DE102012017343B4

DE102012017343B4 - Dezentraler Warmwasser-Bereiter/ -Speicher

Info

Publication number: DE102012017343B4
Application number: DE102012017343.1A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-08-29
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2015-06-11
Anticipated expiration: 2032-08-30
Also published as: DE102012017343A1

Abstract

Warmwasser-Bereiter/-Speicher, beheizt von einer Wärmepumpe (bestehend aus Verdampfer 1, Verdichter 2, Kondensator 3 und Expansionsorgan 4), der der Versorgung einer Warmwasser-Abnahmestelle dient und wobei der Warmwasser-Bereiter 7, in dem vom Kondensator die Kondensationswärme abgegeben wird, gleichzeitig der Warmwasser-Speicher ist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Warmwasser-Bereiter/-Speicher dezentral und in unmittelbarer Nähe zu dieser Abnahmestelle angeordnet ist, – der Verdampfer 1 in einem Wasserbehälter 5 unterhalb der Decke 6 angeordnet ist und – um den wärmegedämmten Warmwasser-Speicher 7 ein ringförmiger Kaltwasser-Speicher 8 angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen dezentralen Warmwasser-Bereiter/-Speicher, der von einer Wärmepumpe beheizt wird. Mit einer Wärmepumpe beheizte Warmwasser-Speicher sind seit längerem bekannt und werden von verschiedenen Herstellern in weitgehend gleicher Bauweise als zentrale Anlagen insbesondere für Einfamilienhäuser angeboten. Die nachfolgende Zusammenstellung ist den Angeboten einiger führender Wärmepumpenhersteller entnommen

		AEG	Stiebel-Eltron	Ochsner	Viessmann
Heizleistung der WP	kW	1,70	1,60	2,20	1,52
El. Leistung der WP	kW	0,50		0,54	0,43
Leistungszahl		3,50	4,10		3,56
Zusatzheizung	kW	1,55	1,50		1,50
Luftdurchsatz	m³/h	550			250
Kältemittel		R134a		R134a	R134a
Nenninhalt	l	300	303	300	285
Höhe	mm	1875	1792	1850	1846
Gewicht	kg	125	150	165	105

Der Bereitschaftsstromverbrauch für 24 Stunden ist bei Stiebel-Eltron mit 0,75 kWh und bei Viessmann mit 2,48 kWh angegeben. Quelle Internetseiten der Hersteller: www:aeg.de, www.stiebel-eltron.de, www.ochsner.com, www.viessmann.de;
Aus der DE 10 2009 034 879 A1 ist ein gattungsgemäßer Warmwasser-Bereiter/-Speicher mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Stromverbrauch dieser WW-Speicher deutlich zu senken.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Bild 1 zeigt eine Schnittdarstellung des WW-Speichers mit den wesentlichen Bauteilen. Der Wärmepumpen-Kreislauf besteht aus dem Verdampfer 1, dem Verdichter 2, dem Kondensator 3 und dem Expansionsorgan 4. Der Verdampfer 1 ist in einem üblicherweise kreisförmigen Wasserbehälter 5 mit einer großen Wärmeübertragungsfläche und einer verhältnismäßig geringen Dicke (ca. 10 bis 25 cm) angeordnet. Dem Wasser ist ein Frostschutzmittel zugesetzt, um bei negativen Verdampfungstemperaturen, die bei besonders ungünstigen Betriebsbedingungen auftreten können, ein Einfrieren des Wassers zu verhindern. Um den durch zwei kreisringförmige Isolierschalen 11 wärmegedämmten WW-Speicher 7 ist ein ringförmiger, nicht wärmegedämmter Kaltwasserspeicher 8 angeordnet.
Diese Lösung hat folgende Vorteile

– Die Wärmeaufnahme des Verdampfers erfolgt unabhängig von der Laufzeit des Verdichters und es ergeben sich dadurch kleinere Temperaturdifferenzen zwischen der Verdampfungstemperatur t_V und der Kondensationstemperatur t_K
– Die Kaltwasserzufuhr erfolgt im Normalfall mit einer Wassertemperatur von 10°C. Mit den Wärmeverlusten des WW-Speichers erfolgt eine Vorwärmung des Kaltwassers bis auf die Raumtemperatur. Erst danach wird Wärme an den Raum abgegeben.

Für die Auslegung des WW-Bereiters gelten folgende Berechnungsgleichungen Q_V = f(t_K, t_V) N = f(t_K, t_V) Q_K = Q_V + N Q₁ = k₁·A₁·(t_R – t_V) Q₂ = k₂·A₂·(t_WW – t_KW) Q₃ = k₃·A₃·(t_KW – t_R) dt_v = 0,06·(Q₁ – Q_V)/(c_w·m_v) dt_WW = 0,06·(Q_K – Q₂)/(c_w·m_WW) dt_KW = 0,06·(Q₂ – Q₃)/(c_w·m_KW)
Dabei bedeuten (siehe auch Bild 2)

A₁: Oberfläche Verdampfer-Speicher
A₂: Oberfläche WW-Speicher
A₃: Oberfläche KW-Speicher
k₁: Wärmedurchgangszahl Verdampfer-Speicher
k₂: Wärmedurchgangszahl WW-Speicher
k₃: Wärmedurchgangszahl KW-Speicher
m_v: Wasserinhalt des Verdampfer-Wasserspeichers
m_KW: Wasserinhalt des KW-Wasserspeichers
m_WW: Wasserinhalt des WW-Wasserspeichers
N: Verdichterleistung
Q₁: Wärmeaufnahme Verdampfer-Wasserspeicher
Q₂: Wärmeabgabe Warmwasser-Speicher
Q₃: Wärmeabgabe Kaltwasser-Speicher
Q_K: Kondensationswärme
Q_V: Verdampfungswärme
t_R: Raumtemperatur
t_K: Kondensationstemperatur
t_V: Verdampfungstemperatur
t_WW: Wassertemperatur Kondensator-Speicher
t_KW: Wassertemperatur Verdampfer-Speicher

Eingesetzt werden können vollhermetische Hubkolbenverdichter, die von wenigen Herstellern in sehr großen Stückzahlen produziert werden und die vollkommen wartungsfrei sind und über 10 und mehr Jahre störungsfrei arbeiten. Für ein Berechnungsbeispiel wird der Verdichter SC 10 GH des Danfoss-Konzerns gewählt, der folgende Kennwerte hat

Verdampfungstemperatur t_V = –35 bis 20°C

Kondensationstemperatur t_K = 30 bis 65°C

Kältemittel R 134a

Hubvolumen V_Hub = 12,29 cm³

Motorleistung N = 250 W
Von Danfoss wird auf seiner Internetseite www.danfoss.com das Berechnungsprogramm „RS + 3” bereitgestellt, mit dem die Abhängigkeit der Kälteleistung Q_K und der Leistungsaufnahme N in Abhängigkeit von t_V und t_K für die von Danfoss angebotenen vollhermetischen Hubkolbenverdichter berechnet werden kann.
Für den ausgewählten Verdichter SC 10 GH können diese Werte in Form folgender Potenzreihen wiedergegeben werden N = 231 – 2,6·t_V + 2,3·t_K – 0,05·t_V ² + 0,17·t_V·t_K in W Q_K = 1256,5 + 63,125·t_V – 12,35·t_K + 0,6425·t_V ² – 0,7025·t_V·t_K
Beispielsweise ergibt sich für t_V = 0°C und t_K = 30°C
N = 300 W und Q_K = 886 W.
Als weitere Werte für das Berechnungsbeispiel werden gewählt
t_R = 20°C
k₁·A₁ = 50 W/grd
k₂·A₂ = 1 W/grd
k₃·A₃ = 10 W/grd
m_v = 100 kg
m_KW = 30 kg
m_WW = 60 kg
In Tabelle 1 ist die Änderung der Zustandsgrößen für die ersten 10 Minuten nach einer vollständigen Entleerung des WW-Speichers angegeben. Für den Startzeitpunkt gilt damit

t_V = 20°C t_WW = 15°C t_KW = 10°C
Allgemein gilt, dass der Verdichter einschaltet, wenn t_WW den Wert von 45°C unterschreitet, und ausschaltet, wenn t_WW den Wert von 50°C erreicht. Die Berechnung erfolgt in Zeitschritten von 0,4 Minuten. Bei diesen kleinen Zeitschritten können ohne Einbuße an Genauigkeit die differentiellen Größen dt und dτ durch Differenzwerte Δt und Δτ ersetzt werden.
Durch Aufsummierung der Werte der Tabelle 1 können die Energieströme im Verlauf des Tages und die Gesamtwerte bestimmt werden. In Tabelle 2 sind auf der linken Seite die Momentanwerte zum Stundenbeginn für t_V, t_i und t_K und auf der rechten Seite die Energieströme in kWh angegeben. Der Verlauf der Energieströme und die Tagessummen hängen entscheidend vom Profil der WW-Entnahme ab. In Tabelle 2 wurde eine vollständige Entleerung des WW-Speichers jeweils um 6 Uhr, 10 Uhr, 14 Uhr und 18 Uhr angenommen.
In Tabelle 3 sind exemplarisch für 6 Entnahmeprofile die täglichen Summen der Energieströme angegeben. Die Leistungszahl schwankt zwischen 4,51 und 5,99 und liegt damit deutlich über den oben genannten Werten. In den ersten vier Fällen ist Q₃ negativ, d. h. es wird vom KW-Speicher dem umgebenden Raum Wärme entzogen. In der letzten Zeile sind noch die auftretenden Bereitschaftsverluste angegeben, wenn über 24 Stunden kein Warmwasser entnommen wird. Die Stromaufnahme des Verdichters beträgt 0,1368 kWh/Tag. Dafür wird eine Wärmemenge von 0,6054 kWh/Tag vom WW-Speicher durch den KW-Speicher an den umgebenden Raum abgegeben. Die vorgeschlagene Lösung reduziert damit die Bereitschaftsverluste erheblich.
Tabelle 1
Tabelle 2
Tabelle 3

Claims

Warmwasser-Bereiter/-Speicher, beheizt von einer Wärmepumpe (bestehend aus Verdampfer 1, Verdichter 2, Kondensator 3 und Expansionsorgan 4), der der Versorgung einer Warmwasser-Abnahmestelle dient und wobei der Warmwasser-Bereiter 7, in dem vom Kondensator die Kondensationswärme abgegeben wird, gleichzeitig der Warmwasser-Speicher ist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Warmwasser-Bereiter/-Speicher dezentral und in unmittelbarer Nähe zu dieser Abnahmestelle angeordnet ist, – der Verdampfer 1 in einem Wasserbehälter 5 unterhalb der Decke 6 angeordnet ist und – um den wärmegedämmten Warmwasser-Speicher 7 ein ringförmiger Kaltwasser-Speicher 8 angeordnet ist.
Warmwasser-Bereiter/-Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltwasser durch den Kaltwasser-Zufluss 9 von unten in den Kaltwasser-Speicher eintritt und oben durch einen Zwischenspalt innerhalb der Wärmedämmung 11, die aus zwei kreisförmigen Isolierschalten besteht, nach unten fließt, dort in den Warmwasser-Speicher 7 eintritt und ihn oben als Warmwasser durch ein zur Warmwasser-Zapfstelle 10 führendes, zentral angeordnetes Abflussrohr verlässt.
Warmwasser-Bereiter/-Speicher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass für besondere Bedarfsfälle ein Heizstab 12 als EDH vorhanden ist, der vollkommen unabhängig von der Wärmepumpe allein vom Nutzer entsprechend seinen individuellen Bedürfnissen ein- und ausgeschaltet wird.