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Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanlage sowie ein Verfahren zum Bereitstellen von Warmwasser für einen Verbraucher.
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Zur Erzeugung von Wärme für Gebäude, insbesondere Wohngebäude, werden heutzutage unterschiedlichste Techniken eingesetzt, um die benötigte Heizwärme und/oder das benötigte Brauchwarmwasser bereitzustellen. Neben herkömmlichen fossilbefeuerten Heizkesseln werden zunehmend auch Wärmepumpen bei Zentralheizungsanlagen eingesetzt, die der Umgebung Wärme entziehen. Zur Brauchwassererwärmung, aber auch zur Heizungsunterstützung sind daneben auch solarthermische Anlagen bekannt, die die Sonnenenergie zur Erwärmung des Wassers ausnutzen.
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Bei einer Wärmepumpe wird allgemein ein Kältemittel im Kreislauf geführt. Die aus der Umgebung entnommene Wärme wird einem als Verdampfer ausgebildeten Wärmetauscher zugeführt, so dass das im Kreislauf geführte Kältemittel verdampft. Dieses wird nachfolgend mit Hilfe eines elektrisch angetriebenen Kompressors verdichtet und gibt anschließend Wärme über einen zweiten als Kondensator ausgebildeten Wärmetauscher sekundärseitig an den Verbraucher ab, bevor das Kältemittel über eine Drossel wieder expandiert und dem Verdampfer zugeführt wird.
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Moderne Energieerzeugungssysteme für Wohngebäude kombinieren mehrere unterschiedliche Energiequellen und Energieträger, um eine möglichst gute Kostenbilanz für den Verbraucher zu erzielen. So ist beispielsweise aus der
WO 2012/004644 A1 der Einsatz eines Photovoltaiksystems und die Zwischenspeicherung der mit diesem System erzeugten elektrischen Energie bekannt, mit der der Kompressor einer Wärmepumpe versorgt wird.
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Aus der
DE 28 09 425 A1 , der
DE 26 19 744 A1 sowie auch der
DE 10 2009 013 739 A1 sind Heizungsanlagen zu entnehmen, bei denen unterschiedliche Energiequellen neben einer Wärmepumpenanlage herangezogen werden. Dabei wird ein zentraler Wärmespeicher der Wärmepumpenanlage bei Bedarf auch mit regenerativ erzeugter Energie, beispielsweise solarthermisch erzeugtes Warmwasser, erwärmt und für den Wärmepumpenprozess zur Verfügung gestellt. Bei der
DE 28 09 425 A1 ist dabei zusätzlich eine elektrische Zusatzheizung vorgesehen, sofern die von der Umgebung bereitgestellte Energie nicht ausreichend ist. Zur Versorgung der Zusatzheizung wird dabei die Verwendung eines sogenannten Niedertarifstroms vorgeschlagen. Bei der
DE 26 19 744 A1 ist als Zusatzheizung eine mit fossilem Brennstoff betriebene Zusatzheizung vorgesehen. In der
DE 10 2009 013 739 A1 wird schließlich ein intelligentes Steuersystem beschrieben, um aus verschiedenen zur Verfügung stehenden Energiequellen die aktuell günstigste Energiequelle auszuwählen.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte effiziente Ausnutzung von Energiequellen zur Bereitstellung von Wärme für einen Verbraucher zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Wärmepumpenanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Die nachfolgend im Hinblick auf die Wärmepumpenanlage angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auch auf das Verfahren übertragen.
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Die Wärmepumpenanlage umfasst danach ein Speichersystem mit einem Speichermedium zur Speicherung von Wärme und eine Wärmepumpe, an der sekundärseitig ein Verbraucher im Betrieb angeschlossen ist. Das Speichermedium ist mit Hilfe von Energie, die von einer Energieerzeugungsanlage bereitgestellt wird, erwärmbar. Unter Energieerzeugungsanlagen werden hierbei allgemein Anlagen verstanden, die durch Umwandlung einer ersten Energieform aus einem Energieträger eine zweite Energieform, beispielsweise elektrische Energie oder auch Wärme, zur Verfügung stellen. Die gesamte Wärmepumpenanlage ist in Abhängigkeit des aktuellen Wärmebedarfs, welcher beispielsweise wiederum von der Umgebungstemperatur abhängt, in verschiedenen Betriebsmodi betreibbar. Gemäß einem ersten Betriebsmodus ist die Wärmepumpenanlage derart betreibbar, dass das Speichersystem als Wärmequelle für die Wärmepumpe herangezogen wird. In diesem ersten Betriebsmodus entnimmt daher die Wärmepumpe dem Speichermedium Wärme und hebt dadurch die Temperatur des Speichermediums auf eine höhere Nutztemperatur für den Verbraucher.
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Für die Erwärmung des Speichermediums wird dabei vorzugsweise regenerativ erzeugte Energie verwendet.
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Als Speichermedium können verschiedene Medien eingesetzt werden. Vorzugsweise wird eine wässrige Flüssigkeit mit einem Gefrierpunkt unter 0°C, beispielsweise Sole oder ein Glykol-Wasser-Gemisch als Speichermedium verwendet. Daneben besteht auch die Möglichkeit der Verwendung von Wasser als Speichermedium. Schließlich kann auch ein Latentwärme-Speichermedium (PCM = Phase Change Material), ein sogenanntes sensibles Speichermedium oder ein thermochemisches Speichermedium eingesetzt und der Speicher entsprechend ausgebildet werden.
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Ein Grundgedanke der Erfindung beruht auf der Überlegung, überschüssige, von der Energieerzeugungsanlage bereitgestellte Energie während Zeiten eines geringen Wärmebedarfs in einem Speichersystem zu speichern, um diese gespeicherte Wärme später bei Bedarf mittels der Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau (Nutztemperatur) zu bringen. Insbesondere bei der Verwendung von regenerativ erzeugter Energie, die üblicherweise nicht bedarfsabhängig bereitsteht, wird hierdurch eine effiziente Ausnutzung von verschiedenen Energiequellen erreicht und es kann somit vermieden werden, dass überschüssig regenerativ erzeugte Energie ungenutzt bleibt.
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Bei der regenerativ erzeugten Energie handelt es sich gemäß einer ersten Variante um unmittelbar vor Ort, also typischerweise bei dem mit der Wärme zu versorgenden Gebäude (Wohneinheit) selbst erzeugter Energie. Dies ist beispielsweise eine solarthermische Anlage, bei der bei Sonneneinstrahlung ein Wärmeträgermedium erhitzt wird, welches dann zur Erwärmung des Speichermediums im Speichersystem herangezogen wird.
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In bevorzugter Ausgestaltung handelt es sich bei der regenerativ erzeugten Energie um elektrischen Strom, der beispielsweise über eine gebäudeeigene Photovoltaik-Anlage erzeugt wird. Entsprechend weist das Speichersystem auch zumindest ein Heizelement zur Erwärmung des Speichermediums auf. Es erfolgt hierbei also bewusst eine mehrfache Umwandlung zwischen verschiedenen Energieformen, bis letztendlich die Wärme für den Verbraucher bereitgestellt wird. Die mit der Umwandlung verbundenen Konversionsverluste werden durch den positiven Effekt einer Zwischenspeicherung von überschüssiger elektrischer Energie als Wärme mehr als ausgeglichen, so dass insgesamt ein hoher Gesamtwirkungsgrad erreicht wird und die Ausnutzung der bereitgestellten insbesondere regenerativen Energie verbessert ist.
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Dies gilt umso mehr, wenn als Energiequelle zur Erwärmung des Speichermediums ein Versorgungsnetz eines Energieversorgers herangezogen wird. In diesem Fall kann die dezentrale Wärmepumpenanlage zur Zwischenspeicherung von elektrischer Energie, vorzugsweise überschüssige regenerativ erzeugte Energie, herangezogen werden, um somit in lastarmen Zeiten bei geringer Netzlast Energie aus dem Versorgungsnetz zu beziehen, um dann in laststarken Zeiten die im Speichersystem zwischengespeicherte Wärme auszunutzen.
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Ein derartiges Konzept entfaltet seine besonderen Vorteile insbesondere bei der Einbindung in ein intelligentes Stromversorgungsnetz (smart grid), bei dem eine Vielzahl von derartigen dezentralen Speicherlösungen am Versorgungsnetz angeschlossen sind. Hierdurch besteht die Möglichkeit, innerhalb eines überregionalen Versorgungsnetzes überschüssige, beispielsweise regenerativ erzeugte elektrische Energie effizient zwischenzuspeichern.
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Um dies zu ermöglichen umfasst die Wärmepumpenanlage eine Kommunikations- und Energiemanagement-Einheit, die zum Empfang von externen Kommunikationssignalen vom Energieversorger ausgebildet ist. Diese Einheit steht wiederum mit der Steuereinheit in Verbindung und ist zur Übermittlung eines Startsignals an die Steuereinheit ausgebildet, so dass diese die Heizelemente anschaltet, wodurch diese mit Strom aus dem Versorgungsnetz betrieben werden.
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Im Hinblick auf eine zuverlässige und effiziente Bereitstellung von Wärme für den Verbraucher weist die Wärmepumpenanlage einen zwischen dem Verbraucher und der Wärmepumpe angeordneten Pufferspeicher, insbesondere Warmwasserspeicher auf.
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Für die Speicherung einer großen Menge Energie im Speichersystem sind eine Vielzahl von einzelnen Speichern angeordnet, die beispielsweise jeweils ein Fassungsvermögen von etwa 1 m3 haben. Derartige Speicher weisen daher eine handelsübliche Größe für den Einsatz in Ein- oder Mehrfamilienhäusern auf und können problemlos in diesen installiert werden. Die einzelnen Speicher sind dabei zweckdienlicherweise mit einer sogenannten Tichelmann-Schaltung miteinander verrohrt, so dass eine gleichmäßige Wärmeentnahme über die Wärmepumpe erfolgt.
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Die elektrischen Heizelemente sind bei derartigen Speichervolumen für eine Heizleistung von mehreren kW pro Speicher ausgebildet. Die Heizleistung der Heizelemente pro Speicher liegt dabei im Bereich zwischen 6 und 20 kW. Pro Speicher werden dabei auch Heizelemente mit unterschiedlichen Leistungen eingesetzt, so dass je nach bereitgestellter Leistung ein möglichst effizientes Erwärmen des Speichermediums sichergestellt ist.
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Im Hinblick auf eine zuverlässige Erzeugung von Wärme für den Verbraucher mit zugleich hoher Energieeffizienz und geringem Stromverbrauch ist die Wärmepumpenanlage neben dem beschriebenen ersten Betriebsmodus in weiteren Betriebsmodi betreibbar.
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Gemäß einem bevorzugten zweiten Betriebsmodus wird über die Steuereinheit auf die Umgebung als zweite Wärmequelle umgeschalten. Als Wärmeträgermedium für Umgebungswärme bietet sich hier insbesondere Luft (Umgebungsluft) an. Alternativ kann das Wärmeträgermedium auch Sole oder ein Glykol-Wassergemisch zur Ausnutzung beispielsweise von Erdwärme herangezogen werden. Bei der Wärmepumpe handelt es sich daher insgesamt um eine kombinierte Wärmepumpe, die mit zwei unterschiedlichen Wärmequellen, nämlich einerseits dem Speichersystem und andererseits der Umgebung gekoppelt ist und hierfür vorzugsweise jeweils einen eigenen Wärmetauscher aufweist. Die Wärmepumpe kombiniert daher insbesondere einen Flüssigkeit-Kältemittel-Wärmetauscher zur Übertragung von Wärme zwischen dem Speichermedium im Speichersystem und dem im Kreislauf der Wärmepumpe geführten Kältemittel.
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Bei dem zweiten, mit der Umgebung verbundenen Wärmetauscher handelt es sich insbesondere um einen Luft-Kältemittel-Wärmetauscher, der wahlweise zur Innen- oder Außenaufstellung ausgebildet ist.
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Zweckdienlicherweise schaltet dabei die Steuereinheit zwischen den beiden Wärmetauschern um, d. h. im ersten Betriebsmodus ist der zweite Wärmetauscher deaktiv und im zweiten Betriebsmodus der erste Wärmetauscher. Unter deaktiv wird hierbei verstanden, dass kein Wärmetausch zu dem im Kreislauf der Wärmepumpe geführten Kältemittel über diesen jeweiligen Wärmetauscher erfolgt. Im Falle eines Luft-Kältemittel-Wärmetauschers geschieht dies beispielsweise durch Abschalten eines Ventilators oder Absperren eines Ventils und bei einem Flüssigkeits-Kältemittel-Wärmetauscher durch Abschalten einer Umwälzpumpe bzw. Absperren eines Ventils.
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Das Umschalten erfolgt dabei vorzugsweise in Abhängigkeit einer unteren Grenztemperatur des Speichermediums, wobei diese Grenztemperatur zweckdienlicherweise möglichst tief gewählt ist. Die untere Grenze ist dadurch bestimmt, dass ein Einfrieren des Speichermediums vermieden ist bzw. durch einen technisch sinnvollen unteren Temperaturbereich für die Wärmepumpe. Die untere Grenztemperatur liegt bei der Verwendung von Wasser als Speichermedium typischerweise im Bereich von einigen wenigen Grad Celsius über dem Gefrierpunkt, beispielsweise bei etwa 5°C. Alternativ zu einer festen unteren Grenztemperatur wird der Wert der Grenztemperatur von der Steuereinheit ermittelt. Hierfür bestimmt die Steuereinheit in zweckdienlicher Weiterbildung den externen Energiebedarf für den Betrieb der Wärmepumpe in Abhängigkeit der jeweiligen Wärmequelle, also des Speichersystems auf der einen Seite und der Umgebung auf der anderen Seite (Luft, Sole). Bei einer hohen Umgebungstemperatur kann daher bereits ein frühzeitiges Umschalten in den zweiten Betriebsmodus erfolgen.
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Bei der bevorzugten Verwendung von Sole oder einer Wasser-Glykol-Mischung als Wärmeträgermedium liegt die untere Grenztemperatur vorzugsweise unterhalb des Gefrierpunkts und beispielsweise bei etwa –5°C. Das Speichermedium wird bei ausreichender Energie üblicherweise maximal bis etwas unter dem Siedepunkt erwärmt, also vorzugsweise bis etwa 95°C bei Wasser und Sole.
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Schließlich ist gemäß einem dritten Betriebsmodus vorgesehen, dass die Wärme für den Verbraucher direkt aus dem Speichersystem zur Verfügung gestellt wird. In diesem Fall ist daher die Wärmepumpe abgeschaltet und es wird keine elektrische Energie für den Betrieb der Wärmepumpe benötigt.
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Das Umschalten auf den dritten Betriebsmodus erfolgt dabei vorzugsweise bei Überschreiten einer für einen Wärmebedarf des Verbrauchers abhängigen Nutztemperatur des Speichermediums. Der aktuelle Wärmebedarf wird dabei in an sich bekannter Weise insbesondere in Abhängigkeit der Außentemperatur und beispielsweise dem eingesetzten Heizsystem (Niedertemperaturheizung oder Radiatoren) ermittelt. Die Nutztemperatur ist daher variabel.
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Insgesamt ist durch die drei Betriebsmodi eine für den Verbraucher komfortable Bereitstellung von Wärme bei effizienter Energieausnutzung der unterschiedlichen Energiequellen mit der Möglichkeit der Zwischenspeicherung von überschüssiger, insbesondere regenerativ erzeugter elektrischer Energie geschaffen: Steht ausreichend regenerativ erzeugte Energie zur Verfügung, so dass das Speichermedium auf eine Temperatur oberhalb der Nutztemperatur erwärmt wurde, so wird der Wärmebedarf des Verbrauchers zu 100% aus überschüssiger, insbesondere regenerativ erzeugter Energie bereitgestellt. Unterschreitet die Temperatur des Speichermediums im Speichersystem die Nutztemperatur, so wird gemäß dem zweiten Betriebsmodus zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Nutztemperatur die Wärmepumpe zugeschaltet, wobei diese weiterhin die insbesondere regenerativ erzeugte Wärme ausnutzt. Der zusätzliche Energiebedarf ist daher auch in diesem Fall gering gehalten. Dadurch ist insgesamt eine hohe Effizienz erreicht und der COP-Wert ((Coefficient of Performance) ist insbesondere größer 4.
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Erst wenn die zur Verfügung gestellte Wärme im Speichersystem quasi bis zu einer technisch unteren Grenze ausgenutzt ist und die untere Grenztemperatur erreicht ist, wird auf Wärmepumpenbetrieb umgeschaltet, bei dem dann die erforderliche Energie aus der Umgebung entzogen wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen jeweils in vereinfachten Darstellungen:
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1 eine erste Blockbild-Darstellung zur Illustration der Installation der Wärmepumpenanlage in einem Gebäude und
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2 eine zweite Blockbild-Darstellung zur weiteren Erläuterung der Funktionsweise der Wärmepumpenanlage.
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Die in den Figuren dargestellte Wärmepumpenanlage dient insbesondere als Zentralheizungsanlage zur Erzeugung von Wärme in Gebäuden, insbesondere Wohngebäuden, beispielsweise Ein- oder Mehrfamilienhäuser. Die Wärmepumpenanlage ist entsprechend vorzugsweise für eine maximale Wärmeleistung beispielsweise von 6 kW bis 15 kW oder – bei größeren Wohneinheiten auch bis 60 kW ausgebildet.
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Die Wärmepumpenanlage weist allgemein eine Wärmepumpe 2 sowie ein Speichersystem 6 und einen Pufferspeicher 8 auf. Die gesamte Wärmepumpenanlage wird mit Hilfe einer Steuereinheit 10 in Abhängigkeit des aktuellen Wärmebedarfs und verschiedener aktueller Zustandsgrößen, insbesondere Temperaturen gesteuert. Die Steuereinheit 10 ist vorzugsweise in die Wärmepumpe 2 integriert. Bei der Wärmepumpe 2 handelt es sich um eine vorgefertigte Baueinheit mit einem Wärmepumpengehäuse, in dem alle erforderlichen Komponenten für den Betrieb der Wärmepumpe integriert sind, insbesondere die erforderlichen Wärmetauscher (Kondensator, Verdampfer), der Verdichter für das im Kreislauf geführte Kältemittel, das Drosselventil sowie weitere erforderliche Ventile etc. Auch der Pufferspeicher 8 kann im Gehäuse integriert sein.
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Das Speichersystem 6 bildet eine erste Wärmequelle für die Wärmepumpe 2 und ist mit einem ersten als Verdampfer ausgebildeten Wärmetauscher 12 auf der Primärseite der Wärmepumpe 2 verbunden. Über diesen ersten Wärmetauscher 12 wird in an sich bekannter Weise Wärme auf ein Kältemittel der Wärmepumpe 2 übertragen und anschließend mittels eines hier nicht näher dargestellten Kondensators auf ein verbraucherseitiges Wärmeträgermedium, insbesondere Wasser, übertragen. Dieses erwärmte Wasser wird dem Pufferspeicher 8 zugeführt und von einem Verbraucher 14, beispielsweise eine Warmwasser-Heizung (Fußbodenheizung, Wandheizung oder auch Radiatoren) oder auch für Brauchwasser entnommen. Zur Umwälzung des verbraucherseitigen Wärmeträgermediums in einem Kreislauf sind eine Pumpe 16 sowie mehrere Ventile 18 angeordnet.
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Die Wärmepumpe 2 ist im Ausführungsbeispiel der 1 als eine außen aufgestellte, kombinierte Wärmepumpe ausgebildet. Die Außenaufstellung wird in 1 durch eine skizzierte Gebäudewand 20 dargestellt. Bei der Wärmepumpe 2 handelt es sich insbesondere um eine kombinierte Wärmepumpe, die einen zweiten Wärmetauscher 22 aufweist (2), welcher als Luft-Kältemittel-Wärmetauscher ausgebildet ist. Beide Wärmetauscher 12, 22 sind zusammen mit allen weiteren erforderlichen Komponenten der Wärmepumpe im gemeinsamen Wärmepumpengehäuse angeordnet.
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Das Speichersystem 6 umfasst im Ausführungsbeispiel der 1 mehrere einzelne Speicher 24, die beispielsweise jeweils ein Volumen von etwa 300 l–1000 l aufweisen und mit einem Speichermedium M gefüllt sind. Die Speicher 24 sind insbesondere als sogenannte Verdrängungsspeicher ausgebildet. Das Speichermedium M wird primärseitig ebenfalls in einem Kreislauf geführt. Auch hierzu sind eine Pumpe 16 sowie Ventile 18 vorgesehen. Jedem Speicher 24 ist ein elektrisches Heizelement 26 zugeordnet zur Erwärmung des Speichermediums M. Das Speichermedium M wird daher elektrisch erwärmt. Allgemein wird das Speichermedium M vorzugsweise mit Hilfe von regenerativ erzeugter Energie erwärmt. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um regenerativ erzeugte elektrische Energie, beispielsweise erzeugt durch eine auf dem Gebäudedach installierte Photovoltaikanlage 28 oder auch durch eine Windkraftanlage 30 als Energieerzeugungsanlagen. Während die Photovoltaikanlage 28 unmittelbar am Gebäude installiert ist, ist die Windkraftanlage 30 vom eigentlichen Verbraucher entfernt, beispielsweise auch mehrere 100 km und wird von einem zentralen Energieversorger betrieben. Die regenerativ erzeugte Energie wird über den Energieversorger und ein Energieversorgungsnetz bereitgestellt. Im Fall der Verwendung von elektrischer Energie zum Aufheizen des Speichermediums M wird vorliegend als Energiequelle daher eine gebäudeinterne Stromquelle 32 angesehen, die entweder aus dem Versorgungsnetz 32A und/oder von einer dezentralen, gebäudeeigenen Anlage 32B gespeist wird (2).
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Als weitere Energieerzeugungsanlagen 34 und damit Energiequellen zur Erwärmung des Speichermediums können beispielsweise solarthermische Anlagen oder auch Abwärmenutzsysteme eingesetzt werden, wobei letztere beispielsweise die Abwärme eines Verbrennungsmotors, Heizkessel etc. ausnutzen.
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In 2 ist neben dem Speichersystem 6 als erste Wärmequelle für die Wärmepumpe 2 die Umgebung 36 schematisiert durch ein Blocksymbol dargestellt.
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Die Steuereinheit 10 ist mit einer Kommunikationseinheit 38 verbunden, die in einer zur 2 alternativen Ausgestaltung in der Wärmepumpe 2 integriert ist und die kommunikationstechnisch mit dem Energieversorger verbunden ist. Die Wärmepumpenanlage ist daher Teil eines sogenannten Smart-Grid-Netzes, so dass bei Bedarf eine Speicherung von überschüssiger im Versorgungsnetz enthaltener elektrischer Energie erfolgen kann. Die Kommunikationseinheit 38 ist dabei derart ausgebildet, dass sie bei Erhalt eines entsprechenden Signals vom Energieversorger, dass gegenwärtig überschüssige Energie im Netz verfügbar ist, an die Steuereinheit ein Startsignal S abgibt, worauf diese wiederum die elektrische Versorgung für die einzelnen Heizelemente 26 zuschaltet, sofern weitere Randbedingungen, wie beispielsweise die aktuelle Temperatur des Speichermediums M oder auch der aktuelle oder mittelfristige Wärmebedarf dies für sinnvoll erscheinen lassen.
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Die Kommunikationseinheit 38 in Verbindung mit der Steuereinheit 10 ist zudem auch gezielt zur Steuerung der Heizelemente 26 z. B. in Abhängigkeit der Tageszeit bzw. in Abhängigkeit von unterschiedlichen Stromtarifen zu unterschiedlichen Zeitpunkten ausgebildet. Vorzugsweise erhält die Kommunikationseinheit 38 vom Versorger auch Informationen über den aktuellen Preis des Stroms und ist mit einer Entscheidungslogik zur Abgabe eines Startsignals bei einem günstigen Stromtarif versehen.
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Die Kommunikationseinheit 38 ist weiterhin bidirektional ausgebildet, stellt also auch Zustandsinformationen über die Wärmepumpenanlage zum Abruf für das Energieversorgungsunternehmen bereit, wie beispielsweise die Information des aktuellen (elektrischen) Speichervermögens. Dies ermöglicht eine Planbarkeit von Netzkapazitäten im Rahmen eines Smart-Grid Systems. Dies ist insbesondere bei einem hohen Anteil von regenerativ erzeugter Energie von Vorteil. Denn die volatile nur bedingt steuerbare Spitze an regenerativ erzeugtem Strom kann auf das Speichersystem übertragen werden. Dadurch wird insgesamt eine Netzstabilisierung erreicht. Der Vorteil des Verbrauchers ist darin zu sehen, dass er eine ansteuerbare elektrische Last (Heizelemente 26) zur Verfügung stellt und im Gegenzug üblicherweise vergünstigten Strom erhält.
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Um einen für den Verbraucher komfortablen Betrieb zu gewährleisten und in jeder Situation eine ausreichende Wärme zur Verfügung zu stellen ist die Wärmepumpenanlage in drei Betriebsmodi betreibbar. Die Umschaltung zwischen den einzelnen Betriebsmodi erfolgt beispielsweise durch Zu- bzw. Abschalten der in der 2 beispielhaft dargestellten Ventile 40A–C wie folgt: Im ersten Betriebsmodus ist lediglich das Ventil 40A offen, so dass der erste Wärmetauscher 12 aktiv ist und Wärme vom Speichermedien M auf das im Kreislauf der Wärmepumpe geführte Kältemittel übertragen wird. Die Wärmepumpe 2 ist im Ausführungsbeispiel der 2 schematisiert und stark vereinfacht durch die gestrichelte Linie dargestellt.
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Unterschreitet die Temperatur des Speichermediums M aufgrund einer kontinuierlichen Wärmeabgabe eine untere Grenztemperatur, so wird in den zweiten Betriebsmodus umgeschaltet. Hierzu wird das Ventil 40A geschlossen und dafür der zweite Wärmetauscher 22 in Betrieb genommen. Dies ist durch das zweite Ventil 40B illustriert, welches lediglich darstellen soll, dass Wärme aus der Umgebung nunmehr zum Wärmetausch dem zweiten Wärmetauscher 22 zur Verfügung gestellt wird. Dies kann beispielsweise durch Zuschalten eines Gebläses bei einem Luft-Kältemittel-Wärmetauscher erfolgen.
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Liegt andererseits die Temperatur des Speichermediums M oberhalb einer Nutztemperatur, so schaltet die Steuereinheit vom ersten Betriebsmodus in den dritten Betriebsmodus um, bei dem der Pufferspeicher 8 direkt Wärme aus dem Speichersystem 6 bezieht. Auch in diesem Fall wird das Ventil 40A geschlossen, also der erste Wärmetauscher deaktiviert und das Ventil 40C geöffnet.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Wärmepumpe
- 6
- Speichersystem
- 8
- Pufferspeicher
- 10
- Steuereinheit
- 12
- erster Wärmetauscher
- 14
- Verbraucher
- 16
- Pumpe
- 18
- Ventile
- 20
- Gebäudewand
- 22
- zweiter Wärmetauscher
- 24
- Speicher
- 26
- Heizelement
- 28
- Photovoltaik-Anlage
- 30
- Windkraftanlage
- 32
- Stromquelle
- 32A
- Versorgungsnetz
- 32B
- gebäudeeigene Anlage
- 34
- weitere Energiequelle
- 36
- Umgebung
- 38
- Kommunikationseinheit
- 40A–C
- Ventile
- M
- Speichermedium
- S
- Startsignal
