Dichteänderungen des Wärmeträgermediums erfolgen, ohne dass hierzu Pumpenenergie eingesetzt werden muss.
In einem Betriebsmodus, in welchem die Wärmepumpe 5 hinzugeschaltet wird, kann über ein als Dreiwegeventil ausgestaltetes Ventil 20 koordiniert werden, dass das über den Niedertemperatur-Wärmeerzeuger 5 erwärmte Wärmeträgermedium mit einer Temperatur von beispielsweise 40°C in den mittleren Bereich 7.2 des Wärmespeichers 7 eingelagert wird. Alternativ wäre es möglich, über den mittleren Speicheranschluss 4.3 eine Verbindung zu dem mittleren Bereich 7.2 des Wärmespeichers 7 bereitzustellen, wie dies beispielsweise in 3 dargestellt ist.
Beim Betrieb des Hochtemperatur-Wärmeerzeugers 6 erfolgt die Einlagerung des Wärmeträgermediums gesteuert über das Ventil 20 in den oberen Bereich 7.3 des Wärmespeichers 7. Beim gleichzeitigen Betrieb beider Wärmeerzeuger 5, 6 dient die über den Wärmeerzeuger 5 aufgenommene Wärme zum vorwärmen des Vorlaufs 6.1 des Wärmeerzeugers 6.2. Die Einlagerung des Wärmeträgerfluids erfolgt in den oberen Bereich 7.3.
Die über den Solarwärmetauscher 8 gewonnene Wärmeenergie wird kontinuierlich in die hydraulische Weiche 1 eingekoppelt, so dass auch Wärme auf niedrigen Temperaturniveaus verwertet wird.
Bei den Heizungsanlagen in 3 und 5 ist lediglich eine Solaranlage und ein herkömmlicher Hochtemperatur-Wärmeerzeuger 6 auf der Grundlage fossiler Energieträger vorgesehen. Der Hochtemperatur-Wärmeerzeuger 6 ist über den unteren Anschluss 3.1 und den oberen Anschluss 3.2 an die hydraulische Weiche 1 angeschlossen, so dass wiederum Vorlauf 6.1 und Rücklauf 6.2 des Wärmeerzeugers 6 über die hydraulische Weiche 1 bzw. deren gesamten Strömungsraum 2 miteinander kurzgeschlossen sind. Die Einlagerung des Wärmeträgermediums in den Wärmespeicher 7 erfolgt über den Speicheranschluss 4.2, der Rücklauf aus dem Wärmespeicher 7 über dessen Rücklauf 4.1. Über den mittleren Speicheranschluss 4.3 kann Wärmeträgerfluid aus der unteren Strömungsstufe 2.1 in den mittleren Bereich 7.2 des Wärmespeichers 7 eingelagert werden, insbesondere in Betriebszeiten, in welchen die über den Solarkollektor gewonnene und über den Solarwärmetauscher 8 abgegebene Wärme das Wärmeträgermedium auf etwa 40°C erwärmt hat.
In den 4 bis 7, die weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen und insbesondere die große Variabilität der hydraulischen Weiche als universelles Anschlusselement zum Anschluss verschiedener Wärmeerzeuger an ein Hausheizsystem veranschaulichen, ist im Inneren der hydraulischen Weiche 1 zusätzlich eine Wärmepumpe 10 vorgesehen, was nachfolgend anhand der Darstellung in 4 erläutert werden wird.
Die Wärmepumpe 10 besteht in üblicher Weise aus einem Wärme aufnehmenden Verdampfer, der dem Wärmeträgerfluid Wärme im Bereich der unteren Strömungsstufe 2.1 entzieht und über einen Kondensator 15 dem Wärmeträgerfluid im Bereich der oberen Strömungsstufe 2.2 zur Verfügung stellt. Auf diese Weise lässt sich Energie aus der unteren Strömungsstufe 2.1 in die obere Strömungsstufe 2.2 umschichten und bei einer Energieeinbringung auf niedrigem Temperaturniveau, beispielsweise bei ausschließlichem Betrieb der Wärmepumpe 5, die Temperatur des Wärmeträgermediums erhöhen, so dass die über die Wärmepumpe 5 aufgenommene Wärmeenergie unter Zuführung elektrischer Energie höher temperiert in den oberen Bereich 7.3 des Wärmespeichers 7 eingelagert werden kann.
Die Wärmepumpe 10 weist einen Verdampfer 14 mit Direktverdampfung auf, der der in einer sich nach oben hin verjüngend ausgebildeten Strömungshilfe 16 angeordnet ist, die nach oben und nach unten hin offen gestaltet ist und sich vom oberen Ende der hydraulischen Weiche 1 bis zu deren unteren Ende erstreckt. Im oberen Bereich der hydraulischen Weiche 1 tritt bei Abkühlung des Wärmeträgermediums im Bereich des Verdampfers 15 das Wärmeträgermedium infolge von Dichteänderungen ein und sinkt innerhalb der Strömungshilfe 16 nach unten. Dabei strömt das am höchsten temperierte Wärmeträgermedium aus dem oberen Bereich der hydraulischen Weiche 1 in die Strömungshilfe 16 ein, so dass stets das am höchsten temperierte Wärmeträgermedium für den inneren Wärmepumpenprozess zur Verfügung steht, wodurch sich ein günstiger COP („Coefficient Of Performance”) der Wärmepumpe ergibt.
Über den Kondensator 15, der in einem von dem in Richtung des Verdampfers absinkenden Wärmeträgermedium strömungstechnisch getrennten Doppelzylinder 17 angeordnet ist, wird das Wärmeträgermedium über den mit dem Doppelzylinder 17 strömungsverbundenen Speicheranschluss 3.2 auf einem höheren Temperaturniveau über die Pumpe 32 dem Wärmespeicher 7 zugeführt, so dass es möglich ist, den Wärmespeicher 7 mit Wärmeträgermedium auf einem Temperaturniveau von beispielsweise 60°C zu beladen, obwohl die von der Wärmepumpe 5 stammende Energie ein Temperaturniveau von nur 40°C aufweist. Der Kondensator ist nach Art einer Wärmetauscherrohrwendel gestaltet, die in dem durch den Doppelzylinder 17 gebildeten Ringspalt angeordnet ist, wodurch sich eine vorteilhafte Wärmeübertragung ergibt. Einzelheiten zur Verbesserung des Wärmeübergangs durch die Anordnung in einem Ringspalt sind in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2008 059 541.1 beschrieben, deren Merkmale einen Teil der vorliegenden Erfindung bilden. Ferner können in diesem Ringspalt zur weiteren Verbesserung des Wärmeübergangs Mittel zur Unterstützung turbulenter Strömungen vorgesehen sein, deren Merkmale in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2008 059 543.8 beschrieben sind und einen Teil dieser Erfindung bilden.
Nachfolgend werden beispielhaft einige Betriebsverfahren der erfindungsgemäßen Heizungsanlage anhand der Darstellungen in den 2 bis 7 beschrieben.
Bei den in den 2 und 4 dargestellten Heizungsanlagen handelt es sich um so genannte bivalente Systeme. Die Wärmepumpenanlage 5 arbeitet nur bis zu einer bestimmten Außentemperatur, danach übernimmt der Hochtemperatur-Wärmeerzeuger 6, beispielsweise die Ölheizung, die Wärmeproduktion. Bei der erfindungsgemäßen Heizungsanlage kann sich der Betrieb beider Wärmeerzeuger 5, 6 überschneiden, wobei beide Wärmeerzeuger 5,6 in einem solchen Betrieb in Reihe arbeiten können. Die Wärmepumpe 5 bildet dabei eine Art Vorerwärmung für den Hochtemperatur-Wärmeerzeuger 6. In dem Fall, dass der Hochtemperatur-Wärmeerzeuger 6 im Betrieb ist, kann die in 4 vorgesehene interne Kleinwärmepumpe 10 außer Betrieb gesetzt werden. Das über den Hochtemperatur-Wärmeerzeuger 6 erwärmte Wärmeträgermedium wird in diesem Fall über die gleichen Strömungswege geleitet, wie beim Betrieb der Kleinwärmepumpe 10.
Falls die Solaranlage in Betrieb ist, steigt die über den Solarwärmetauscher 8 in die hydraulische Weiche 1 eingebrachte Wärme hydrostatisch in dem Strömungsraum 2 nach oben und kann entweder zur Erhöhung der Temperatur des im oberen Bereich des Strömungsraums 2 befindlichen Wärmeträgermediums oder auch direkt zur Befüllung des Wärmespeichers 7 dienen, vorausgesetzt die Umweltbedingungen lassen einen solchen Betrieb zu. Auch kann der Solarwärmetauscher 8 als Vorerwärmung für den Betrieb der internen Wärmepumpe 10 dienen.
In einstrahlungsarmen Betriebszeiten bietet der Solarwärmetauscher 8 einen selbst regelnden Vorwärmeffekt durch den in der unteren Strömungsstufe 2.1 angeordneten Solarwärmetauscher 8, der die Gesamtenergiebilanz der Heizungsanlage wirksam verbessert. Die über den Solarkollektor der Solaranlage gewonnene Wärme, kann je nach deren Temperaturniveau aufgrund schwankender Umweltbedingungen selbstregelnd auf verschiedene Arten genutzt werden. Beispielsweise in einstrahlungsstarken Betriebszeiten ist davon auszugehen, dass für die Raumheizung 42 keine Wärme benötigt wird. In solchen Betriebszeiten ist die Pumpe 33 außer Betrieb, vgl. 4. Das Wärmeträgermedium steigt innerhalb des Strömungsraums 2 erwärmt über den Solarwärmetauscher 8 nach oben und steht zur Einlagerung in dem oberen Bereich 7.3 des Wärmespeichers 7 zur Verfügung. Reicht das Temperaturniveau der Sonneneinstrahlung hierzu nicht aus oder besteht kein Bedarf im oberen Speicherbereich 7.3, kann die über den Solarwärmetauscher 8 eingebrachte Wärme für den Niedertemperatur-Wärmeverbraucher 42 über die Pumpe 33 beispielsweise zur Raumheizung verwendet werden.
Wie bereits beschrieben kann die über den Solarkollektor 8 eingebrachte Wärme zur Vorerwärmung des Vorlaufs 6.1 des Hochtemperatur-Wärmeerzeugers 6 oder zur Vorerwärmung des Vorlaufs 5.1 des Niedertemperatur-Wärmeerzeugers 5 genutzt werden. Bei einer Vorwärmung des Vorlaufs 6.1 würde die Wärmeabgabe an das Wärmeträgermedium im Gegenstrom, bei Abgabe an den Vorlauf 5.1 im Gleichstrom erfolgen, was jedoch bei Betrieb der Pumpe 32 eher unwahrscheinlich ist, da die über den Solarwärmetauscher 8 eingebrachte Wärme in diesem Fall in dem Strömungsraum 2 bevorzugt nach oben steigt.
In 6 dargestellt ist eine Heizungsanlage mit einem als Schichtenspeicher ausgebildeten Wärmespeicher 7, der über einen Hochtemperatur-Wärmeerzeuger 6 mit Energie beladen wird. Der Hochtemperatur-Wärmeerzeuger 6 ist über die hydraulische Weiche 1 an den Speicher 7 in der bereits beschriebenen Art und Weise angeschlossen. Bei der Beladung des Speichers 7, können parallel beide Pumpen 32, 33 oder nur die Pumpe 32 in Betrieb sein. Falls es sich bei dem Hochtemperatur-Wärmeerzeuger 6 um eine Öl- oder Pellet-Heizung handelt, welche in der Lage sind, sehr gleichmäßig Wärmeenergie zu liefern, stellt sich der nachfolgend im Einzelnen beschriebene vorteilhafte Zustand ein.
Die Temperatur am Rücklauf 6.2 des Hochtemperatur-Wärmeerzeugers 6 beträgt beispielsweise 60°C, so dass es nicht erforderlich ist, die integrierte Wärmepumpe 10 in Betrieb zu nehmen. Um bei Bedarf den Niedertemperatur-Wärmeverbraucher 42 mit Energie zu versorgen, wäre es erforderlich, den mittleren bzw. unteren Bereich des Wärmespeichers 7 mit entsprechend temperierten Wärmeträgermedium zu beladen, da eine unnötig hohe Vorlauftemperatur an dem Niedertemperatur-Wärmeverbraucher 42 energetisch ungünstig wäre. Bei Bedarf beginnt die Pumpe 33 den Speicher 7 zu laden, indem zwischen den Speicheranschlüssen 4.1 und 4.2 der hydraulischen Weiche 1 ein Strömungskreis in Gang gebracht wird. Da der Hochtemperatur-Wärmeerzeuger 6 ebenfalls in Betrieb ist und einen Kreislauf zwischen den Anschlüssen 3.3 und 3.2 betreibt, kreuzen sich die beiden Wärmeträgermedienströme und mischen sich. Die Pumpe 33 ist dahingehend drehzahlgeregelt, dass eine bestimmte Temperatur, die zur Versorgung des Niedertemperatur-Wärmeverbrauchers 42 ausreicht, aufrechterhalten wird. Stellt die Sensorik einen Anstieg der Temperatur fest, wird die Pumpe schneller, fällt die Temperatur wird die Drehzahl gesenkt, um weniger Wasser zu fördern und damit das Mischverhältnis der beiden Wärmeträgermedienströme anzupassen.
Auch die übrigen Pumpen der Heizungsanlage sind drehzahlgeregelt, um beispielsweise eine genau dosierbare Einlagerung des Wärmeträgerfluids in den Wärmespeicher 7 erreichen zu können.
In 7 ist eine weitere Ausführung der Heizungsanlage dargestellt. Bei dieser Ausführung ist ein Niedertemperatur-Wärmeerzeuger 5 in Form einer Wärmepumpe vorgesehen, die über die hydraulische Weiche 1 mit dem Wärmespeicher 7 verbunden ist. Mit der hydraulischen Weiche 1 ergibt sich eine sehr einfache Zusammenschaltung der Solaranlage und der Wärmepumpenanlage mit dem Wärmespeicher 7. Die Beladung des Wärmespeichers 7 erfolgt mit niedrig temperierter Energie von 40°C über die Pumpe 33 in den mittleren Bereich 7.2 des Wärmespeichers 7. Das obere Speichervolumen 7.3 des Wärmespeichers 7 wird über die Pumpe 32 befüllt, wozu mittels der integrierten Wärmepumpe 10 das Wärmeträgerfluid zunächst von beispielsweise 40°C auf 60°C erwärmt wird. Über den Solarwärmetauscher 8 kann bei Anschluss einer Solaranlage jederzeit auch bei sehr geringen Einstrahlungen zusätzlich Energie in das System eingebracht werden.
In einem weiteren Betriebsmodus, in welchem die Pumpe 33 nicht in Betrieb ist und die Pumpe 32 in Betrieb genommen werden soll, kann die Rücklaufströmung auch über die Pumpe 14 realisiert werden, wodurch nur die obere Speicherhälfte des Wärmespeichers 7 beladen wird. Derartige Betriebszustände werden sich in sommerlichen Betriebssituationen einstellen, in welchen eine Bereitstellung von Brauchwarmwasser, nicht aber eine Heizungsversorgung erforderlich ist.
Mit der erfindungsgemäßen hydraulischen Weiche 1 lassen sich verschiedene Wärmeerzeuger in ein und dieselbe Heizungsanlage auf einfache Weise energieeffizient auch nachträglich im Sanierungsfall integrieren. Insbesondere ist es möglich, ohne anlagentechnische Umbaumaßnahmen nachträglich beispielsweise eine Wärmepumpenanlage in eine bestehende Heizungsanlage zu integrieren. Die über eine Solaranlage eingebrauchte Wärme wird auch bei schwankenden Umweltbedingungen effizient genutzt. Es ergibt sich eine weitgehend selbst regelnde Koordination unterschiedlicher Wärmeströme.

1: Hydraulische Weiche
2: Strömungsraum
2.1: Untere Strömungsstufe
2.2: Obere Strömungsstufe
3.1: Erzeugeranschluss
3.2: Erzeugeranschluss
3.3: Erzeugeranschluss
4.1: Speicheranschluss
4.2: Speicheranschluss
4.3: Speicheranschluss
5: Wärmeaufnehmer
6: Wärmeaufnehmer
7: Wärmespeicher
7.1: unterer Bereich
7.2: mittlerer Bereich
7.3: oberer Bereich
8: Solarwärmetauscher
9: Zylinder
10: Wärmepumpe
11: Ringraum
12: Mantelfläche
13: Mantelfläche
14: Verdampfer
15: Kondensator
16: Strömungshilfe
17: Doppelzylinder
20.1: Anschluss
20.2: Anschluss
20.3: Anschluss
21.1: Anschluss
21.2: Anschluss
21.3: Anschluss
25: Ventil
30: Pumpe
31: Pumpe
32: Pumpe
33: Pumpe
40: Wärmeverbraucher
41: Wärmeverbraucher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 2008/001697 [0018]
- DE 102008059541 [0021, 0021, 0061]
- DE 102008059543 [0022, 0061]

Claims

Hydraulische Weiche zum Anschluss von Wärmeerzeugern an eine Heizungsanlage, mit einem über Erzeugeranschlüsse (3.1, 3.2) zum Anschluss eines Wärmeerzeugers (5, 6) und Speicheranschlüsse (4.1, 4.2) zum Anschluss eines Wärmespeichers (7) von einem Wärmeträgerfluid durchströmbaren Strömungsraum (2), dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Strömungsraums (2) ein Solarwärmetauscher (8) zur Erwärmung des Wärmeträgerfluids durch Abgabe solarer Wärme angeordnet ist.
Hydraulische Weiche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Anschlüsse (3.1, 3.2, 4.1, 4.2) quer zur Strömungsrichtung des Strömungsraums (2) erstrecken.
Hydraulische Weiche nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Solarwärmetauscher (8) im Strömungsweg zwischen zwei Erzeugeranschlüssen (3.1, 3.2) und/oder zwei Speicheranschlüssen (4.1, 4.2) angeordnet ist.
Hydraulische Weiche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Erzeugeranschlüssen (3.1, 3.2) ein den Strömungsraum (2) in eine untere (2.1) und eine obere Strömungsstufe (2.2) teilender Erzeugeranschluss (3.3) vorgesehen ist.
Hydraulische Weiche nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten und der zweiten Strömungsstufe (2.1, 2.2) ein Speicheranschluss (4.3) zur Einlagerung von Wärmeträgerfluid aus der ersten Strömungsstufe (2.1) in den Wärmespeicher (7) vorgesehen ist.
Hydraulische Weiche nach Anspruch 4 und/oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Solarwärmetauscher (8) in der unteren Strömungsstufe (2.1) angeordnet ist.
Hydraulische Weiche nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch eine innerhalb des Strömungsraums (2) angeordnete Wärmepumpe (10) zur Umschichtung von Wärme aus der ersten Strömungsstufe (2.1) in die zweite Strömungsstufe (2.2).
Hydraulische Weiche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsraum (8) eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist.
Hydraulische Weiche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Solarwärmetauscher (8) wendelförmig ausgebildet ist.
Hydraulische Weiche nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Wärmetauscher wendelförmig in einem Ringraum (11) zwischen einem den Strömungsweg blockierenden Zylinder (9) und einer den Strömungsraum (2) begrenzenden Mantelfläche (12) erstreckt.
Hydraulische Weiche nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Unterstützung einer turbulenten Strömung des Wärmeträgerfluids zwischen dem Solarwärmetauscher (8) und einer Wand des Strömungsraums (2) und/oder einer Wand des Zylinders (9) angeordnet sind.
Heizungsanlage mit einem Wärmeerzeuger (5, 6) und einem Wärmespeicher (7) zum Speichern von über den Wärmeerzeuger (5, 6) erzeugter Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeerzeuger (5, 6) und der Wärmespeicher (7) über eine hydraulische Weiche (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 miteinander verbunden sind.
Heizungsanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass an die untere Strömungsstufe (2.1) ein Niedertemperatur-Wärmeerzeuger (5) angeschlossen ist, dessen Vorlauf (5.1) und Rücklauf (5.2) über die untere Strömungsstufe (2.1) kurzgeschlossen sind.
Heizungsanlage nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass an die obere Strömungsstufe (2.1) ein Hochtemperatur-Wärmeerzeuger (6) angeschlossen ist, dessen Vorlauf (6.1) und Rücklauf (6.2) über die obere Strömungsstufe (2.2) kurzgeschlossen sind.
Heizungsanlage nach Anspruch 13 und/oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücklauf (5.2) des Niedertemperatur-Wärmeerzeugers (5) und/oder der Vorlauf (6.1) des Hochtemperaturerzeugers (6) über den Anschluss (3.3) an die hydraulische Weiche (1) angebunden sind.
Heizungsanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochtemperaturerzeuger (6) derart an die hydraulische Weiche (1) angeschlossen ist, dass dessen Vorlauf (6.1) und dessen Rücklauf (6.2) über die untere und die obere Strömungsstufe (2.1, 2.2) kurzgeschlossen sind.
Heizungsanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Solarwärmetauscher (8) mit einem Sonnenenergie aufnehmenden Solarkollektor verbunden ist.
Heizungsanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Weiche (1) über drei Speicheranschlüsse (4.1, 4.2, 4.3) an den Wärmespeicher (7) angeschlossen ist.
Heizungsanlage einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Weiche (1) über zwei Speicheranschlüsse (4.1, 4.2) an den Wärmespeicher (7) angeschlossen ist, wobei der obere Speicheranschluss (3.2) mit einem Ventil (20) zur wahlweisen Einlagerung von Wärmeträgerfluid in einen oberen Bereich (7.3) oder einen mittleren Bereich (7.2) des Wärmespeichers (7) versehen ist.
Verfahren zum Betrieb einer Heizungsanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die über den Solarkollektor aufgenommene Wärme über eine hydraulische Weiche (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in den Wärmespeicher (7) eingelagert wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass neben der über den Solarwärmetauscher (8) in die hydraulische Weiche (1) eingebrachten Wärme entsprechend dem Bedarf eines über den Wärmespeicher (7) mit Wärme versorgten Wärmeverbrauchers (41, 42) wahlweise ein Niedertemperatur-Wärmeerzeuger (5) und/oder ein Hochtemperatur-Wärmeerzeuger (6) zur Einbringung weiterer Wärme in die hydraulische Weiche (1) zugeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Bedarf des Wärmeverbrauchers (40, 41) sensorisch erfasst wird und die Zuschaltung automatisch erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlagerung des Wärmeträgerfluids in den Wärmespeicher (7) nach Zuschaltung eines Wärmeerzeugers (5, 6) zeitlich verzögert erfolgt.