DE102014003746A1 - Einrichtung zur Energieversorgung wenigstens eines Gebäudes durch Energieumwandlung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Energieversorgung wenigstens eines Gebäudes durch Energieumwandlung. Die Einrichtungen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass das Gebäude weitestgehend aus erneuerbaren Energiequellen betreibbar ist. Dazu weist die Einrichtung – Solarzellen zur Umwandlung des Sonnenlichtes in elektrische Energie mit mindestens einem Flüssigkeitskühler, – wenigstens einem ersten Flüssigkeitskreislauf mit dem Flüssigkeitskühler, und jeweils mindestens einer Pumpe, einem Speicher und einem Erdwärmekollektor und/oder einer Erdwärmesonde und/oder einem Latentwärmespeicher, – einem zweiten Flüssigkeitskreislauf mit dem Speicher in Verbindung mit wenigstens einer Heizeinrichtung, mindestens einem Reservoir, einer Wärmepumpe in Verbindung mit der Heizeinrichtung, einer Wärmepumpe in Verbindung mit dem Reservoir jeweils einzeln oder in einer Kombination, – Temperatursensoren in Kopplung mit den Solarzellen, und dem Speicher und – einer mit den Solarzellen, der Pumpe, der Wärmepumpe und den Temperatursensoren zusammengeschalteten Steuereinrichtung. Zentraler Bestandteil der Einrichtung und dabei sowohl des ersten und des zweiten Flüssigkeitskreislaufs ist der Speicher, der ein Pufferspeicher ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Energieversorgung wenigstens eines Gebäudes durch Energieumwandlung.
  • Eine Versorgung eines Gebäudes mit elektrischer Energie über Solarmodule und/oder Erdsonden und/oder Wärmespeichern ist bekannt.
  • So offenbart die Druckschrift DE 101 44 148 A1 eine Solarenergieanlage für ein Gebäude, insbesondere ein Wohnhaus. Diese umfasst wenigstens ein Photovoltaik-Solarmodul, das an einer sonnenzugewandten Seite des Gebäudes angeordnet ist, wenigstens einen Wärmetauscher, der über Leitungen mit dem Photovoltaik-Solarmodul verbunden ist, sowie wenigstens eine Steuerungs- und Regelvorrichtung. Das Photovoltaik-Solarmodul wird mittels in einem Luftkanal geführter Luft gekühlt. Die erwärmte Luft wird zu einem Wärmetauscher geleitet und kann weiterhin zur Raumheizung genutzt werden. Zur Kühlung ist eine Luftströmung mittels Lüfter notwendig, so dass ein geräuscharmer Betrieb insbesondere bei großer Kühlleistung nicht auszuschließen ist.
  • Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Energieversorgung eines Gebäudes weitestgehend aus erneuerbaren Energiequellen zu sichern.
  • Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
  • Die Einrichtungen zur Energieversorgung wenigstens eines Gebäudes durch Energieumwandlung zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass das Gebäude weitestgehend aus erneuerbaren Energiequellen betreibbar ist.
  • Dazu weist die Einrichtung
    • – Solarzellen zur Umwandlung des Sonnenlichtes in elektrische Energie mit mindestens einem Flüssigkeitskühler,
    • – wenigstens einem ersten Flüssigkeitskreislauf mit dem Flüssigkeitskühler, und jeweils mindestens einer Pumpe, einem Speicher und einem Erdwärmekollektor und/oder einer Erdwärmesonde und/oder einem Latentwärmespeicher,
    • – einem zweiten Flüssigkeitskreislauf mit dem Speicher in Verbindung mit wenigstens einer Heizeinrichtung, mindestens einem Reservoir, einer Wärmepumpe in Verbindung mit der Heizeinrichtung, einer Wärmepumpe in Verbindung mit dem Reservoir jeweils einzeln oder in einer Kombination,
    • – Temperatursensoren in Kopplung mit den Solarzellen und dem Speicher und
    • – einer mit den Solarzellen, der Pumpe, der Wärmepumpe und den Temperatursensoren zusammengeschalteten Steuereinrichtung.
  • Zentraler Bestandteil der Einrichtung und dabei sowohl des ersten und des zweiten Flüssigkeitskreislaufs ist der Speicher, der ein Pufferspeicher ist. Zum einen ist dieser mit dem Flüssigkeitskühler und zum anderen mit jeweils wenigstens dem Erdwärmekollektor und/oder der Erdwärmesonde und/oder dem Latentwärmespeicher verbunden oder verbindbar. Erdwärmekollektoren sind dazu bekannte im Erdreich horizontal verlegte Rohre als Wärmeübertrager. Diese können dazu mäanderförmig im Erdreich aber auch in einem im Erdreich angeordneten Körper aus Beton verlegt sein. Letzterer kann beispielsweise auch ein Fundament sein. Erdwärmesonden sind dagegen bekannte vertikal oder schräg im Boden angeordnete rohrförmige Wärmetauscher.
  • Durch den ersten Flüssigkeitskreislauf dient der Flüssigkeitskühler der Kühlung der Solarzellen und der Gewinnung thermischer Energie, die durch die Flüssigkeit als Wärmeträger dem Speicher zugeführt wird. Gleichzeitig wirkt der erste Flüssigkeitskreislauf vorteilhafterweise als Kühler der Solarzellen damit auch Solarmodulen und kann somit ein Hybridsolarkollektor sein. Dazu kann der Flüssigkeitsbehälter ein bekannter Hohlkörper mit jeweils wenigstens einem Einlass und einem Auslass für die Flüssigkeit sein. Der Hybridsolarkollektor dient bekannterweise zur Umwandlung der Sonnenenergie in elektrische Energie und in thermische Energie. Die Solarzellen wandeln das Sonnenlicht direkt in elektrische Energie. Der Kühler wirkt wie ein thermischer Solarkollektor. Die durch die Sonne erwärmten Solarzellen geben diese Energie an die Flüssigkeit des Kühlers ab, so dass sich die Flüssigkeit erwärmt. Gleichzeitig werden die Solarzellen dadurch gekühlt. Die Solarzellen mit dem Flüssigkeitskühler befinden sich dazu günstigerweise auf dem Dach des Gebäudes. Zum einen kann damit die erwärmte Flüssigkeit über den Speicher als Pufferspeicher in den Erdwärmekollektor und/oder die Erdwärmesonde und/oder den Latentwärmespeicher und daraus wieder in den Speicher gelangen. Zum anderen ist der Speicher ein Bestandteil des zweiten Flüssigkeitskreislaufes mit einer Heizeinrichtung, einem Reservoir, der Wärmepumpe in Verbindung mit einer Heizeinrichtung und/oder der Wärmepumpe in Verbindung mit dem Reservoir. Die Wärmepumpe ist eine bekannte Maschine, die beispielsweise thermische Energie aus einem Reservoir mit niedriger Temperatur aufnimmt und in Verbindung mit ihrer Antriebsenergie als Nutzwärme an wenigstens eine Heizeinrichtung des Gebäudes überträgt. Die Antriebsenergie kann vorteilhafterweise mittels der Solarzellen gewonnen werden. Bei beiden Möglichkeiten strömt abgekühlte Flüssigkeit durch den Flüssigkeitskühler zur Kühlung der Solarzellen. Mit diesen Kreisläufen können die Solarzellen gekühlt werden, so dass der elektrische Wirkungsgrad erheblich gesteigert wird. Im Winter kann die erwärmte Flüssigkeit auch zum Abtauen der Solarzellen genutzt werden, so dass auch zu dieser Jahreszeit elektrische Energie aus der Sonnenenergie wandelbar ist. Gleichzeitig wird der Wirkungsgrad der Wärmepumpe mit dem durch die Wärmeabgabe der Solarzellen gleichfalls verbessert.
  • Die Flüssigkeitskreisläufe führen vorteilhafterweise dazu, dass die Möglichkeit besteht, ein Gebäude mit einer Nutzungs- und Wohnfläche von 150 m2 mit einer Fläche von 20 m2 der Solarzellen quasi als Nullenergiehaus zu betreiben. Günstigerweise kann für die Flüssigkeit der Flüssigkeitskreisläufe bekannterweise Wasser, Sole oder ein Öl eingesetzt werden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 10 angegeben.
  • Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 ist der Speicher ein Flüssigkeitsbehälter, der gleichzeitig ein Bestandteil des ersten und des zweiten Flüssigkeitskreislaufes oder der ein Wärmetauscher für den ersten und den zweiten Flüssigkeitskreislauf ist.
  • Der Speicher als Wärmetauscher ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 vorteilhafterweise ein erster Flüssigkeitsbehälter mit wenigstens einem innenliegenden zweiten Flüssigkeitsbehälter oder einer innenliegenden Rohrleitung.
  • Die Heizeinrichtung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 die Heizung des Gebäudes. Das können insbesondere die Raumheizungen des Gebäudes sein.
  • Die Heizeinrichtung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 eine Heizeinrichtung in Verbindung mit einer Wasserversorgung für das Gebäude. Dazu kann die Heizeinrichtung an die Trinkwasserversorgung des Gebäudes gekoppelt sein.
  • Der Erdwärmekollektor und/oder die Erdwärmesonde und/oder der Latentwärmespeicher weist oder weisen nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 einen Temperatursensor auf, der oder die mit der Steuereinrichtung verbunden ist oder sind. Damit können leicht bestimmte Temperaturegime eingestellt und eingehalten werden.
  • Die Wärmepumpe ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 über wenigstens ein Ventil mit dem Erdwärmekollektor und/oder der Erdwärmesonde und/oder dem Latentwärmespeicher verbunden. Die Betätigungseinrichtung des Ventils ist weiterhin mit der Steuereinrichtung verbunden.
  • Der Speicher weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 wenigstens eine elektrische Heizeinrichtung für die Flüssigkeit im Speicher auf, die über einen mit der Steuereinrichtung betätigbaren Schalter mit den Solarzellen verbunden ist. Damit kann durch die Solarzellen bereitgestellte und nicht benötigte elektrische Energie als thermische Energie im Behälter gespeichert werden.
  • Günstigerweise ist das Reservoir nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 ein Wasserbehälter, ein Wasserbecken und/oder ein mit einem Medium als Wärmeträger durchflossener Körper. Wasserbecken können dazu auch Schwimmbecken sein. Körper sind beispielsweise Fundamente, Erdreich, Mauerwerk, Betonkörper, Steinkörper oder Steinplatten.
  • Solarzellen zur Umwandlung des Sonnenlichtes in elektrische Energie mit einem Flüssigkeitskühler sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 ein Hybridkollektor.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
  • Es zeigt die
  • 1 eine Einrichtung zur Energieversorgung wenigstens eines Gebäudes durch Energieumwandlung in einer Blockdarstellung.
  • Eine Einrichtung zur Energieversorgung wenigstens eines Gebäudes durch Energieumwandlung besteht im Wesentlichen aus Solarzellen, mindestens einem Flüssigkeitskühler, einem Speicher, wenigstens einer Pumpe, einer Wärmepumpe, einer Steuereinrichtung und einem Erdwärmekollektor und/oder einer Erdwärmesonde und/oder einem Latentwärmespeicher.
  • 1 eine Einrichtung zur Energieversorgung wenigstens eines Gebäudes durch Energieumwandlung in einer prinzipiellen Blockdarstellung.
  • Nachfolgend wird die Arbeitsweise der Einrichtung prinzipiell näher erläutert.
  • Sonnentag
  • Die bei Betrieb der Solarzellen 1 auftretende thermische Energie wird über die Flüssigkeit als Wärmeträger und Medium des Flüssigkeitskühler 2 über eine oder mehrere Pumpen zum Speicher 3 geführt. Die Zieltemperatur auf der Kollektorfläche sollte so gering wie nötig sein, da bei den Solarzellen 1 der elektrische Widerstand mit der Temperatur steigt und der Wirkungsgrad abnimmt. Die Solarzellen 1 mit dem Flüssigkeitskühler 2 wirken als ein Hybridsolarkollektor oder sind zusammen ein Hybridsolarkollektor.
  • Aus dem Speicher 3 in Form eines Flüssigkeitsbehälters 3 entnimmt die Wärmepumpe 5 Flüssigkeit mit einer idealen Zieltemperatur von jeweils einschließlich 20°C bis 25°C, um die Beheizung des Gebäudes und/oder die Warmwasseraufbereitung und/oder eines Reservoirs sicher zu stellen. Durch die Hohe Zieltemperatur ist der Wirkungsgrad der Wärmepumpe 5 sehr hoch und es wird dadurch weniger elektrische Energie benötigt.
  • Wenn der Flüssigkeitsbehälter 3 durch den Flüssigkeitskühler 2 zu viel thermische Energie zugeführt bekommt, wird diese Überschussenergie in einen Erdwärmekollektor 4 und/oder einer Erdwärmesonde und/oder einem Latentwärmespeicher abgeführt.
  • Die aus der Sonnenenergie umgewandelte elektrische Energie wird zum Antrieb der Pumpe, der Pumpen und/oder der Wärmepumpe 5 und/oder Heizelementen verwendet. Es ist ebenso möglich alle anderen Prozesse im Haus elektrisch zu versorgen oder die Energie abzugeben.
  • Sonnen-Wolken-Tag
  • Die thermische Energie wird über die Flüssigkeit von dem Flüssigkeitskühler 2 zum Flüssigkeitsbehälter 3 als Speicher 3 über eine Pumpe oder mehrere Pumpen geführt. Die Zieltemperatur auf der Kollektorfläche der Solarzellen 1 sollte so gering wie nötig sein, da bei Solarzellen 1 der elektrische Widerstand mit der Temperatur steigt und der Wirkungsgrad abnimmt. Mittels der Wärmepumpe 5 wird Flüssigkeit mit einer idealen Zieltemperatur von jeweils einschließlich 20°C bis 25°C aus dem Speicher 3 entnommen, um die Beheizung des Gebäudes und/oder die Warmwasseraufbereitung und/oder des Reservoirs sicher zu stellen. Durch die große Zieltemperatur ist der Wirkungsgrad der Wärmepumpe 5 sehr hoch und es wird dadurch weniger elektrische Energie benötigt.
  • Wenn der Speicher 3 durch den Flüssigkeitskühler 3 zu viel thermische Energie zugeführt bekommt, wird diese Überschussenergie dem Erdwärmekollektor 4 und/oder der Erdwärmesonde und/oder dem Latentwärmespeicher zugeführt. Ist der Energiebedarf des Gebäudes und/oder der Warmwasseraufbereitung und/oder des Reservoirs höher als die thermische Leistung des Flüssigkeitskühlers 2 wird zusätzlich thermische Energie aus dem Erdwärmekollektor 4 und/oder der Erdwärmesonde und/oder dem Latentwärmespeicher zugeführt.
  • Die aus der Sonnenenergie umgewandelte elektrische Energie der Solarzellen 1 wird zum Antrieb der Pumpen und/oder der Wärmepumpe und/oder einer Heizeinrichtung für die Flüssigkeit des Flüssigkeitsbehälters 3 als Speicher 3 verwendet. Es ist ebenso möglich alle anderen Prozesse im Haus elektrisch zu versorgen oder die Energie abzuführen. Bei elektrischem Energiemangel ist elektrische Energie aus einem Netz zuzuführen.
  • Zur Steuerung dieser Abläufe sind die Pumpen, Temperatursensoren in Kopplung mit den Solarzellen 1, dem Speicher 3 und dem Erdwärmekollektor 4 und/oder der Erdwärmesonde und/oder dem Latentwärmespeicher und die Betätigungseinrichtungen von Ventilen mit der Steuereinrichtung verbunden.
  • Die Einrichtung zur Energieversorgung wenigstens eines Gebäudes durch Energieumwandlung wird dazu im Wesentlichen aus
    • – wenigstens dem ersten Flüssigkeitskreislauf mit dem Flüssigkeitskühler 2, und jeweils mindestens der Pumpe, dem Speicher 3 und dem Erdwärmekollektor und/oder der Erdwärmesonde und/oder dem Latentwärmespeicher und
    • – dem zweiten Flüssigkeitskreislauf mit dem Speicher 3 in Verbindung mit wenigstens einer Heizeinrichtung, mindestens einem Reservoir, einer Wärmepumpe 5 in Verbindung mit der Heizeinrichtung 6, einer Wärmepumpe 5 in Verbindung mit dem Reservoir jeweils einzeln oder in einer Kombination ausgebildet.
  • Der Speicher 3 ist dazu ein Flüssigkeitsbehälter 3 entweder als ein Bestandteil des ersten und des zweiten Flüssigkeitskreislaufes oder als ein Wärmetauscher für den ersten und den zweiten Flüssigkeitskreislauf. Für die zweite Variante ist der Speicher 3 als Wärmetauscher ein erster Flüssigkeitsbehälter mit wenigstens einem innenliegenden zweiten Flüssigkeitsbehälter oder einer innenliegenden Rohrleitung. Weiterhin kann die Wärmepumpe 5 über wenigstens ein Ventil mit dem Erdwärmekollektor 4 und/oder der Erdwärmesonde und/oder dem Latentwärmespeicher verbunden sein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10144148 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Einrichtung zur Energieversorgung wenigstens eines Gebäudes durch Energieumwandlung mit – Solarzellen (1) zur Umwandlung des Sonnenlichtes in elektrische Energie mit mindestens einem Flüssigkeitskühler (2), – wenigstens einem ersten Flüssigkeitskreislauf mit dem Flüssigkeitskühler (2) und jeweils mindestens einer Pumpe, einem Speicher (3) und einem Erdwärmekollektor (4) und/oder einer Erdwärmesonde und/oder einem Latentwärmespeicher, – einem zweiten Flüssigkeitskreislauf mit dem Speicher (2) in Verbindung mit wenigstens einer Heizeinrichtung, mindestens einem Reservoir, einer Wärmepumpe (5) in Verbindung mit der Heizeinrichtung (6), einer Wärmepumpe (5) in Verbindung mit dem Reservoir jeweils einzeln oder in einer Kombination, – Temperatursensoren in Kopplung mit den Solarzellen (1) und dem Speicher (2) und – einer mit den Solarzellen (1), der Pumpe, der Wärmepumpe (5) und den Temperatursensoren zusammengeschalteten Steuereinrichtung.
  2. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (3) ein Flüssigkeitsbehälter ist und dass der Speicher (3) ein Bestandteil des ersten und des zweiten Flüssigkeitskreislaufes ist oder dass der Speicher (3) ein Wärmetauscher für den ersten und den zweiten Flüssigkeitskreislauf ist.
  3. Einrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (3) als Wärmetauscher ein erster Flüssigkeitsbehälter mit wenigstens einem innenliegenden zweiten Flüssigkeitsbehälter oder einer innenliegenden Rohrleitung ist.
  4. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (6) die Heizung des Gebäudes ist.
  5. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (6) eine Heizeinrichtung (6) in Verbindung mit einer Wasserversorgung für das Gebäude ist.
  6. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Erdwärmekollektor (4) und/oder die Erdwärmesonde und/oder der Latentwärmespeicher einen Temperatursensor aufweist und/oder aufweisen und dass der Temperatursensor und/oder die Temperatursensoren mit der Steuereinrichtung verbunden sind.
  7. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (5) über wenigstens ein Ventil mit dem Erdwärmekollektor (4) und/oder der Erdwärmesonde und/oder dem Latentwärmespeicher verbunden ist und dass die Betätigungseinrichtung des Ventils mit der Steuereinrichtung verbunden ist.
  8. Einrichtung nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (3) wenigstens eine elektrische Heizeinrichtung für die Flüssigkeit im Speicher (3) aufweist und dass die elektrische Heizeinrichtung über einen mit der Steuereinrichtung betätigbaren Schalter mit den Solarzellen (1) verbunden ist.
  9. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir ein Wasserbehälter, ein Wasserbecken und/oder ein mit einem Medium als Wärmeträger durchflossener Körper.
  10. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Solarzellen (1) zur Umwandlung des Sonnenlichtes in elektrische Energie mit einem Flüssigkeitskühler (2) ein Hybridkollektor sind.
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