DE102009024966B4

DE102009024966B4 - Vorrichtung zur Übertragung der mittels einer Wärmepumpe gewonnenen Energie auf andere Baugruppen und Baugruppe bestehend aus mehreren solchen Vorrichtungen

Info

Publication number: DE102009024966B4
Application number: DE102009024966.4A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-06-12
Filing date: 2009-06-12
Publication date: 2019-01-31
Anticipated expiration: 2029-06-13
Also published as: DE102009024966A1

Abstract

Vorrichtung zur Übertragung der mittels einer Wärmepumpe aus dem Erdreich und/oder dem Grundwasser und/oder der Außenluft gewonnenen Energie auf Baugruppen zur Weiterleitung von Energieteilmengen auf nachfolgend angeordnete Wärmeabnehmer, bestehend aus mindestens einem geschlossenen Behälter, der mit einem fluiden Medium gefüllt ist, wobei innerhalb des Mediums im Behälter mindestens eine Wärmeenergie abgebende Baugruppe einer Wärmepumpe sowie mindestens eine Wärmeenergie aufnehmende Baugruppe einer Heizungs- und/oder Warmwasseraufbereitungsanlage angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter einen Grundkörper (1) mit einem Innenraum aufweist, der ausgehend von seiner unteren Grundfläche (2) eine sich nach oben verjüngende Mantelfläche in eine obere Deckfläche (4) übergeht, wobei im Grundkörper (1) im unteren Bereich die Wärmeenergie abgebende Baugruppe (5) der Wärmepumpe, im mittleren Bereich die Wärmeenergie aufnehmende Baugruppe (6) einer Heizungsanlage und im oberen Bereich die Wärmeenergie aufnehmende Baugruppe (7) einer Warmwasseraufbereitungsanlage angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung der mittels einer Wärmepumpe aus dem Erdreich und/oder dem Grundwasser und/oder der Außenluft gewonnenen Energie auf Baugruppen zur Weiterleitung von Energieteilmengen auf nachfolgend angeordnete Wärmeabnehmer. Die Vorrichtung besteht aus mindestens einem geschlossenen Behälter, der mit einem fluiden Medium gefüllt ist. Innerhalb des Mediums im Behälter sind mindestens eine Wärmeenergie abgebende Baugruppe einer Wärmepumpe sowie mindestens eine Wärmeenergie aufnehmende Baugruppe einer Heizungs- und/oder einer Warmwasseraufbereitungsanlage angeordnet.
Allgemein bekannt ist es, Anlagen zur Gebäudeheizung mit einem Heizkessel für ein fluides Wärmeträgermedium auszugestalten. Durch dieses Wärmeträgermedium werden Rohrleitungen geführt, die jeweils im Kreislauf mit Heizungsverbrauchern in Wirkverbindung stehen. Unter Beachtung energieökonomischer Aspekte werden derartige Heizungsanlagen seit einiger Zeit oftmals mit Zusatzheizungen kombiniert, wobei in den Übergangsperioden zu Beginn und Ende des Winterhalbjahres eine Nutzung der Zusatzheizung ausreichend ist. Für diese Zusatzheizungen wird primär eine direkte Einbindung in die „zentrale“ Heizung angestrebt, sodass die vorhandenen Baugruppen auch für temporäre und mit einem anderen Heizmedium betriebene zusätzliche Heizungsbaugruppen genutzt werden. Hierfür werden vorzugsweise Wärmepumpen verwendet.
Die DE 199 21 038 A1 beschreibt eine diesbezügliche technische Lösung, bei der die Heizung neben einem für feste, flüssige oder gasförmige Brennstoffe geeigneten Heizkessel eine zusätzliche Wärmepumpe aufweist. Bei geringem Wärmebedarf ist zunächst lediglich die Wärmepumpe in Betrieb. Sobald jedoch ein definierter Wärmebedarf überschritten wird, bleibt die Wärmepumpe weiterhin im Betrieb und wird dann vom eigentlichen Heizkessel unterstützt, sodass beide Wärmeerzeuger parallel betrieben werden.
Aus der DE 199 48 456 A1 ist eine ähnlich konstruierte Vorrichtung mit mindestens einem Durchlauf-Warmwasser-Radiator zum Abgeben von Wärme an die Umgebungsluft und einem geschlossenen Rohrsystem zum zirkulierenden Transport von Wasser bekannt. Ein Abschnitt des Rohrsystems wird durch einen Flüssigkeitstank geführt, dessen Flüssigkeit mittels einer Luftwärmepumpe aufgewärmt wird. Die in der Flüssigkeit gespeicherte Wärme wird durch einen Wärmetauscher auf das Wasser des Rohrsystems übertragen. Alternativ oder zusätzlich zur Aufbereitung von Heizungswasser ist vorgesehen, dass durch Nutzung eines zweiten Rohrsystems auch eine Bereitstellung von Warmwasser realisiert werden kann.
Der Einsatz von Plattenwärmetauschern ergibt Probleme bei der Funktionsfähigkeit, weil häufig Hochdruckstörungen auftreten. Vom Plattenwärmetauscher wird dann auf den Warmwasserspeicher und Heizungsspeicher verteilt. Folglich wird viel Bauraum benötigt und eine aufwändige Installation ist notwendig, sodass sich auch hohe Kosten ergeben. Die bekannten Wärmetauscher, die von Heizung und Wasser durchströmt werden, haben bisher durch Verschlammung und Verkalkung auch diesbezüglich hohe Kosten verursacht. Außerdem bewirken die bisherigen Speichersysteme oftmals Probleme hinsichtlich der Schichtung und Wärmeverteilung, für die Pumpen und Umschaltventile benötigt werden, die ebenfalls zusätzliche Kosten ergeben.
Trotz der benannten Unzulänglichkeiten sind Anwendungen von Wärmepumpen sowohl unter wirtschaftlichen als auch ökologischen Aspekten als vorteilhaft zu bewerten. Denn die im Erdreich, im Grundwasser und in der Außenluft gespeicherte Sonnenenergie ist, ungeachtet der für die Nutzung notwendigen Gerätetechnik, kostenlos verfügbar. Ferner wird die Umweltbelastung vermindert, indem durch Wärmepumpen ein erheblicher Anteil der in einem üblichen Haushalt für Heizung und Warmwasser benötigten Energie unmittelbar aus der Umwelt gewonnen werden kann.
Dies hat dazu geführt, dass im Innenraum eines mit Wasser gefüllten Behälters oftmals verschiedene Baugruppen zur Aufheizung des Wassers und zur Entnahme von dessen Wärmeenergie für nachfolgende Nutzungen übereinander angeordnet werden. Hierbei wurde bereits mehrfach eine Wärmeschichtung vorgeschlagen, in dem im unteren Bereich eine mit einer Wärmepumpe in Wirkverbindung stehende „Heizquelle“ angeordnet ist, über der sich separate Baugruppen zur Erwärmung von Heizungswasser oder Warmwasser befinden. Damit hierbei ein hoher energetischer Wirkungsgrad erreicht werden kann, besteht jedoch insbesondere für solche Baugruppen weiterhin ein Entwicklungsbedarf, die zur Wärmeübertragung von der Wärmepumpe zu nachfolgenden Wärmeabnehmern konzipiert sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige Vorrichtung zur Übertragung der mittels einer Wärmepumpe aus dem Erdreich und/oder dem Grundwasser und/oder der Außenluft gewonnenen Energie auf Baugruppen zur Weiterleitung von Energieteilmengen auf nachfolgend angeordnete Wärmeabnehmer zu schaffen, die selbsttätig und ohne Nutzung zusätzlicher Pumpen oder ähnlicher Baugruppen einen wirksamen Wärmeübertrag zwischen den einzelnen Baugruppen der Vorrichtung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem der Behälter einen Grundkörper mit einem Innenraum aufweist, der ausgehend von seiner unteren Grundfläche eine sich nach oben verjüngende Mantelfläche aufweist, die in eine obere Deckfläche übergeht, wobei im Grundkörper im unteren Bereich die Wärmeenergie abgebende Baugruppe der Wärmepumpe, im mittleren Bereich die Wärmeenergie aufnehmende Baugruppe einer Heizungsanlage und im oberen Bereich die Wärmeenergie aufnehmende Baugruppe einer Warmwasseraufbereitungsanlage angeordnet sind. Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Baugruppe mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, deren technische Merkmale in einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.
Die Abmessungen und geometrischen Ausgestaltungen (z.B. Pyramide oder Kegel) des Grundkörpers können variieren. Unabhängig von der jeweils konkreten Größe und Form werden jedoch stets die folgenden Merkmale realisiert, um die angestrebten funktionellen Vorteile zu gewährleisten:

- im Bereich des unteren Wärmetauschers (Wirkverbindung mit Wärmepumpe) ist eine größere Grundfläche vorhanden
- der Heizkörper- bzw. Fußbodenwärmetauscher wird unterhalb des Wärmetauschers für das Warmwasser angeordnet
- der Wärmetauscher für das Warmwasser wird in dem sich verjüngenden Kopfende des Grundkörpers angeordnet

Durch diese räumliche Zuordnung ergeben sich aus energetischer Sicht folgende Effekte:

- Wärmeeintrag (Energiebeladung) unten im kältesten, volumenerweiterten Bereich
- Wärmeaustrag (Energieentnahme) weiter oben im warmen, volumenreduzierten Bereich
- zwangsläufige Wärmeverteilung im Inneren nach Dichteausgleich ohne Pumpen

Die sich nach oben verjüngende Form des Grundkörpers bewirkt, dass das Medium im oberen Bereich des Behälters schnell heiß wird und somit kurzfristig als Warmwasser im Haushalt (oder bei größer ausgelegten Vorrichtungen auch in der Industrie) verfügbar ist. Gleichzeitig bewirkt diese sich nach oben verjüngende Form des Grundkörpers, dass das Medium im unteren Bereich des Behälters relativ kühl bleibt, sodass der hier angeordnete Kondensator der Wärmepumpe gekühlt wird. Diese Form macht es auch möglich, unterschiedliche Wärmequellen (z.B. Kondensator einer Wärmepumpe und bei Bedarf auch alternativ oder zusätzlich Solar/Holz/Gas- oder Ölbrenner usw.) bedarfsgerecht einzuspeisen und auf alle dem Grundkörper zugeordneten Anschlüsse für Verbraucher (z.B. Heizkörper, Fußbodenheizung, Lüftungsregister, Schwimmbadwasser, Trinkwasser usw.) temperaturgerecht zu verteilen.
Die einzelnen Baugruppen sind innerhalb des Grundkörpers hydraulisch voneinander getrennt, sodass eine Durchmischung und gegenseitige Beeinflussung vermieden wird. Durch die Einspeisung an der untersten kältesten Stelle und die Entnahme des Warmwassers an der obersten heißesten Stelle wird neben der schnellen Betriebsbereitschaft auch gewährleistet, dass sich keine Probleme wegen Legionellen oder sonstiger Hygienekriterien ergeben. Das Trinkwasser wird im Durchlaufverfahren erwärmt, wobei durch die Zuordnung der Heizungsverbraucher in den mittleren Bereich des Grundkörpers gewährleistet ist, dass dem Trinkwasser keine Wärme von der Raumheizung entzogen wird.
Diese Vorrichtung ist für zahlreiche technische Gebiete unter Nutzung von Wärmepumpen, Solaranlagen und sonstigen alternativen Energiequellen geeignet. Obwohl die Anwendung in großindustriellen Anlagen grundsätzlich möglich ist, ergeben sich aus heutiger Sicht insbesondere umfangreiche Nutzungsmöglichkeiten im Bereich privater Haushalte.
Unabhängig von der konkreten Ausführung und Anwendung stellt die erfindungsgemäße technische Lösung eine kostengünstige Vorrichtung zur Übertragung der mittels einer Wärmepumpe aus dem Erdreich und/oder dem Grundwasser und/oder der Außenluft gewonnenen Energie auf Baugruppen zur Weiterleitung von Energieteilmengen auf nachfolgend angeordnete Wärmeabnehmer zur Verfügung, die selbsttätig und ohne Nutzung zusätzlicher Pumpen oder ähnlicher Baugruppen einen wirksamen Wärmeübertrag zwischen den einzelnen Baugruppen der Vorrichtung ermöglicht.
Für großindustrielle Anwendungen werden mehrere gleichartige der oben genannten Vorrichtungen vorzugsweise kaskadenförmig zu einer gemeinsamen Baugruppe zusammengefügt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen:

1 eine erste Ausführung der Vorrichtung in perspektivischer Darstellung
2 die Vorrichtung gemäß 1 in Seitenansicht, Vorderansicht und Draufsicht und
3 eine zweite Ausführung der Vorrichtung in perspektivischer Darstellung
4 die Vorrichtung gemäß 3 in Seitenansicht, Vorderansicht und Draufsicht

Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung ist zur Übertragung der mittels einer Wärmepumpe aus dem Erdreich und/oder dem Grundwasser und/oder der Außenluft gewonnenen Energie auf Baugruppen zur Weiterleitung von Energieteilmengen auf nachfolgend angeordnete Wärmeabnehmer konzipiert. Diese Vorrichtung besteht aus mindestens einem geschlossenen Behälter, der mit einem fluiden Medium gefüllt ist. Der Behälter ist vorzugsweise mit einer Isolierung ausgestattet und weist verschiedenartige Baugruppen auf. Ein derartiger Aufbau ist an sich bekannt, sodass diesbezüglich auf nähere Erläuterungen verzichtet werden kann. Deshalb werden nachfolgend lediglich Merkmale näher erläutert, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung wesentlich sind.
Der Behälter besteht aus einem Grundkörper 1 mit einem Innenraum, der ausgehend von seiner unteren Grundfläche 2 eine sich nach oben verjüngende Mantelfläche 3 aufweist Die Mantelfläche 3 geht in eine obere Deckfläche 4 über.
Die Mantelfläche 3 kann sich abschnittsweise nach oben verjüngend ausgestaltet werden. Bevorzugt werden Varianten, bei denen diese Mantelfläche 3 als eine sich kontinuierlich nach oben verjüngende Mantelfläche 3 ausgestaltet ist. Hierfür kann die Mantelfläche 3 beispielsweise eine pyramidenstumpfförmige Kontur oder eine kegelstumpfförmige Kontur aufweisen.
1 und 3 zeigen alternative Ausführungen mit einer sich jeweils kontinuierlich nach oben verjüngenden Mantelfläche 3. Dabei können einzelne Seiten der Mantelfläche 3 exakt vertikal und mindestens eine Seitenfläche schräg nach oben verlaufen, sodass insgesamt eine sich nach oben verjüngende Mantelfläche 3 erzielt wird.
Unabhängig von der jeweils konkreten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Übergang vom oberen Endabschnitt der Mantelfläche 3 zur oberen Deckfläche 4 mit einem Winkel „α“ zwischen 96° und 112° ausgestaltet wird.
Im unteren Bereich des Grundkörpers 1 ist eine Wärmeenergie abgebende Baugruppe 5 einer Wärmepumpe angeordnet. Diese Baugruppe 5 kann in der unteren Grundfläche 2 des Grundkörpers 1 abgestützt werden. Vorzugsweise wird die Wärmeenergie abgebende Baugruppe 5 der Wärmepumpe jedoch in einem unteren Abschnitt der Mantelfläche 3 des Grundkörpers 1 abgestützt. Eine derartige Anordnung ist aus 2 und 4 ersichtlich.
Im mittleren Bereich des Grundkörpers 1 ist eine Wärmeenergie aufnehmende Baugruppe 6 einer Heizungsanlage angeordnet. Außerdem ist im oberen Bereich eine Wärmeenergie aufnehmende Baugruppe 7 einer Warmwasseraufbereitungsanlage angeordnet. Diese Wärmeenergie aufnehmenden Baugruppen 6 und 7 sind übereinander angeordnet, gemäß 2 in unterschiedlichen Konturlinien der Mantelfläche 3 des Grundkörpers 1. Ebenso könnten die Wärmeenergie aufnehmenden Baugruppen 6 und 7 in derselben Konturlinie der Mantelfläche 3 abgestützt werden. Bevorzugt wird jedoch eine Ausgestaltung, bei welcher die Wärmeenergie aufnehmende Baugruppe 6 der Heizungsanlage in der Mantelfläche 3 und die Wärmeenergie aufnehmende Baugruppe 7 für das Warmwasser in der oberen Deckfläche 4 des Grundkörpers 1 abgestützt sind. Eine derartige Variante ist in 2 und 4 dargestellt.
Die beschriebene Vorrichtung kann verschiedenartig weiter ausgestaltet werden, ohne dass solche Varianten in der Zeichnung dargestellt sind. So können der Wärmeenergie aufnehmenden Baugruppe 6 für die Heizungsanlage mehrere separate Heizkörper oder auch Elemente einer Fußbodenheizung zugeordnet werden. Schließlich können auch mehrere Vorrichtungen vorzugsweise kaskadenförmig als gemeinsame Baugruppe zusammengefügt werden, wodurch insbesondere großindustrielle Anwendungen möglich werden.
Bezugszeichenliste

1: Grundkörper des Behälters
2: untere Grundfläche
3: Mantelfläche
4: obere Deckfläche
5: Baugruppe von Wärmepumpe
6: Baugruppe von Heizung
7: Baugruppe von Warmwasseraufbereitung
(α): Winkel am Übergang von Mantelfläche und Deckfläche

Claims

Vorrichtung zur Übertragung der mittels einer Wärmepumpe aus dem Erdreich und/oder dem Grundwasser und/oder der Außenluft gewonnenen Energie auf Baugruppen zur Weiterleitung von Energieteilmengen auf nachfolgend angeordnete Wärmeabnehmer, bestehend aus mindestens einem geschlossenen Behälter, der mit einem fluiden Medium gefüllt ist, wobei innerhalb des Mediums im Behälter mindestens eine Wärmeenergie abgebende Baugruppe einer Wärmepumpe sowie mindestens eine Wärmeenergie aufnehmende Baugruppe einer Heizungs- und/oder Warmwasseraufbereitungsanlage angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter einen Grundkörper (1) mit einem Innenraum aufweist, der ausgehend von seiner unteren Grundfläche (2) eine sich nach oben verjüngende Mantelfläche in eine obere Deckfläche (4) übergeht, wobei im Grundkörper (1) im unteren Bereich die Wärmeenergie abgebende Baugruppe (5) der Wärmepumpe, im mittleren Bereich die Wärmeenergie aufnehmende Baugruppe (6) einer Heizungsanlage und im oberen Bereich die Wärmeenergie aufnehmende Baugruppe (7) einer Warmwasseraufbereitungsanlage angeordnet sind.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (3) als eine sich kontinuierlich nach oben verjüngende Fläche ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (3) eine pyramidenstumpfförmige Kontur aufweist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (3) eine kegelstumpfförmige Kontur aufweist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (3) als eine sich abschnittsweise nach oben verjüngende Fläche ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dass der Übergangsbereich vom oberen Endabschnitt der sich nach oben verjüngenden Mantelfläche (3) zur oberen Deckfläche (4) mit einem Winkel (α) zwischen 96° und 112° ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, Wärmeenergie abgebende Baugruppe (5) der Wärmepumpe in der unteren Grundfläche (2) des Grundkörpers (1) abgestützt ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie abgebende Baugruppe (5) der Wärmepumpe in einem unteren Abschnitt der Mantelfläche (3) des Grundkörpers (1) abgestützt ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie aufnehmenden Baugruppen der Heizungsanlage (6) und der Warmwasseraufbereitungsanlage (7) in einem mittleren und oberen Abschnitt des Grundkörpers (1) abgestützt sind.
Vorrichtung nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie aufnehmenden Baugruppen der Heizungsanlage (6) und der Warmwasseraufbereitungsanlage (7) übereinander in derselben Konturlinie der Mantelfläche (3) des Grundkörpers (1) abgestützt sind.
Vorrichtung nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie aufnehmenden Baugruppen der Heizungsanlage (6) und der Warmwasseraufbereitungsanlage (7) übereinander in unterschiedlichen Konturlinien der Mantelfläche (3) des Grundkörpers (1) abgestützt sind.
Vorrichtung nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie aufnehmende Baugruppe (6) der Heizungsanlage in der Mantelfläche (3) des Grundkörpers (1) und die Wärmeenergie aufnehmende Baugruppe (7) der Warmwasseraufbereitungsanlage in der oberen Deckfläche (4) des Grundkörpers (1) abgestützt sind.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeenergie aufnehmenden Baugruppe (6) für die Heizungsanlage separate Heizkörper zugeordnet sind.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeenergie aufnehmenden Baugruppe (6) für die Heizungsanlage Elemente einer Fußbodenheizung zugeordnet sind.
Baugruppe zur Übertragung der mittels einer Wärmepumpe aus dem Erdreich und/oder dem Grundwasser und/oder der Außenluft gewonnenen Energie auf Baugruppen zur Weiterleitung von Energieteilmengen auf nachfolgend angeordnete Wärmeabnehmer, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe aus mehreren gleichartig ausgestalteten Vorrichtungen nach einem der Patentansprüche 1 bis 14 besteht, die vorzugsweise kaskadenförmig zusammengefügt sind.