DE102019000430B4

DE102019000430B4 - Verfahren zur Erreichung sehr niedriger Rücklauftemperaturen mittels einer Wärmepumpe, Heizanordnung zur Durchführung des Verfahrens, sowie System für Wärme- und Kälteverteilnetze

Info

Publication number: DE102019000430B4
Application number: DE102019000430.2A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-01-22
Filing date: 2019-01-22
Publication date: 2022-03-17
Anticipated expiration: 2039-01-23
Also published as: DE102019000430A1

Abstract

Verfahren zur Erreichung sehr niedriger Rücklauftemperaturen in einer Heizanordnung mittels einer Wärmepumpe,wobei der Hauptvorlauf einer Wärmequelle (1) über eine Versorgerkreispumpe (12) und unter Beimischung aus dem Rücklauf eines Pufferspeichers mit einem höheren Temperaturniveau (2) durch ein regelbares Drei-Wege-Ventil (11) als Vorlauf zu einem Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) und dann weiter als Vorlauf zu einem Pufferspeicher mit einem niedrigeren Temperaturniveau (3) und dann als Hauptrücklauf zur Wärmequelle (1) zurückgeführt wird, wobei dem Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) Wärme durch einen Heizkreis (4) oder mehrere Heizkreise (4n) entnommen wird, wodurch abgekühltes Heizwasser in den Pufferspeicher mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) strömt,wobei eine erste Pumpe (22) Heizwasser aus dem oberen Bereich des Pufferspeichers mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) zur weiteren Abkühlung zu einer Wärmepumpe (20) und dann zurück zum unteren Bereich des Pufferspeichers mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) fördert, wobei durch ein Drei-Wege-Ventil (21) die geforderte Tiefhaltung der maximal zulässigen Temperatur im Verdampferkreis der Wärmepumpe (20) geregelt wird,und gleichzeitig eine zweite Pumpe (23) Heizwasser aus dem unteren Bereich des Pufferspeichers mit dem höheren Temperaturniveau (2) zur Erwärmung zur Wärmepumpe (20) und dann zurück zum mittleren Bereich des Pufferspeichers mit dem höheren Temperaturniveau (2) fördert, wobeidie Drehzahl der Versorgerkreispumpe (12) ständig so geregelt wird, dass ausreichend Wärmenergie für die Heizkreise (4) bis (4n) zur Verfügung steht und gleichzeitig der Durchfluss an einem Versorgerkreissensor (16) immer niedriger als der Durchfluss an einem Verbraucherkreissensor (15) ist, um eine optimale Temperaturschichtung im Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) sicherzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erreichung sehr niedriger Rücklauftemperaturen mittels einer Wärmepumpe für Übergabestationen in Nah- und Fernwärmenetzen und zur effektiven Wärmeversorgung von Wohn- oder Bürogebäuden, ferner eine Heizanordnung zur Durchführung des Verfahrens, sowie ein System für Wärme- und Kälteverteilnetze. Eine solche Heizanordnung kann sowohl für ein offenes Fernwärmenetz ohne Rücklaufleitung, wie auch für ein geschlossenes Fernwärmenetz mit Rücklaufleitung verwendet werden.
Die sehr niedrige Rücklauftemperatur kann im weiteren Verlauf zur Kälteversorgung für diverse Anwendungen genutzt werden.
Aus EP 2770264 A2 ist eine Übergabevorrichtung bekannt, mit der die Hauptrücklauftemperatur unter Verwendung einer Wärmepumpe sehr tief abgesenkt wird. Hierbei wird die Wärmepumpe zwischen zwei Pufferspeicher mit unterschiedlichen Temperaturniveaus angeordnet. Die Wärmepumpe entzieht dem Puffer mit einem niedrigen Temperaturniveau Wärmeenergie und transportiert diese Energie zum Puffer mit dem höheren Temperaturniveau.
In dieser Übergabevorrichtung werden die Heizkreise für die Gebäudeheizung und für die Warmwasserbereitung aus dem Puffer mit dem höheren Temperaturniveau versorgt. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, dass der Pufferspeicher heiß im oberen Bereich ungefähr eine Temperatur von 75° C aufweisen muss, um die Warmwasserbereitung nach Arbeitsblatt DVGW W551 mit legionellensicheren 60° C Trinkwassertemperatur zu betreiben. Zudem steigt die Rücklauftemperatur der Warmwasserbereitung insbesondere bei längeren Zapfpausen stark an, da die Zirkulationswärmeverluste auf einem hohen Temperaturniveau (Rücklauf > 55° C) ausgeglichen werden müssen. Dieser Rücklauf wird zum Pufferspeicher kalt geführt, womit die Temperatur im Pufferspeicher kalt ansteigt.
Die Temperatur im kalten Pufferspeicher steigt im oberen Bereich bis auf ca. 45°C, im heißen Pufferspeicher liegt sie im unteren Bereich bei ca. 45°C. Wie nachfolgend erläutert muss die untere Quellentemperatur unter Beimischung von bereits in einer ersten Stufe abgekühlten Wassers auf 25° C heruntergemischt werden. Die Wärmepumpe muss dann einen Hub von mindestens 20 Kelvin auf über 45° C ausführen, um Energie in den heißen Pufferspeicher zu übertragen. Das COP damit liegt damit signifikant unter dem optimalen COP-Wert von ca. 7.
Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe weist nach Stand der Technik eine maximal zulässige Quellentemperatur von ca. 25°C auf. Prinzipiell ist diese Temperatur abhängig von der Siedetemperatur des Kältemittels. Vorzugsweise werden bei Wasser-Wasser-Wärmepumpen nach Stand der Technik die Kältemittel R-410a oder R-407c mit ähnlichen Siedetemperaturen verwendet.
Die Leistungszahl oder der „Coefficient of Performance“ (COP) einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe weist nach Stand der Technik bei der maximal zulässigen Quellentemperatur von ca. 25°C sein Maximum mit ca. COP = 7 auf, wobei bei diesem Betriebspunkt die Vorlauftemperatur um ca. 10 Kelvin auf ca. 35°C angehoben wird. Verdampferseitig wird der Rücklauf von ca. 25°C auf ca. 8° C abgekühlt. Das heißt, beim optimalen Betriebspunkt werden mit einer Einheit elektrischer Energie 7 Einheiten Wärmeenergie transportiert.
Für offene Fernwärmenetze ist eine Rücklauftemperatur von ca. 10° Voraussetzung für einen zulässigen Betrieb. Die Rückführung des Heizwassers in den Naturkreislauf als Versickerung in Brunnen oder zur Einleitung in Fließgewässer ist zum Schutz der Natur nur bei niedrigen Temperaturen genehmigungsfähig.
Für geschlossene Fernwärmenetze ist eine möglichst niedrige Rücklauftemperatur mit vielen Vorteilen verbunden. Durch die größere Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf kann bei gleichem Rohrquerschnitt eine höhere Leistung transportiert werden, bzw. kann bei gegebener Leistung ein geringerer Rohrquerschnitt gewählt werden, womit das Fernwärmenetz kostengünstiger erstellt werden kann. Ferner wird bei gleicher Leistungsübertragung eine geringere Pumpenleistung erforderlich, was zu erheblichen Stromeinsparungen beim Netzbetrieb führt. Dazu wird der Wärmeverlust an der Rücklaufleitung minimiert. Bei einer Rücklauftemperatur von ca. 10°C kann sogar komplett auf eine Wärmedämmung verzichtet werden, da dann kein relevanter Wärmeübergang zur Umgebung mehr stattfindet.
Die sehr niedrige Rücklauftemperatur von ca. 8° C kann auch für Kühlzwecke innerhalb des Gebäudes genutzt werden. Über die Rücklaufleitung des Nah- oder Fernwärmenetzes können aber auch entfernt liegende Gebäude mit Kälte versorgt werden.
Eine vorteilhafte Anwendung der Kältenutzung besteht bei Kombination mit einem Stromkraftwerk bei niedrigen Systemtemperaturen, die insbesondere bei Geothermie oder bei industrieller Abwärme verwendet werden. Die dabei verwendeten Verfahren sind nach dem Kalina-Kreisprozess oder dem Organic Rankine Cycle (OCR). Hierbei muss den Kreisprozessen jeweils Energie in einem Kondensator entzogen werden, bzw. der Kondensator muss mit Kälte beliefert werden. Diese Anwendung ersetzt Abwärmeeinrichtungen wie beispielsweise Trocken- oder Naßkühltürme. Damit können Kraftwerke preiswerter gebaut und betrieben werden. Auch der Platzbedarf der Kraftwerke verringert sich.
Die sehr niedrige Rücklauftemperatur von ca. 8° C kann danach für ein Nah- oder Fernkältenetz weiter genutzt werden. Hierzu wird der sehr kalte Rücklauf über einen Puffer oder einen Wärmetauscher an ein Nah- oder Fernkältenetz übergeben. Der sehr kalte Rücklauf erwärmt sich dadurch und wird danach zur Wärmequelle zur weiteren Aufheizung. zurückgeführt.
Es genügt dabei eine Ausführung als 3-Leiter-Netz, mit folgender Belegung:

Leitung 1: Wärmevorlaufleitung
Leitung 2: kalte Rücklaufleitung = Vorlauf Fernkälte
Leitung 3: Heizungsrücklaufleitung = Rücklauf Fernkälte

Wenn die Heizungsrücklauftemperatur des Netzteilnehmers oberhalb einer definierten Einspeisetemperatur für die Kältevorlaufleitung liegt, dann wird der Heizungsrücklauf (warm) ohne Nachnutzung über ein Schaltventil in die gemeinsame Rücklaufleitung Fernkälte oder Fernwärme zur Energieeinspeisung, z.B. Geothermiekraftwerk geführt. Damit kann dieses Verfahren auch dazu genutzt werden, die Wärmepumpen (20) in den Heizanordnungen zu Zeiten mit Überschussstrom aus dem Netz oder zu Zeiten mit Überschussstrom aus Eigenerzeugung einzuschalten, oder bei entsprechender Stromknappheit abzuschalten. Dadurch kann die Effektivität des Stromnetzes oder der Eigenversorgung gesteigert werden. Die beiden thermischen Pufferspeicher können je nach Größe, Auslegung und aktuellem Leistungsbedarf unterschiedlich lange Zeitspannen überbrücken. Die vielen dezentral angeordneten und vernetzten Pufferspeicher in den Übergabestationen ersetzen große und zentral angeordnete Pufferspeicher. Zur optimalen Steuerung des Nah- und Fernwärmenetzes ist eine Gebäudeleittechnik mit Einbindung aller Anlagenteile notwendig.
Um die Leistung von Tiefengeothermie zu erhöhen, werden nach Stand der Technik hinter der Einspeisung der Geothermiewärme Nachwärmer eingesetzt, welche vielfach aus fossilen Quellen gespeist werden, um die Vorlauftemperatur zu erhöhen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann dieser Nachwärmer ersetzt werden. Nach DE 10 2013 214 891 A1 wird an der Einspeisung einer Geothermiequelle eine Hochtemperatur-Wärmepumpe nachgeschaltet, um die notwendige Wärmeübertragung bereitzustellen. Der COP einer vorgeschalteten Hochtemperatur- Wärmepumpe liegt mit Werten zwischen 3-4 signifikant unter dem erfindungsgemäß erreichbaren COP-Wert von nachgeschalteten Wasser-Wasser-Wärmepumpen in den Übergabevorrichtungen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erheblich weniger Strom verbraucht.
Aus der DE 10 2011 106 022 A1 ist eine Warmwasser- Erzeugungs-, Speicher- und Abgabevorrichtung bekannt, mit einem Mehrzonen-Wasserspeicher zur Speicherung von Wasser in verschiedenen Temperaturzonen, der einen Kaltwasser-, Warmwasser- und Heißwasseranschluss aufweist. Eine Steuereinrichtung dient zur Steuerung des Betriebs der Vorrichtung, insbesondere zur Steuerung des Mischbetriebs bei der Einspeisung von Warmwasser durch eine Warmwasser- Erzeugungseinrichtung und/oder zur Steuerung des Mischbetriebs bei der Entnahme von Warmwasser durch die Wärmeverbrauchseinrichtung. Eine Einspeisemischeinrichtung ist mit allen Leitungen einer Leitungsbuseinrichtung verbunden und speist das von der Warmwasser- Erzeugungseinrichtung erzeugte Warmwasser unter Ansteuerung der Steuereinrichtung in eine Heißwasserleitung und/oder eine Warmwasserleitung ein. Eine Entnahmemischeinrichtung ist ebenfalls mit allen Leitungen der Leitungsbuseinrichtung verbunden und entnimmt das für die Warmwasserverbrauchseinrichtung benötigte Warmwasser unter Ansteuerung der Steuereinrichtung aus der Heißwasserleitung und/oder der Warmwasserleitung.
Die DE 10 2008 014 204 A1 zeigt eine Anordnung und ein Verfahren zur Erwärmung von Trinkwasser mit einem Pufferspeicher und einem Durchfluss-System mit Zirkulationsbetrieb. Die Anordnung weist ein zweistufiges Durchfluss-Prinzip zur Erzielung niedriger Rücklauftemperaturen auf, wobei an einem Wärmetauscher eine Beimischung aus dem Rücklauf erfolgt.
Aus der DE 10 2008 062 600 A1 ist ein Niedertemperatur- Wärmenetz bekannt, das als Drei- oder Vierleiter-System ausgebildet ist. Es weist in vorteilhafter Weise eine Unterteilung in mindestens zwei unterschiedliche Temperaturebenen derart auf, dass die das Wärmeträgermedium mit höheren Temperaturen führenden Vorlauf- und Rücklaufleitungen an die Speicher der jeweiligen Zentralspeicheranlage im oberen Bereich des jeweiligen Speicherbehälters und die Vorlauf- und Rücklaufleitungen mit niedriger temperiertem Wärmeträgermedium an die Speicher im unteren Bereich des entsprechenden Speicherbehälters angeschlossen sind.
Die DE 10 2004 058 857 A1 offenbart ein Energiekonzept zur Bereitstellung von Warmwasser und Heizwärme zur Gebäudekühlung und zur Stromerzeugung mittels einer thermischen Solaranlage. Das in den Solarkollektoren erwärmte Medium kann die Wärme wahlweise direkt auf den Heizungsvorlauf, auf einen Wärmespeicher, an den Verdampfer einer Wärmepumpe oder an den Verdampfer eines ORC-Prozesses übertragen. Im Sommer wird die Wärme an den ORC-Prozess übertragen und mindestens die gleiche elektrische Energie erzeugt wie im Winter für den Betrieb der Wärmepumpe benötigt wird.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Temperaturen der beiden Pufferspeicher für den Betrieb einer Wärmepumpe zu optimieren.
Die erfindungsgemäße Aufgabe ist, den oberen Bereich des Pufferspeichers kalt auf eine Temperatur nahe dem Optimum von 25° C zu halten und dem Pufferspeicher heiß im mittleren Bereich Nutzwärme von ca. 35° C zuzuführen, um energieoptimiert sehr niedrige Rücklauftemperaturen zu erreichen, und ferner ein Verteilnetz zur Kältebereitstellung auf Basis des stark abgekühlten Heizwassers bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Mit der Erfindung wird der Betrieb der Wärmepumpe aus primärenergetischer Sicht bereits im Bilanzraum des Verbrauchers hinter der Übergabevorrichtung gewinnbringend. Mit der Erfindung kann das COP auf einen Praxiswert von durchschnittlich ca. 6 verbessert werden. Der Primärenergiefaktor für elektrischen Strom beträgt nach EnEV in Deutschland aktuell 1,8 für den nicht erneuerbaren Anteil. Das heißt, im Stromerzeugungskraftwerk werden im Mittel aus 1,8 Primärenenergieeinheiten ca. 6 Einheiten an Wärmeenergie für den Bilanzraum des Verbrauchers hinter der Übergabevorrichtung generiert. Die Ökobilanz kann weiter signifikant verbessert werden, wenn der Strom für die Wärmepumpe nicht aus dem Stromnetz, sondern beispielsweise von einer Fotovoltaik-Anlage vom Dach des Hauses, oder vom Blockheizkraftwerk des Wärmeversorgers, oder von sonstigen Quellen aus erneuerbaren Energien stammt.
Der Energieeintrag der Wärmepumpe muss heizungsseitig über einen Wärmemengenzähler erfasst werden, da er bei der Abrechnung benötigt wird. Wenn die Wärmepumpe beispielsweise im Eigentum des Gebäudeeigentümers ist und vom Gebäudeeigentümer betrieben wird, dann muss zur Abrechnung die Differenz zum Fernwärmezähler vorgenommen werden. Ebenso sollte der Stromverbrauch der Wärmepumpe über einen Stromzähler erfasst werden, um die Effektivität zu berechnen und den zusätzlichen Energieeintrag zu dokumentieren. Sollte die Kälte wirtschaftlich verwendet werden, muss auch im Kältekreis ein Wärmemengenzähler eingebaut werden.
Wenn sich die Wärmepumpe im Eigentum des Netzbetreibers befindet, dann kann zur Wärmeabrechnung auf den zusätzlichen Wärmemengenzähler verzichtet werden.
Die mit der Erfindung verbundenen Vorteile bestehen insbesondere darin, dass mit der aus den Heizungsanordnungen zurückfließenden sehr niedrigen Rücklauftemperatur zusätzlich Vorteile im Bilanzraum der Energieeinspeisung erzielt werden. Einen sehr großen Vorteil weist die Tiefengeothermie auf. Hier ist die Rücklauftemperatur die maßgebliche Größe für die Wärmeleistung. Bei der Tiefengeothermie wird über eine Förderpumpe eine bestimmte Menge an Heizwasser entnommen, danach abgekühlt und die gleiche Menge wieder zurückgegeben. Die maßgebliche Formel für die Wärmemenge ist Q = m * c * ΔT. Bei einer gegebenen Förderpumpe ist m = Masse an Wasser praktisch konstant, c = spezifische Wärmekapazität von Wasser ist konstant, auch die Vorlauftemperatur ist weitgehend konstant. Damit ist die Wärmemenge bei gegebener Förderleistung in der Praxis nur abhängig von der Rücklauftemperatur. Mit der Erfindung wird die Effektivität der Tiefengeothermie erhöht.
Die sehr niedrige Rücklauftemperatur hat ferner einen Vorteil in Nah- und Fernwärmenetzen mit Einspeisung von Heizkesseln, Heizkraftwerken, Blockheizkraftwerken, oder KWK-Anlagen in Öl- oder Gas-Brennwerttechnik, da die im Abgas enthaltene Kondensationsenergie nahezu vollständig genutzt werden kann. Dies führt zu Effizienzgewinnen im Bilanzraum der Erzeugung von bis zu ca. 8 %.
Ebenso bei Einspeisung von Energie aus Pufferspeichern, wie beispielsweise großen Langzeitspeichern, die sommerliche Wärme zur Nutzung im Winter bereitstellen. Durch die sehr niedrige Rücklauftemperatur kann aus einem definierten Speichervolumen eine größere Menge an Energie entnommen werden.
Vorteile an der Einspeisung ergeben sich ferner bei vielen LowEx-Anwendungen, wie industrielle Abwärme, oder diversen Wärmetauschsystemen, da durch die höhere Temperaturspreizung generell eine höhere Energiemenge übertragen werden kann.
In Büro- oder Wohngebäuden sind üblicherweise mindestens zwei Heizkreise mit unterschiedlichen Temperaturniveaus vorhanden. Der erste Heizkreis für die Gebäudebeheizung wird üblicherweise als Radiatorenheizkreis oder als Fußbodenheizkreis ausgeführt. Um eine möglichst niedrige Rücklauftemperatur zu erzielen, ist insbesondere im Neubau die Verwendung einer Fußbodenheizung zu empfehlen.
Der zweite Heizkreis wird für die Warmwasserbereitung benötigt.
Zur effektiven Temperaturausnutzung wird der Heizkreis für die Warmwasserbereitung in zwei Teile zerlegt, in einen Warmwasservorwärmer und einen Warmwassernachwärmer.
Warmwasserbereiter nach dem Stand der Technik sind beispielsweise ausgeführt als Speicher mit innenliegender Heizschleife oder als Speichertadesystem mit außenliegendem Plattenwärmetauscher. Zudem gibt es beispielsweise Durchflusserwärmer mit Heizungspuffer oder Durchflusserwärmer ohne Heizungspuffer.
Prinzipiell ist für die Warmwasservorwärmung und für die Warmwassernachwärmung jede der vorgenannten Lösungen möglich. Jede der Lösungen hat Vor- und Nachteile.
Bevorzugt wird für die Warmwassernachwärmung die Verwendung eines Warmwasserspeichers mit innenliegender Heizschleife. Der Vorteil liegt darin, dass trinkwasserseitig Druck- und Temperaturschwankungen minimiert werden. Heizwasserseitig kann der Speicher permanent durchströmt werden, wodurch keine Bedarfsspitzen entstehen. Durch die gleichmäßige Erwärmung kann die heizungsseitige Temperatur minimiert werden, was zu einer geringen Kalkproblematik führt. Zudem kann die Anschlussleistung minimiert werden. Außerdem gibt es Vorteile bei der Regelung, da durch die gleichmäßige Erwärmung Schwingungen im Regelverhalten minimiert werden. Als Nachteil ist zu vermerken, dass der Speicher einen größeren Platzbedarf als ein Durchflusserwärmer ohne einen Heizungspuffer hat. Ferner muss der Speicher nach Arbeitsblatt DVGW W551 einmal täglich trinkwasserseitig mit 60° C durchgeladen werden. Es empfielt sich, für die Durchladung einen Zeitpunkt zu wählen, an dem keine Abnahme erfolgt und gleichzeitig die Zirkulationspumpe abzuschalten. Der Zeit- und Energieaufwand für die Durchladung ist damit relativ gering.
Bevorzugt wird für die Warmwasservorwärmung die Verwendung eines Durchflusserwärmers, gespeist aus einem Heizungspuffer. Der Heizungspuffer wird benötigt, da das Warmwasser nicht gleichmäßig gezapft wird, vielmehr treten Zapfpausen und Zapfspitzen auf. Der Puffer glättet heizungsseitig die Abnahmeleistung. Die Vorteile dieses Systems liegen darin, dass die Speicherung der Wärmeenergie heizungsseitig erfolgt, wodurch kein vorerwärmtes Trinkwasser gespeichert werden muss. Damit entfällt die tägliche Aufheizpflicht auf 60° C nach Arbeitsblatt DVGW W551. Während der Aufheizung wäre nach Stand der Technik eine hohe Rücklauftemperatur dagegen unvermeidlich. Die prinzipiellen Nachteile eines Durchflusserwärmers, wie Kalkproblematik und Schwingungsverhalten, sind bei Verwendung als Vorwärmer wegen der niedrigen Temperaturen nicht relevant. Druck- und Temperaturschwankungen sind nicht relevant, da das Trinkwasser zum Nachwärmer und nicht zur Verbrauchsstelle geleitet wird. Eine Kalkproblematik gibt es bei den niedrigen Temperaturen nicht.
Die Hintereinanderschaltung der Heizkreise erfolgt während der Heizperiode in folgender Reihenfolge, wobei in der Praxis die genannten beispielhaften Temperaturwerte gemessen werden: Der Hauptvorlauf fließt mit ca. 63° C durch den Warmwassernachwärmer, der Rücklauf des Warmwassernachwärmers fließt unter Beimischung des Rücklaufs aus der Fußbodenheizung als Vorlauf mit ca. 35° C zur Fußbodenheizung, der Rücklauf mit ca. 28° C aus der Fußbodenheizung fließt danach durch den Warmwasservorwärmer und kühlt sich als Hauptrücklauf auf 25° C ab.
In den Warmwasservorwärmer fließt trinkwasserseitig kaltes Wasser mit ca. 12° C, es erwärmt sich im Vorwärmer beispielsweise auf 20° C. Im Warmwassernachwärmer wird das vorgewärmte Trinkwasser auf legionellensichere 60° C erwärmt und vielfach über eine Zirkulationspumpe in das Hausnetz gespeist. Der Rücklauf der Zirkulationsleitung mit ca. 55°C mischt sich mit dem vorgewärmten Trinkwasser und fließt zum Warmwassernachwärmer zurück.
Die durch Wärmeaustausch erreichbare Untergrenze für die Rücklauftemperatur während der Hintereinanderschaltung der drei Heizkreise liegt im genannten Beispiel im Mittel bei 25°C.
Diese 25°C liegen genau beim optimalen Betriebspunkt für die Quelltemperatur der Wärmepumpe. An diesem Betriebspunkt muss nur ein geringer Temperaturhub unterhalb der Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung aufgebracht werden, womit ein COP von 7 erreichbar ist.
Im Sommerbetrieb, bei ausgeschaltetem Heizkreis für die Gebäudebeheizung, wird der Warmwasservorwärmer aus dem Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau versorgt. Die Umschaltung erfolgt durch die zwei Drei-Wege-Ventile (33) und (34) in der Vor- bzw. Rücklaufleitung zum Vorwärmer.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigt 1: Verfahren zur Reduzierung der Rücklauftemperatur mittels einer Wärmepumpe bei Versorgung eines Heizkreises oder einer Gruppe von parallel geschalteten Heizkreisen gemäß dem Gegenstand von Patentanspruch 1.
Die Versorgerkreispumpe (12) fördert im Versorgerkreis von der Wämequelle (1) Heizwasser zu dem Pufferspeicher mit einem höheren Temperaturniveau (2). Die Solltemperatur des Heizwassers im Versorgerkreis wird unter Beimischung aus dem Rücklauf des Pufferspeichers mit einem höheren Temperaturniveau (2) durch ein Drei-Wege-Ventil (11) auf einen gewünschten Wert geregelt. Die Heizkreise (4) bis (4n) werden vom Pufferspeicher mit einem höheren Temperaturniveau (2) über die Heizkreispumpen (13) bis (13n) unter Verwendung von Mischern (14) bis (14n) versorgt. Vorzungsweise wird nur ein Heizkreis verwendet, der als Flächenheizkreis ausgebildet ist, beispielsweise ein Fussbodenheizkreis. Das Heizwasser im unteren Bereich des Pufferspeichers mit einem höheren Temperaturniveau (2) kühlt sich dabei auf die Rücklauftemperatur der Heizkreise (4) bis (4n) ab und fließt teilweise über das Drei-Wege-Ventil (11) zurück zum Vorlauf des Pufferspeichers mit einem höheren Temperaturniveau (2) und teilweise weiter in den Pufferspeicher mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) und dann zurück zur Wärmequelle (1). Der Durchfluss im Versorgerkreis wird an Hand eines Versorgerkreissensors (16) auf ein Minimum geregelt. Der Volumenstrom in Richtung des Verbraucherkreises soll stets höher liegen, die Regelung erfolgt über einen Verbraucherkreissensor (15). Damit wird sichergestellt, dass der Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) nicht durchmischt wird. Um bei geringerem Durchfluss im Versorgerkreis die gleiche Wärmeenergie an den Verbraucherkreis zu übertragen, ist eine Anhebung der Temperatur im Versorgerkreis erforderlich.
Bei ausgeschalteter Wärmepumpe (20) stellen sich folgende Temperaturen in den Pufferspeichern ein: Der Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) weist im oberen Bereich eine Temperatur etwas oberhalb der Vorlauftemperatur der Heizkreise (4) bis (4n) auf. Im unteren Bereich weist der Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) die Rücklauftemperatur der Heizkreise (4) bis (4n) auf. Innerhalb des Pufferspeichers mit dem höheren Temperaturniveau (2) treten auf Grund der Regelvorgabe keinerlei Durchmischungen auf.
Der Pufferspeicher mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) ist dagegen weitgehend homogen mit der Rücklauftemperatur der Heizkreise (4) geladen.
Beim Einschalten der Wärmepumpe (20) wird dem Pufferspeicher mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) Wärme entzogen und in den mittleren Bereich des Pufferspeichers mit dem höheren Temperaturniveau (2) transportiert. Ein Drei-Wege-Ventil (21) regelt die erforderliche Tiefhaltung auf die maximal zulässige Quelltemperatur der Wärmepumpe, sie ist abhängig von der Siedetemperatur des verwendeten Kältemittels. Die Pumpe (22) fördert das Wasser vom oberen Bereich des Pufferspeichers mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) unter Abkühlung durch den Verdampferkreis der Wärmepumpe (20) in den unteren Bereich des Pufferspeichers mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3).
Die Pumpe (23) fördert das Wasser vom unteren Bereich des Pufferspeichers mit dem höheren Temperaturniveau (2) unter Erwärmung durch den Verflüssigerkreis der Wärmepumpe (20) in den mittleren Bereich des Pufferspeichers mit dem höheren Temperaturniveau (2).
Durch diese Anordnung kann die Wärmepumpe (20) in einem günstigen Niedertemperaturbereich dem Pufferspeicher mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) Wärme entziehen und dem Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) als nutzbare Wärme zur Verfügung stellen.
Für den sicheren Start der Wärmepumpe ist die maximal zulässige Quelltemperatur von ca. 25° C zu beachten. Ist die Temperatur im Pufferspeicher mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) zu hoch, dann wird mindestens einer der Heizkreise (4) bis (4n) ohne Wärmezufuhr im Leerlauf betrieben, um den Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) abzukühlen. Für die Anfahrschaltung wird die Wärmezufuhr primärseitig am Zwei-Wege-Ventil (56) abgestellt und die Versorgerkreispumpe (12) so lange abgeschaltet, bis im unteren Bereich des Pufferspeichers mit dem höheren Temperaturniveau (2) eine ausreichend niedrige Temperatur erreicht wird. Danach schaltet die Versorgerkreispumpe (12) ein und fördert das ausreichend abgekühlte Wasser in den Pufferspeicher mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3). Dann startet die Wärmepumpe (20) und das Zwei-Wege-Ventil (56) kann wieder eingeschaltet werden.
Sollte diese Maßnahme für eine Anfahrschaltung nicht ausreichen, so könnte für den Start eine Kühlanlage vorgeschaltet werden, die nach der Startphase wieder abgeschaltet werden könnte.
Es zeigt 2: Verfahren zur Reduzierung der Rücklauftemperatur mittels einer Wärmepumpe zur Versorgung eines Warmwassernachwärmers (5), vorzugsweise ausgeführt als indirekt beheizter Trinkwasserspeicher, danach zur Versorgung eines Heizkreises oder einer Gruppe von parallel geschalteten Heizkreisen (4) bis (4n) für die Gebäudebeheizung, vorzugsweise ausgeführt als ein Flächenheizkreis, z.B. Fußbodenheizung und danach zur Versorgung eines Warmwasservorwärmers (6), vorzugsweise ausgeführt als Durchflusserwärmer, gemäß dem Gegenstand von Patentanspruch 2.
Der Warmwassernachwärmer (5) wird nach Arbeitsblatt DVGW W551 am Austritt des Heizkreises ständig auf einer Trinkwassersolltemperatur von mindstens 60° C gehalten. Verbraucherseitig wird dem Warmwassernachwärmer (5) bei jeder Zapfung von Warmwasser Energie entnommen. Dabei strömt vorgewärmtes Trinkwasser vom Warmwasservorwärmer (6) zum Warmwassernachwärmer (5) nach.
Ebenso wird dem Warmwassernachwärmer (5) bei Betrieb der Zirkulationspumpe (31) ständig Energie entnommen. Nach Arbeitsblatt DVGW W551 ist die Zirkulation so zu betreiben, dass die Temperatur des zirkulierenden Trinkwassers mit minimal 55° C zum Warmwassernachwärmer (5) zurückfließt. Das vorgewärmte Trinkwasser aus dem Warmwasservorwärmer (6) und das zirkulierende Trinkwasser mischen sich vor dem Einlauf in den Warmwassernachwärmer (5).
Im Warmwassernachwärmer (5) schichtet sich in der Folge die Temperatur absteigend von oben beispielsweise 60° C nach unten, beispielsweise 50° C.
Bei jeder Zapfung von Warmwasser schaltet sich eine Warmwasserbereitungspumpe (32) ein und fördert je nach Schaltstellung eines Drei-Wege-Ventils (33) das Heizwasser vom oberen Bereich des Pufferspeichers mit dem höheren Temperaturniveau (2) oder vom oberen Bereich des Pufferspeichers mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) zum Warmwasservorwärmer (6) und je nach Schaltstellung des Drei-Wege-Ventils (34) zum unteren Bereich des Pufferspeichers mit dem höheren Temperaturniveau (2) oder zum mittleren Bereich des Pufferspeichers mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) zurück, wodurch das kalte Trinkwasser vorgewärmt wird und zum Warmwassernachwärmer (5) fließt.
Die Schaltstellung des Drei-Wege-Ventils (33) ist im Sommer bei ausgeschalteten Heizkreisen (4) bis (4n) immer in der vollen Öffnungsrichtung von Eingang (2) nach Ausgang (3). Die Schaltstellung des Drei-Wege-Ventils (34) ist im Sommer bei ausgeschalteten Heizkreisen (4) bis (4n) immer in der vollen Öffnungsrichtung von Eingang (3) nach Ausgang (2). Damit ist sichergestellt, dass dem Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) bei ausgeschalteten Heizkreisen (4) bis (4n) Energie entnommen wird.
Im Winter, bei eingeschalteten Heizkreisen (4) bis (4n) ist die Schaltstellung des Drei-Wege-Ventils (33) in der vollen Öffnungsrichtung von Eingang (1) nach Ausgang (3) und die Schaltstellung des Drei-Wege-Ventils (34) in der vollen Öffnungsrichtung von Eingang (3) nach Ausgang (1). Im Winter wird dem Pufferspeicher mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) im oberen Bereich durch den Warmwasservorwärmer (6) Energie entnommen.
Bei Wärmeanforderung der Heizkreise (4) bis (4n) oder bei Erreichen einer unteren Grenztemperatur für das Trinkwasser im oberen Bereich des Warmwassernachwärmers (5) schaltet sich die Versorgerkreispumpe (12) ein und fördert Heizwasser von der Wärmequelle (1) unter Beimischung aus dem Rücklauf des Warmwassernachwärmers (5) über das regelbare Drei-Wege-Ventil (11) und das Drei-Wege-Ventil (30) in den Pufferspeicher mit höherem Temperaturniveau (2), wodurch dann abgekühles Heizwasser aus dem Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) in den Puffer mit einem niedrigeren Temperaturniveau (3) und danach zur Wärmequelle (1) zurückfließt.
Das Drei-Wege-Ventil (30) ist dabei von Eingang (1) nach Ausgang (2) voll geöffnet. Wenn keine Wärmeanforderung am Warmwassernachwärmer (5) besteht, oder wenn der Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) mit einer höheren als vom Warmwassernachwärmer (5) geforderten Temperatur geladen werden soll, öffnet sich das Drei-Wege-Ventil (30) von Eingang (1) nach Ausgang (3). Hat der Warmwassernachwärmer (5) eine obere Grenztemperatur für das Trinkwasser erreicht, dann öffnet sich das Drei-Wege-Ventil (30) voll von Eingang (1) nach Ausgang (3) und schließt gleichzeitig den Durchgang von Eingang (1) nach Ausgang (2). Diese Schaltstellung wird insbesondere dann erforderlich, wenn Heizkreise (4) bis (4n) mit relativ hohem Temperaturniveau versorgt werden müssen, beispielsweise Radiatorenheizkreise im Winter, Auslegung 80/60°C.
Der Durchfluss im Versorgerkreis wird an Hand des Versorgerkreissensors (16) auf ein Minimum geregelt. Der Volumenstrom in Richtung des Verbraucherkreises soll stets höher liegen, die Regelung erfolgt über den Verbraucherkreissensor (15). Damit wird sichergestellt, dass der Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) nicht durchmischt wird. Um bei geringerem Durchfluss im Versorgerkreis die gleiche Wärmeenergie an den Verbraucherkreis zu übertragen, ist eine Anhebung der Temperatur im Versorgerkreis erforderlich.
Bei abgeschalteter Wärmepumpe (20) ergeben sich im Winter beispielsweise folgende Temperaturwerte:

Durch die Entnahme von Energie aus dem Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) ergibt sich in der Folge eine Temperaturschichtung im Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) absteigend von oben, beispielsweise 50° C nach unten, beispielsweise 28° C. Im Pufferspeicher mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) wird das Heizwasser im oberen Bereich von 28°C auf ca. 25 °C abgekühlt. Die Temperatur im unteren Bereich beträgt damit ebenso 25°C.

Duch Einschalten der Wärmepumpe (20) wird dann dem Pufferspeicher mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) Wärme im unteren Bereich entzogen und dem Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) zur Nachnutzung zur Verfügung gestellt. Die Wärmepumpe arbeitet damit in einem Bereich mit sehr gutem Leistungswert.
Der Start der Wärmepumpe kann frühestens dann erfolgen, wenn die Temperatur im mittleren Bereich des Pufferspeichers mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) die zulässige maximale Quelltemperatur der Wärmepumpe unterschritten hat. Um einen sicheren Start herzustellen, wird die Wärmezufuhr über das Zwei-Wege-Ventil (56) geschlossen, die Versorgerkreispumpe (12) und die Zirkulationspumpe (31) werden abgeschaltet. Das Drei-Wege-Ventil (33) wird auf Durchlass von Eingang (1) nach Ausgang (3), das Drei-Wege-Ventil (34) wird auf Durchlass von Eingang (3) nach Ausgang (1) geschaltet. Bei Zapfung von Warmwasser schaltet die Warmwasserbereitungspumpe (32) ein und entnimmt dem Pufferspeicher mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) im oberen Bereich Wärme. In Praxis stellt sich im oberen Bereich des Pufferspeichers mit dem niedrigeren Temperatumiveau (3) bald eine Temperatur kleiner als 25 °C ein. Sollte diese Maßnahme für eine Anfahrschaltung nicht ausreichen, so könnte für den Start eine Kühlanlage vorgeschaltet werden, die nach der Startphase wieder abgeschaltet werden könnte.
Es zeigt 3: Verfahren zur Reduzierung der Rücklauftemperatur mittels einer Wärmepumpe bei Versorgung eines Warmwassernachwärmers (5), vorzugsweise ausgeführt als indirekt beheizter Trinkwasserspeicher und eines Warmwasservorwärmers (6), vorzugsweise ausgeführt als Durchflusserwärmer.
Der Warmwassernachwärmer (5) wird nach Arbeitsblatt DVGW W551 am Austritt des Heizkreises ständig auf einer Trinkwassersolltemperatur von mindstens 60° C gehalten. Verbraucherseitig wird dem Warmwassernachwärmer (5) bei jeder Zapfung von Warmwasser Energie entnommen. Dabei strömt vorgewärmtes Trinkwasser vom Warmwasservorwärmer (6) zum Warmwassernachwärmer (5) nach.
Ebenso wird dem Warmwassernachwärmer (5) bei Betrieb der Zirkulationspumpe (31) ständig Energie entnommen. Nach Arbeitsblatt DVGW W551 ist die Zirkulation so zu betreiben, dass die Temperatur des zirkulierenden Trinkwassers mit minimal 55° C zum Warmwassernachwärmer (5) zurückfließt. Das vorgewärmte Trinkwasser aus dem Warmwasservorwärmer (6) und das zirkulierende Trinkwasser mischen sich vor dem Einlauf in den Warmwassernachwärmer (5).
Im Warmwassernachwärmer (5) schichtet sich in der Folge die Temperatur absteigend von oben beispielsweise 60° C nach unten, beispielsweise 50° C.
Bei jeder Zapfung schaltet sich eine Warmwasserbereitungspumpe (32) ein und fördert das Heizwasser vom oberen Bereich des Pufferspeichers mit dem höheren Temperaturniveau (2) zum Warmwasservorwärmer (6) und zum unteren Bereich des Pufferspeichers mit dem höheren Temperaturniveau (2) zurück, wodurch das kalte Trinkwasser vorgewärmt wird und zum Warmwassernachwärmer (5) fließt. Durch die Entnahme von Energie aus dem Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) ergibt sich bei abgeschalteter Wärmepumpe (20) in der Folge eine Temperaturschichtung im Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) absteigend von oben, beispielsweise 50° C nach unten, beispielsweise 20° C.
Es ist denkbar, dass die Temperaturwerte im Arbeitsblatt DVGW W551 zukünftig beispielsweise um 5 Kelvin reduziert werden. Dadurch würde sich die Temperatur im Warmwassernachwärmer (5) absteigend von oben beispielsweise 55° C nach unten, beispielsweise 45° C schichten und die Temperatur im Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) beispielsweise von oben 45° C nach unten, beispielsweise 20° C.
Bei Erreichen einer unteren Grenztemperatur für das Trinkwasser im oberen Bereich des Warmwassernachwärmers (5) schaltet sich die Versorgerkreispumpe (12) ein und fördert Heizwasser von der Wärmequelle (1) unter Beimischung aus dem Rücklauf des Pufferspeichers mit dem höheren Temperaturniveau (2) über das Drei-Wege-Ventil (11) in den Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2), wodurch dann abgekühltes Heizwasser aus dem Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) in den Pufferspeicher mit einem niedrigeren Temperaturniveau (3) und danach zur Wärmequelle (1) zurückfließt. Der Pufferspeicher mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) wird durchgehend mit der niedrigen Temperatur aus dem Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) geladen.
Beim Einschalten der Wärmepumpe (20) wird dem Pufferspeicher mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) Wärme entzogen und in den mittleren Bereich des Pufferspeichers mit dem höheren Temperaturniveau (2) transportiert. Das Drei-Wege-Ventil (21) regelt die erforderliche Tiefhaltung auf die maximal zulässige Quelltemperatur der Wärmepumpe, welche abhängig ist von der Siedetemperatur des verwendeten Kältemittels. Eine Pumpe (22) fördert das Wasser vom oberen Bereich des Pufferspeichers mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) unter Abkühlung durch den Verdampferkreis der Wärmepumpe (20) in den unteren Bereich des Pufferspeichers mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3).
Eine Pumpe (23) fördert das Wasser vom unteren Bereich des Pufferspeichers mit dem höheren Temperaturniveau (2) unter Erwärmung durch den Verflüssigerkreis der Wärmepumpe (20) in den mittleren Bereich des Pufferspeichers mit dem höheren Temperaturniveau (2).
Durch diese Anordnung kann die Wärmepumpe (20) ständig in einem günstigen Niedertemperaturbereich dem Pufferspeicher mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) Wärme entziehen und dem Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) als nutzbare Wärme zur Verfügung stellen.
Für den sicheren Start der Wärmepumpe ist die maximal zulässige Quelltemperatur von ca. 25° C zu beachten. Für die sichere Anfahrschaltung wird die Wärmezufuhr primärseitig am Zwei-Wege-Ventil (56) abgestellt und die Versorgerkreispumpe (12) abgeschaltet. Ferner wird die Zirkulationspumpe (31) abgestellt, um die Abkühlung des Warmwassers zu minimieren. Es ist allerdings zu beachten, dass die Zirkulationspumpe (31) gemäß Arbeitsblatt DVGW W551 nicht zu lange abgestellt wird. Wenn nun Zapfungen vorgenommen werden, schaltet sich die Warmwasserbereitungspumpe (32) zur Vorwärmung des Warmwassers ein und kühlt den Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) von unten nach oben ab.
Wenn im unteren Bereich des Pufferspeichers mit dem höheren Temperaturniveau (2) eine ausreichend niedrige Temperatur erreicht wird, schaltet sich die Versorgerkreispumpe (12) ein und fördert das ausreichend abgekühlte Wasser in den Pufferspeicher mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3). Dann startet die Wärmepumpe (20) und das Zwei-Wege-Ventil (56) kann wieder geöffnet werden.
Sollte diese Maßnahme für eine Anfahrschaltung nicht ausreichen, so könnte für den Start eine Kühlanlage vorgeschaltet werden, die nach der Startphase wieder abgeschaltet werden könnte.
Es zeigt 4: System für ein kombiniertes Wärme- und Kälteverteilnetz im Nah- oder Fernbereich mit Auskoppelung von sehr niedrigen Rücklauftemperaturen zur Kältenutzung, gemäß dem Gegenstand von Patentanspruch 5.
Die zentrale Wärmequelle (50), beispielsweise als Kraftwerk mit Tiefengeothermieversorgung oder als Kraftwerk mit Brennwertnutzung der Abgase, versorgt über eine Netzpumpe (51) mehrere parallel angeordnete Wärmeübergabestationen (1) mit Heizenergie. Das Heizwasser fließt über eine Wärmevorlaufleitung (52) und über Zwei-Wege-Ventile (56) zu den Wärmeübergabestationen (1), welche nach den erfindungsgemäßen Heizanordnungen nach den Ansprüchen 3 - 4 ausgebildet sind. Das Heizwasser wird in den Heizanordnungen auf eine sehr niedrige Rücklauftemperatur abgekühlt und fließt in der Rücklaufleitung (53) über eine Kälteübergabevorrichtung (60), vorzugsweise ausgeführt als Pufferspeicher oder ausgeführt als Wärmetauscher, zurück zur zentralen Wärmequelle (50).
Aus der Kälteübergabevorrichtung (60) kann sehr kaltes Wasser für eine Kältenutzung gespeist werden, beispielsweise für die Kälteversorgung des Kondensators eines Kalina-Kreisprozesses oder eines Organic Rankine Cycle (OCR).
Es zeigt 5: System für ein kombiniertes Wärme- und Kälteverteilnetz im Nah- oder Fernbereich mit Auskoppelung von sehr niedrigen Rücklauftemperaturen zur Kältenutzung, bestehend aus einem 3-Leiter-System, gemäß dem Gegenstand von Patentanspruch 6.
Die Wärmequelle (50) versorgt über eine Netzpumpe (51) mehrere Abnehmer über jeweils eine Wärmeübergabestation (1) mit Heizenergie. Das Heizwasser fließt über die Wärmevorlaufleitung (52) und über Zwei-Wege-Ventile (56) zu parallel angeordneten Wärmeübergabestationen (1).
Bei Unterschreitung einer definierten maximalen Grenztemperatur von beispielsweise 10°C wird der Rücklauf aus den Wärmeübergabestationen (1) jeweils über Drei-Wege-Ventile (57) in der kalten Rücklaufleitung (53) zur weiteren Ausnutzung zu Kälteübergabestationen (59) geführt, welche mit Zwei-Wege-Ventile (56) gesteuert werden. Zusätzlich wird die kalte Rücklaufleitung (53) zu einer Kälteübergabevorrichtung (60) geführt, welches über ein Zwei-Wege-Ventile (61) gesteuert wird. Hieraus kann eine zentrale Kälteversorgung gespeist werden, beispielsweise für die Kälteversorgung des Kondensators eines Kalina-Kreisprozesses oder eines Organic Rankine Cycle (OCR).
Danach fließt das Wasser von der Kälteübergabevorrichtung (60) zusammen mit dem Rücklauf aus den Kälteübergabestationen (59) zurück in die zentrale Wärmequelle (50) .
Es zeigt 6: System für ein kombiniertes Wärme- und Kälteverteilnetz im Nah- oder Fernbereich mit Auskoppelung von sehr niedrigen Rücklauftemperaturen zur Kältenutzung, bestehend aus einem 3-Leiter-System, gemäß dem Gegenstand von Patentanspruch 8.
Im Patentanspruch 8 wird das System von Patentanspruch 6 ohne eine Kälteübergabevorrichtung (60) ausgeführt. Anstelle der über das Zwei-Wege-Ventil (61) gesteuerten Kälteübergabevorrichtung (60) wird zur Steuerung der Wasserverteilung zwischen den Wärmeübergabestationen (1) und den Kälteübergabestationen (59) ein Drei-Wege-Ventil (55) verwendet.

Claims

Verfahren zur Erreichung sehr niedriger Rücklauftemperaturen in einer Heizanordnung mittels einer Wärmepumpe, wobei der Hauptvorlauf einer Wärmequelle (1) über eine Versorgerkreispumpe (12) und unter Beimischung aus dem Rücklauf eines Pufferspeichers mit einem höheren Temperaturniveau (2) durch ein regelbares Drei-Wege-Ventil (11) als Vorlauf zu einem Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) und dann weiter als Vorlauf zu einem Pufferspeicher mit einem niedrigeren Temperaturniveau (3) und dann als Hauptrücklauf zur Wärmequelle (1) zurückgeführt wird, wobei dem Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) Wärme durch einen Heizkreis (4) oder mehrere Heizkreise (4n) entnommen wird, wodurch abgekühltes Heizwasser in den Pufferspeicher mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) strömt, wobei eine erste Pumpe (22) Heizwasser aus dem oberen Bereich des Pufferspeichers mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) zur weiteren Abkühlung zu einer Wärmepumpe (20) und dann zurück zum unteren Bereich des Pufferspeichers mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) fördert, wobei durch ein Drei-Wege-Ventil (21) die geforderte Tiefhaltung der maximal zulässigen Temperatur im Verdampferkreis der Wärmepumpe (20) geregelt wird, und gleichzeitig eine zweite Pumpe (23) Heizwasser aus dem unteren Bereich des Pufferspeichers mit dem höheren Temperaturniveau (2) zur Erwärmung zur Wärmepumpe (20) und dann zurück zum mittleren Bereich des Pufferspeichers mit dem höheren Temperaturniveau (2) fördert, wobei die Drehzahl der Versorgerkreispumpe (12) ständig so geregelt wird, dass ausreichend Wärmenergie für die Heizkreise (4) bis (4n) zur Verfügung steht und gleichzeitig der Durchfluss an einem Versorgerkreissensor (16) immer niedriger als der Durchfluss an einem Verbraucherkreissensor (15) ist, um eine optimale Temperaturschichtung im Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) sicherzustellen.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) über ein drittes regelbares Drei-Wege-Ventil (30) ein Warmwassernachwärmer (5) vorgeschaltet wird und eine Warmwasserbereitungspumpe (32) Heizwasser über ein viertes Drei-Wege-Ventil (33), und über ein fünftes Drei-Wege-Ventil (34) wahlweise aus dem oberen Bereich des Pufferspeichers mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) oder aus dem Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) zu einem Warmwasservorwärmer (6) fördert, wobei verbraucherseitig der Warmwasservorwärmer (6) vor dem Warmwassernachwärmer (5) mit zu erwärmendem Trinkwasser durchströmt wird.
Heizanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die aufweist: - eine Wärmequelle (1) - eine Versorgerkreispumpe (12) - einen Pufferspeicher mit einem höheren Temperaturniveau (2), - einen Pufferspeicher mit einem niedrigeren Temperaturniveau (3) - eine Wärmepumpe (20) - ein erstes regelbares Drei- Wege- Ventil (11) und ein zweites regelbares Drei- Wege- Ventil (21) - einen Versorgerkreissensor (16) - einen Verbraucherkreissensor (15) und - einen oder mehrere Heizkreise (4, 4n) zur Versorgung von Verbrauchern mit Heizwärme wobei - die Wärmequelle (1) über eine Hauptvorlaufleitung über die Versorgerkreispumpe (12) Wärme an den Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) liefert, wobei durch das erste regelbare Drei-Wege-Ventil (11) eine Beimischung aus einer Rücklaufleitung des Pufferspeichers mit dem höheren Temperaturniveau (2) ermöglicht ist, - die Rücklaufleitung des Pufferspeichers mit dem höheren Temperaturniveau (2) zugleich die Vorlaufleitung zu dem Pufferspeicher mit einem niedrigeren Temperaturniveau (3) ist, und die Rücklaufleitung des Pufferspeichers mit einem niedrigeren Temperaturniveau (3) zugleich die Hauptrücklaufleitung zur Wärmequelle (1) ist, - dem Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) Wärme durch den oder die Heizkreise (4, 4n) entnommen wird, wodurch abgekühltes Heizwasser in den Pufferspeicher mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) strömt, - die erste Pumpe (22) Heizwasser aus dem oberen Bereich des Pufferspeichers mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) zur weiteren Abkühlung zu der Wärmepumpe (20) und dann zurück zum unteren Bereich des Pufferspeichers mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) fördert, - das zweite regelbare Drei-Wege-Ventil (21) zur Regelung der geforderten Tiefhaltung der maximal zulässigen Temperatur im Verdampferkreis der Wärmepumpe (20) dient, - die zweite Pumpe (23) Heizwasser aus dem unteren Bereich des Pufferspeichers mit dem höheren Temperaturniveau (2) zur Erwärmung zur Wärmepumpe (20) und dann zurück zum mittleren Bereich des Pufferspeichers mit dem höheren Temperaturniveau (2) fördert, wobei die Drehzahl der Versorgerkreispumpe (12) ständig so geregelt wird, dass ausreichend Wärmenergie für die Heizkreise (4) bis (4n) zur Verfügung steht und - mittels des Versorgerkreissensors (16) der Durchfluss im Versorgerkreis und mittels des Verbraucherkreissensors (15) der Durchfluss im Verbraucherkreis ermittelt wird, um den Durchfluss im Versorgerkreis immer niedriger als den Durchfluss im Verbraucherkreis einzustellen, um eine optimale Temperaturschichtung im Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) sicherzustellen.
Heizanordnung nach Anspruch 3, ferner aufweisend: - einen Warmwasservorwärmer (6) - einen Warmwassernachwärmer (5) - eine Warmwasserbereitungspumpe (32) - ein drittes regelbares Drei-Wege-Ventil (30) - ein viertes regelbares Drei-Wege-Ventil (33) - ein fünftes regelbares Drei-Wege-Ventil (34) wobei dem Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) über das dritte regelbare Drei-Wege-Ventil (30) der Warmwassernachwärmer (5) vorgeschaltet ist und die Warmwasserbereitungspumpe (32) Heizwasser über das vierte Drei-Wege-Ventil (33), und über das fünfte Drei-Wege-Ventil (34) wahlweise aus dem oberen Bereich des Pufferspeichers mit dem niedrigeren Temperaturniveau (3) oder aus dem Pufferspeicher mit dem höheren Temperaturniveau (2) zu einem Warmwasservorwärmer (6) fördert, wobei verbraucherseitig der Warmwasservorwärmer (6) über eine Leitung mit dem Warmwassernachwärmer (5) verbunden ist.
System für ein kombiniertes Wärme- und Kälteverteilnetz im Nah- oder Fernbereich mit Auskoppelung von sehr niedrigen Rücklauftemperaturen zur Kältenutzung mit mehreren Heizanordnungen, die jeweils nach einem der Ansprüche 3-4 ausgebildet sind und als Wärmequelle (1) eine Wärmeübergabestation (1) aufweisen, wobei das Verteilnetz eine Wärmevorlaufleitung (52) und Rücklaufleitung (53) aufweist, wobei eine zentrale Wärmequelle (50) Heizwasser erzeugt, das über eine Netzpumpe (51) in der Wärmevorlaufleitung (52) und über Zwei-Wege-Ventile (56) in Parallelzweigen des Verteilnetzes zu den Wärmeübergabestationen (1) der Heizanordnungen und in der Rücklaufleitung (53) über eine Kälteübergabevorrichtung (60) zurück zur zentralen Wärmequelle (50) geführt wird.
System nach Anspruch 5, wobei die Rücklaufleitung (53) eine kalte Rücklaufleitung ist und ferner eine Heizungsrücklaufleitung (54) vorhanden ist, wobei in der kalten Rücklaufleitung (53) vor der Kälteübergabevorrichtung (60) ein weiteres Zwei-Wege-Ventil (61) eingebunden ist, ferner weitere Parallelzweige mit je einer Kältübergabestation (59) vorhanden sind und in den Parallelzweigen des Verteilnetzes zu den Wärmeübergabestationen (1) der Heizanordnungen je ein Drei-Wege-Ventil (57) angeordnet ist, wobei über das jeweilige Drei-Wege-Ventil (57) Wasser entweder a) in die kalte Rücklaufleitung (53), von wo aus das sehr kalte Wasser entweder a1) über weitere Zwei-Wege-Ventile (56) in den weiteren Parallelzweigen zu den Kälteübergabestationen (59) geführt wird und weiter in die Heizungsrücklaufleitung (54) zurück zur zentralen Wärmequelle (50) geführt wird, oder a2) über das weitere Zwei-Wege-Ventil (61) zur Kälteübergabevorrichtung (60) und dann zurück zur zentralen Wärmequelle (50) geführt wird, oder b) direkt in die Heizungsrücklaufleitung (54) zurück zur zentralen Wärmequelle (50) geführt wird.
System nach Patentanspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kälteübergabevorrichtung (60) als Kondensator eines Kalina-Kreisprozesses oder eines Organic Rankine Cycle (OCR) ausgebildet wird.
System für ein kombiniertes Wärme- und Kälteverteilnetz im Nah- oder Fernbereich mit Auskoppelung von sehr niedrigen Rücklauftemperaturen zur Kältenutzung mit mehreren Heizanordnungen, die jeweils nach einem der Ansprüche 3-4 ausgebildet sind und als Wärmequelle (1) eine Wärmeübergabestation (1) aufweisen, wobei das Verteilnetz eine Wärmevorlaufleitung (52), eine kalte Rücklaufleitung (53) und eine Heizungsrücklaufleitung (54) aufweist, wobei durch eine Netzpumpe (51) Heizwasser von einer zentralen Wärmequelle (50) in der Wärmevorlaufleitung (52) über Zwei-Wege-Ventile (56) in Parallelzweigen des Verteilnetzes zu den Wärmeübergabestationen (1) der Heizanordnungen und zurück über ein Drei-Wege-Ventil (57) im Parallelzweig der jeweiligen Wärmeübergabestation (1) wahlweise in die kalte Rücklaufleitung (53), von wo aus das sehr kalte Wasser über weitere Zwei-Wege-Ventile (56) in weiteren Partallelzweigen zu Kälteübergabestationen (59) geführt wird und weiter in die Heizungsrücklaufleitung (54) zum Eingang (3) eines sechsten Drei-Wege-Ventils (55), oder direkt in die Heizungsrücklaufleitung (54) zum Eingang (3) des sechsten Drei-Wege-Ventils (55) und dann über den Ausgang (2) des sechsten Drei-Wege-Ventils (55) zurück zur zentralen Wärmequelle (50) geführt wird.