DE102018000806A1

DE102018000806A1 - Regenerative Energien - Simultanes Be- und Entladen von Erdwärmesonden mit rezenter und fossiler Solarthermie zur Steigerung der Jahresarbeitszahlen von konventionellen Wärmepumpen-Anlagen

Info

Publication number: DE102018000806A1
Application number: DE102018000806.2A
Authority: DE
Inventors: Panagiotis Aslanidis; Heike Hagemann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-02-01
Filing date: 2018-02-01
Publication date: 2019-08-01

Abstract

Viele Bauherren, besonders im Neubausektor, installieren für die Gebäudeheizung und der Warmwasseraufbereitung eine Sole-Wärmepumpenanlage mit Erdsonden inkl. Solarthermie. Dieses stellt schon eine effiziente Nutzung von regenerativen Energien dar. Aber ein Großteil der Sonnenenergie geht in diesem System ungenutzt verloren.In diesen Heizsystemen wird vorrangig der Warmwasserspeicher über die Solarthermie auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt. Ist diese erreicht, wird der Betrieb der Solarthermieanlage eingestellt.Ein weiterer Energielieferant in einer modernen Heizungsanlage ist die oberflächennahe Geothermie. Sobald die Sonne nicht ausreichend Energie liefert, wird der Warmwasserspeicher über eine Wärmepumpe mit angeschlossenen Erdwärmesonden gespeist.Nachteil einer solchen Anlage ist, dass zum einen die Solarthermie letztendlich nur zu einem Bruchteil genutzt wird und zum anderen wird die Erdwärme ausschließlich entzogen, aber nicht wieder ersetzt. Das hat zur Folge, dass der umgebene Boden über Jahrzehnte betrachtet auskühlt. Zielsetzung ist nun, dass durch 4 Eingriffe im Anlagenaufbau die nicht genutzte rezente Solarenergie über die Erdwärmesonden in den Boden zu leiten. Dieses erfolgt über einen zwischengeschalteten Kaltwasser- bzw. Eisspeicher. Anschließend wird diese zwischengespeicherte Wärmeenergie in der nächsten Heizperiode mit Hilfe einer Wärmepumpe dem Boden wieder entzogen.Das führt dazu, dass zum einen die im Normalfall ungenutzte Sonnenenergie in das System eingespeist wird, die Effizienz der Wärmepumpe erhöht wird und die Jahresarbeitszahl des gesamten Systems immens verbessert wird.

Description

Zusammenfassung
In vielen modernen Heizungsanlagen, insbesondere im Neubausektor, wird eine Sole-Wärmepumpe mit Erdwärmesonden installiert. Häufig wird das Heizungssystem von einer Solarthermie-Anlage unterstützt.
Diese Anlagen weisen schon positive Jahresarbeitszahlen von 5 - 6 auf. Aber bei diesen Installationen werden zwei Aspekte völlig missachtet: Es wird nur ein Bruchteil der rezenten Sonnenenergie in das System eingespeist und die Stagnationszeiten einer Solarthermie-Anlage sind sehr hoch.
Des weiteren wird dem Boden nur fossile Sonnenenergie entzogen. Dieser Energieverlust wird nur während der Taktung der Anlage durch die Umgebungswärme ersetzt. Die Regeneration des Bodens erfolgt demnach wieder durch fossile Solarenergie. Letzteres hat zur Folge, dass der Boden bei einem durchgehenden Betrieb einer Sole-Wärmepumpe im Laufe von etwa 2 Jahrzehnten auskühlt.
Die beiden Anlagenbauteile Solarthermie und Erdwärmesonden korrespondieren nicht miteinander.
Durch das Installieren eines Pufferspeichers, der mit der Solarthermie-Anlage, der Wärmepumpe und den Erdwärmesonden verbunden, kann die gesamte Sonnenenergie zwischengespeichert werden. Sollte nun der Warmwasserspeicher Energie anfordern, die nicht im ausreichenden Maße von der Solarthermie-Anlage geliefert werden kann, wird dem Pufferspeicher mittels der Wärmepumpe die Energie entzogen. Die überschüssige Wärme wird direkt an die Erdwärmesonden abgegeben. Sollte anschließend der Pufferspeicher auf eine vorher definierte Temperatur abgekühlt sein, kann die Wärmepumpe weitere Wärmeenergie direkt aus den Sonden entziehen. So wird hier direkt die rezente Solarthermie genutzt und das fossile Depot an Wärmeenergie wird nicht angerührt.
Eine langsame Abkühlung der Umgebung ist damit ausgeschlossen, da diese immer wieder mit rezenter Solarthermie aufgeladen wird.
Durch die Zwischenspeicherung der Solarthermie im Pufferspeicher oder den Erdwärmesonden kann diese auch zeitverzögert genutzt werden und ist nicht tageszeiten- oder klimaabhängig.
Eine weitere Innovation dieser Patentanmeldung liegt in der Anbindung der Erdwärmesonden. Im Regelfall werden die Sonden als Einfach- oder Doppel-U-Sonden ausgebaut. Über einen Verteilerschacht sind diese mit der Wärmepumpe verbunden. Sobald Wärmebedarf vom Warmwasserspeicher angefordert wird, entzieht die Wärmepumpe über die Erdwärmesonden der Umgebung die benötigte Energie. Der Wärmefluss ist von daher nur einseitig. In diesem System sind aber 2 Verteilerschächte angeschlossen. Der 2. Verteilerschacht dient dazu, dass die überschüssige Wärme aus dem Pufferspeicher über die Sonden wieder in den Boden eingespeist wird. So können die Sonden simultan be- und entladen werden.
Lösung des Problems bzw. der technischen Aufgabe
Durchschnittlich treffen auf jeden Quadratmeter in Deutschland jährlich etwa 1.055 KWh Sonnenenergie. Ein winziger Bruchteil dieses immensen Energiepotentials wird genutzt, um in einer modernen Heizungsanlage über eine Solarthermieanlage den Warmwasserspeicher aufzuheizen. Ist die gewünschte Temperatur erreicht, stoppt die Solarthermie-Anlage und die nun weiterhin einstrahlende Wärmeenergie bleibt ungenutzt.
Häufig setzt sich eine moderne Heizungsanlage zusammen mit einer Solarthermieanlage aus einer Wärmepumpe mit angeschlossenen Erdwärmesonden zusammen. Hier wird die Energie aus dem Boden entzogen und durch Taktung der Anlage wird dieser wieder auf das ausgehende Temperaturniveau langsam regeneriert. Über eine längere Laufzeit von etwa 2 Jahrzehnten wird der Boden aber ausgekühlt. Ein Austausch bzw. Regenerierung der Wärmequelle mit solarer Energie findet in einem konventionellen System nicht statt.
Das heißt, die beiden Komponenten, Solarthermie sowie die Erdwärmesonden, korrespondieren in der heutigen Steuerung nicht. Hier ist nun die Idee entstanden, um zum einen die Solarthermie effizienter zu nutzen und zum anderen den Boden über die Erdwärmesonden wieder mit Wärmeenergie aufzuladen.
Die Solarthermieanlage sowohl mit einem konventionellen Warmwasserspeicher, der das Gebäude mit Heizenergie versorgt, und einem Pufferspeicher verbunden. Sobald im Warmwasserspeicher die Solltemperatur erreicht ist oder aber die Temperatur der Solarthermie-Anlage zu gering für die Warmwasseraufbereitung ist, schalten zwei 3-Wege-Ventile auf die Zu- und Ableitungen des Pufferspeichers um. Dieser wird nun mit der überschüssigen Wärmeenergie der erwärmt oder erhitzt. Solarthermie wird nun also zwischengespeichert. Auf der anderen Seite ist der Pufferspeicher über einen Verteilerschacht verbunden und so kann Wärmenergie dem Boden zugeführt werden.
Sollte nun der Warmwasserspeicher einen erneuten Energiebedarf anfordern und die Solarthermieanlage aufgrund von fehlender Sonneneinstrahlung diese nicht liefern kann, startet die angeschlossene Wärmepumpe. Diese entzieht die Energie nicht wie allgemein üblich über die Erdwärmesonden, sondern aus dem oben beschriebenen Pufferspeicher. Durch diesen Prozess wird hier zum einen also die rezente und vorab zwischengespeicherte Solarthermie genutzt. Und zum anderen wird der COP der Wärmepumpe erhöht, da das Temperaturniveau im Pufferspeicher im Allgemeinen höher ist als in den Erdwärmesonden. Sollte nun aber der Fall eintreten, dass die gesamte Wärmeenergie dem Pufferspeicher entzogen worden ist, werden zwei 3-Wege-Ventile aktiviert und die Wärmepumpe entzieht die Energie, wie bei konventionellen Anlagen üblich, über die Erdwärmesonden.
Wie in den vorangegangenen Absätzen beschrieben, kann auf der einen Seite Wärmeenergie aus dem Pufferspeicher an die Erdwärmesonden abgegeben werden. Auf der anderen Seite wird Wärmeenergie mittels der Wärmepumpe entzogen. Um diese Vorgänge simultan ablaufen lassen zu können, werden zwei Verteilerschächte zwischen die Wärmepumpe und den Erdwärmesonden gesetzt. Über den 1. Verteilerschacht werden die Doppel-U-Sonden mit Wärmeenergie beladen und über den 2. Verteilerschacht wieder entladen.
An die oben beschriebenen Verteilerschächte sind die Erdwärmesonden angeschlossen. Diese sind im Regelfall als Doppel-U-Sonde ausgebaut, über ein Y-Stück verbunden und in einem Verteilerschacht zusammengeführt. Hier werden die Sonden zwar ebenfalls als Doppel-U-Sonde ausgebaut, aber die einzelnen Stränge werden nicht miteinander verbunden, sondern ein Strang wird an den 1. Verteilerschacht (Beladen) und der 2. Strang an den 2. Verteilerschacht (Entladen) angeschlossen. So ist die Möglichkeit geschaffen, Wärmeenergie einzuspeisen und zu entziehen. Des weiteren wird die eingespeiste Energie kurzfristig genutzt, so dass hier wenig Verluste zu erwarten sind.
Anwendungsbereiche
Dieses hier beschriebene Patent kann in allen Gebäuden, in denen eine Sole-Wärmepumpe mit Erdsonden und eine Solarthermieanlage installiert werden soll, angewendet werden. Dieses ist unabhängig von der zu beheizenden Fläche, der Nutzungsart des Gebäudes oder der anzutreffenden geologischen Abfolge. Es kann sowohl im Neubausektor oder im Altbestand eingesetzt werden.
Mit diesem System können die strengen Anforderungen der EnEV (Energieeinsparverordnung) problemlos eingehalten bzw. übertroffen werden.
Zeichnung
Eine Skizze über die Anordnung der einzelnen Bauteile liegt dieser Zusammenfassung bei.
Anlagenbauteile
Die einzelnen Komponenten, die schon alle auf dem Markt etabliert sind, werden in einer neuen Anordnung und einer innovativen Analgensteuerung zusammengeschlossen.
Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe ist eine Anlage, die zum Beheizen und zur Warmwasseraufbereitung in der Gebäudetechnik vom Einfamilienhaus bis zu großen Wohn-, Industrie- oder Bürokomplexen genutzt wird. Die Heizleistungen können zwischen 6 und 300 KW variieren.
Die Wärmepumpe nimmt thermische Energie mit niedriger Temperatur aus einem Umgebungsmedium (Luft, Erde oder Wasser) über einen Wärmetauscher auf und hebt diese mit Hilfe einer Antriebsenergie auf ein höheres Niveau. Das heißt, eine leichtflüchtige Flüssigkeit (Kältemittel) wird durch die Energiezufuhr in einen gasförmigen Zustand versetzt. Diese wird durch eine Kompression wieder verflüssigt. Die Umwandlung eines Stoffes von einem gasförmigen in den flüssigen Zustand unter Druckerhöhung ist eine stark exotherme Reaktion, die für das Heizungssystem des angeschlossenen Gebäudes genutzt wird.
In den Sommermonaten kann dieser Kreislauf auch dazu genutzt werden, das Gebäude zu kühlen.
Erdwärmesonden
Als Energielieferant für die oben beschriebene Wärmepumpe kann als Umgebungsmedium Erdwärme genutzt werden. Hierzu werden eine oder mehrere Erdwärmesonden vertikal in den Boden in Tiefen zwischen 20 - 200 m installiert. Eine Erdwärmesonde besteht aus einem U-förmigen PE-Rohr. Hier zirkuliert eine Flüssigkeit, im Regelfall ein Wasser-Glykol-Gemisch, die aus dem umgebenen Boden Wärme aufnimmt und an den Wärmetauscher der Wärmepumpe abgibt. In den Sommermonaten kann auch zu Kühlzwecken in den Gebäuden Wärmenergie über die Sonde an den Boden abgegeben werden.
Die Effizienz und Wärmekapazität der Erdwärmesonde steht immer in Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit des umgebenen Bodens oder Gesteins.
Warmwasser- und Kaltwasserschichtenspeicher
Der Warmwasserspeicher dient in einer Heizungsanlage mit einer installierten Wärmepumpe als Speichermedium für das Brauchwasser in einem Gebäude. In einem Schichtenwasser-speicher ist der geschlossene Speicher durch drei Wärmezonen gekennzeichnet. Im oberen Bereich ist der wärmste, im unteren der kälteste. Die Schichtenzonen werden nicht vermischt. Wird das Gebäude auch gekühlt, wird zusätzlich ein 2. Speicher in das Anlagensystem installiert, der als Kaltwasserspeicher dient. Auch in diesem Fall wird im Regelfall ein Schichtenspeicher genutzt.
Solarthermie-Anlage
Mit einer Solarthermie-Anlage wird die Sonnenenergie in nutzbare Wärmeenergie umgewandelt und ist von daher auch eine regenerative Energie.
Die Sonnenkollektoren einer Solarthermie-Anlage bestehen aus einer flachen wärmeabsorbierenden Fläche, die mit Röhren durchzogen ist. Diese sind mit einem zirkulierenden Wärmeträgermedium gefüllt und geben über einen Wärmetauscher die Wärmeenergie an einen Warmwasserspeicher ab. Eine Solarthermie-Anlage unterstützt das Heizungssystem sowie die Warmwasseraufbereitu ng.
Innovation der Erfindung zur Patentanmeldung
Die Innovation liegt darin, dass durch die Zwischenspeicherung der Solarthermie diese viel effizienter genutzt wird. In den heutigen Heizsystemen mit einer Solarthermie-Anlage und einer Wärmepumpe mit angeschlossenen Erdwärmesonden wird nur ein Bruchteil der zur Verfügung stehenden Solarenergie in das System eingespeist. Sobald der angeschlossene Warmwasserspeicher auf die Wunschtemperatur aufgeheizt ist, stagniert die Solarthermie-Anlage.
Hier wird nun über die Zwischenspeicherung der Solarenergie in einem weiteren Pufferspeicher und dem Einspeisen über die Erdwärmesonden in das System eingespeist. Das thermische Energiepotential der Sonne wird hier also zu 100 % genutzt.
Die weitere Innovation liegt darin, dass durch die Installation eines 2. Verteilerschachtes die Erdwärmesonden simultan be- und entladen werden können. So wird die Umgebung der Sonden im Laufe der Zeit nicht abkühlen, da dieser permanent mit rezenter Solarthermie aufgeladen wird. Die Ergiebigkeit der Wärmequelle ist demnach quasi unendlich, da das geothermische Potential erhalten bleibt. Das bedeutet, dass solche Anlagen auch in geothermisch ungünstigen Gebieten eingesetzt werden können. Die Jahresarbeitszahl der gesamten Anlage wird im Vergleich mit einer konventionellen Anlage um ein vielfaches verbessert.
Umsetzbarkeit und Perspektive
Die Umsetzbarkeit ist nach heutiger Kenntnis möglich, da alle beschriebenen Komponenten auf dem Markt seit vielen Jahren etabliert sind. Lediglich die Regel- und Steuerungstechnik müsste an die neue Anordnung angepasst werden. Diese Anlagentechnik kann überall eingesetzt werden. Da der Boden permanent aufgeheizt wird, spielt das geothermische Potential nur eine untergeordnete Rolle. Von daher kann auch in grundwasserarmen Gebieten eine sehr effiziente Anlage installiert werden.
Bezugszeichenliste

1 =: Erdwärmesonden
2 =: Verteilerschacht Entladen
3 =: Verteilerschacht Beladen
4 =: Wärmepumpe
5 =: Pufferspeicher
6 =: Warmwasserspeicher
7 =: Heizungssystem Gebäude
8 =: Solarthermie-Anlage
9 =: 3-Wege-Ventil
10 =: Wärmemengenzähler + Temperatursensor (nicht unbedingt notwendig)

Claims

Zusätzlich zu einem konventionellen Warmwasserspeicher wird in der beschriebenen Heizungsanlage zwischen der Solarthermie und den Erdwärmesonden ein Pufferspeicher installiert. So kann ein Großteil der Solarenergie zwischengespeichert werden. Angesteuert wird der Pufferspeicher über 3-Wege-Ventile.
Die im Pufferspeicher zwischengespeicherte Sonnenenergie kann entweder an die Wärmepumpe zum Aufheizen des Warmwasserspeichers abgegeben werden. Oder aber über die Erdwärmesonden wird der umgebene Boden mit der Sonnenenergie beladen. Auch diese Installation wird über 3-Wege-Ventile gesteuert.
Zwischen der Wärmepumpe, dem Pufferspeicher und den Erdwärmesonden sind 2 Verteilerschächte installiert bzw. die Stränge der Doppel-U-Sonde separat angebunden. Der 1. Verteiler dient zum Entzug von geothermischer Energie und der 2. zum Einspeisen der überschüssigen Energie aus dem oben beschriebenen Pufferspeicher. Beide Prozesse können simultan ablaufen.
Die Erdwärmesonden werden, wie allgemein üblich, als Doppel-U-Sonde ausgebaut. Diese werden aber nicht über Y-Stücke zusammengeführt und anschließend an den Verteilerschacht angeschlossen. Die einzelnen Stränge werden getrennt von einander an den 1. oder 2. Verteilerschacht angeschlossen. Bei dem Einbau einer einzelnen Doppel-U-Sonde sind die beiden Stränge separat angebunden. Somit kann die Sonde mit Wärmeenergie beladen werden. Im nächsten Heizprozess wird diese eingespeiste Energie wieder kurzfristig entzogen, so dass hier die Verluste minimiert sind.