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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heizungs- und/oder Warmwasserbereitungssystem, das dazu eingerichtet ist, Heizungswasser und/oder Warmwasser zu erzeugen.
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Bekannt ist, Warmwasser und Heizungswasser über unterschiedliche Heizer zu erwärmen. Derartige Heizer umfassen beispielsweise Wärmepumpen, aber auch Direktheizungen sind denkbar. Die Nutzung des gleichen Heizers oder Wärmeerzeugers zur Warmwasser- und Heizungswassererwärmung ist möglich, allerdings erfolgt dabei die Bereitstellung von Warmwasser und Heizungsenergie alternativ, das heißt während Warmwasser erwärmt wird, erfolgt keine Erwärmung des Heizungswassers und die durch die Heizung erwärmten Räume drohen abzukühlen.
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Grund für die Schwierigkeiten der parallelen Erwärmung von Warmwasser und Heizungswasser ist insbesondere, dass das erwärmte Heizungswasser und das erwärmte Warmwasser mit unterschiedlichen Temperaturen bereitgestellt werden. Eine typische Vorlauftemperatur für Heizungswasser ist beispielsweise im Bereich von 50 bis 60°C, wobei insbesondere moderne Passivhäuser auch deutlich niedrigere Heizungsvorlauftemperaturen ermöglichen. Die Wunschtemperatur für Warmwasser hingegen kann deutlich darüber liegen.
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Bei einem Parallelbetrieb der Heizungswasser- und Warmwassererzeugung bei bekannten Systemen würde demnach entweder eine zu hohe Heizungsvorlauftemperatur und demnach ein hoher Wärmeverlust oder eine niedrige Warmwassertemperatur die Folge sein. Die alternative Bereitstellung von Warmwasser und Heizenergie sorgt, wie erwähnt, dafür, dass beispielsweise während der Erzeugung von Warmwasser kein Heizen der Wohnräume möglich ist und demnach die Temperatur unangenehm abfallen kann.
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Bekannte Lösungsversuche bestehen darin, große Pufferspeicher bereitzustellen, um dennoch jederzeit ausreichend warmes Heizungswasser bzw. Warmwasser zur Verfügung stellen zu können. Derartige große Pufferspeicher haben ungünstiger Weise einen hohen Platzbedarf. Ebenso ist bei der Nutzung getrennter Erzeuger für Warmwasser und Heizungswasser ein ungünstig großer Platzbedarf vorhanden.
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Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Warmwasser und Heizungswasser ohne die bekannten Nachteile des Standes der Technik mit einem einzigen Heizgerät, insbesondere einer Wärmepumpe, bereitzustellen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Heizungs- und/oder Warmwasserbereitungssystem bereitgestellt. Das System umfasst einen Heizkreislauf und einen Wärmepumpenkreislauf, wobei der Wärmepumpenkreislauf eine Wärmeübertragereinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, Wärme aus dem Wärmepumpenkreislauf an den Heizkreislauf zu übertragen, wobei der Heizkreislauf einen Heizungskreis mit Heizungsvorlauf und Heizungsrücklauf, einen Warmwasserkreis mit Warmwasservorlauf oder Warmwasserladevorlauf und Warmwassernachlauf Heizungsnachlauf oder Warmwasserladerücklauf und ein Umschaltventil, insbesondere ein 3/2-Wege-Umschaltventil, umfasst, wobei das Umschaltventil dazu eingerichtet ist, einen Volumenstrom durch den Heizkreislauf wenigstens zwischen Heizungsvorlauf und Warmwasservorlauf aufzuteilen, wobei die Wärmeübertragereinrichtung einen ersten Wärmeübertrager und in Serie damit einen zweiten Wärmeübertrager aufweist wobei der zweite Wärmeübertrager dazu eingerichtet ist, Wärme an den Heizkreislauf in einer Wasserströmungsrichtung vor dem Umschaltventil zu übertragen, wobei der erste Wärmeübertrager dazu eingerichtet ist, Wärme an den Warmwasservorlauf in Wasserströmungsrichtung hinter dem Umschaltventil zu übertragen und wobei das Umschaltventil einen einstellbaren Stellgrad aufweist.
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Diese Serienverschaltung bezieht sich vorteilhaft auf den dem Dampfkompressionskreis zugeordneten Fluidpfade der Wärmeübertrager. Die den Wasserkreisen zugeordneten Fluidpfade der Übertrager sind vorteilhat nicht unmittelbar in Serie geschaltet, da eine Pumpe und ein Ventil zwischengeschaltet sind.
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Dadurch, dass die Wärmeübertragereinrichtung zwei in Serie geschaltete Wärmeübertrager aufweist, kann der Warmwasservorlauf auf eine höhere Temperatur erwärmt werden, als der Heizungskreis, was nachfolgend noch weiter erläutert wird der Heizkreisvorlauf kann bei hinreichend niedrigen Wasservolumenströmen Vorlauftemperaturen vorteilhaft bis hin zur Heißgastemperatur erzeugen. Der Vorteil der Verschaltung ist die Aufteilung der Volumenströme und damit die Entkopplung von durch Enthitzung des Heizgases höher erwärmtes WW-Lade-Vorlaufwasser und durch Verflüssigung des KM niedriger erwärmtes Heizungsvorlaufwasser. Hierbei ist anzumerken, dass die Wärmeübertrager in Strömungsrichtung des Kältemittels, also auf Seite des Wärmepumpenkreises, in Serie geschaltet sind, nicht notwendigerweise jedoch auf Seite des Heizkreislaufs. Somit kann der Warmwasserkreis Warmwasser mit einer höheren Temperatur erzeugen, als für den Heizungsvorlauf benötigt wird. Ein energieoptimierter Betrieb des Heizungs- und/oder Warmwasserbereitungssystem ist somit gewährleistet.
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Das Umschaltventil weist einen einstellbaren Stellgrad auf, was insbesondere heißt, dass das Umschaltventil mit einer variablen Einstellung des Stellgrades vorgesehen ist. Dadurch ist ein gleichzeitiger Betrieb der Heizung und eine Bereitstellung von Warmwasser möglich. Im Vergleich mit Ventilen bekannter Lösungen wird dadurch vermieden, dass Raumtemperaturen bei einer Bereitstellung von Warmwasser unerwünschter Weise absinken. Durch die geschickte Regelung des Umschaltventils ist es möglich, die von dem Wärmepumpenkreislauf aufgebrachte Heizleistung optimal zwischen Warmwassererzeugung und Heizungskreis aufzuteilen.
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Durch den Wärmepumpenkreislauf strömt vorzugsweise ein geeignetes Kältemittel. Dabei sind vorteilhafterweise sämtliche Arten von Wärmepumpen einsetzbar, beispielsweise Luft- oder Solewärmepumpen.
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Der Wärmepumpenkreislauf weist vorzugsweise einen Verdichter auf, wobei der Verdichter eine Verdichterdruckkapsel umfasst und wobei der erste Wärmeübertrager mit der Verdichterdruckkapsel derart gekoppelt ist, dass der erste Wärmeübertrager Wärme aus der Verdichterdruckkapsel auskoppelt Ferner kann der Verdichter eine Heißgasleitung umfassen, wobei der erste Wärmeübertrager mit der Heißgasleitung derart gekoppelt ist, dass der erste Wärmeübertrager Wärme aus der Heißgasleitung auskoppelt.
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Ferner vorzugsweise umfasst das Heizungs- und/oder Warmwasserbereitungssystem ein Steuersystem, wobei das Steuersystem eingerichtet ist, den Stellgrad des Umschaltventils, insbesondere bei aktiviertem Verdichter, derart zu steuern, dass der in den Warmwasservorlauf gespeiste Fluidstrom im ersten Wärmeübertrager auf eine vordefinierte Ladungstemperatur erwärmt wird.
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Vorzugsweise ist das Steuersystem eingerichtet, ein Ventilsteuersignal zu erzeugen, wobei mit dem Ventilsteuersignal der Stellgrad des Umschaltventils einstellbar ist. Außerdem kann das Steuersystem eingerichtet sein, ein Temperaturdifferenzsignal zu empfangen, wobei das Temperaturdifferenzsignal eine Differenz der vordefinierten Ladungstemperatur oder Sollwert und einer erfassten Ladungstemperatur oder Warmwassertemperatur charakterisiert. Folglich kann das Steuersystem eingerichtet sein, das Ventilsteuersignal in Abhängigkeit des Temperaturdifferenzsignals zu erzeugen, wobei die Abhängigkeit vorzugsweise additiv oder multiplikativ berücksichtigt wird.
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Ferner ist es bevorzugt, dass das Steuersystem eingerichtet ist, das Ventilsteuersignal positiv proportional zu einer Heizleistung des Wärmepumpenkreislaufs zu erzeugen. Außerdem kann das Steuersystem eingerichtet sein, das Ventilsteuersignal positiv proportional zu einem Enthalpieverhältnis bestimmt aus einer Enthitzungsenthalpie einerseits und einer Summe aus Enthitzungsenthalpie, Kondensationsenthalpie und Unterkühlungsenthalpie anderseits zu erzeugen. Darüber hinaus kann das Steuersystem eingerichtet sein, das Ventilsteuersignal umgekehrt proportional zu einer zweiten Temperaturdifferenz zu erzeugen, wobei die zweite Temperaturdifferenz bestimmt wird aus der Differenz zwischen vordefinierter Ladungstemperatur und der Temperatur am Austritt des zweiten Wärmeübertragers.
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In einer weiteren bevorzugten Fortbildung des Heizungs- und/oder Warmwasserbereitungssystems ist vorgesehen, dass das Steuersystem eingerichtet ist, das Ventilsteuersignal umgekehrt proportional zu einer Pumpendrehzahl einer Umwälzpumpe zu erzeugen.
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Ferner ist es bevorzugt, dass Parameter einer Berechnung eines modellbasiert berechneten Stellgrads aufgrund einer Reglertätigkeit basierend auf der Differenz von erfasster Ladungstemperatur und vordefinierter Ladungstemperatur adaptiert werden.
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In einer bevorzugten Fortbildung des Steuersystems ist vorgesehen, dass dieses derart eingerichtet ist, das Ventilsteuersignal proportional zu einer Konstante zu erzeugen, wobei die Konstante eine Pumpengröße, einen Stellventilquerschnitt und eine Wärmekapazität berücksichtigt. Darüber hinaus kann das Steuersystem eingerichtet sein, das Ventilsteuersignal durch additive Berechnung eines Offsets des Umschaltventils zu erzeugen.
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In einer Ausführungsform sind der erste Wärmeübertrager als Enthitzer und der zweite Wärmeübertrager als Verflüssiger ausgestaltet. Entsprechend wird das gasförmige Kältemittel, das durch den Wärmepumpenkreislauf durch die Wärmeübertragereinrichtung strömt, in dem ersten Wärmeübertrager gekühlt, ohne jedoch wesentlich zu verflüssigen, während der Phasenübergang in die flüssige Phase im Wesentlichen in dem zweiten Wärmeübertrager stattfindet.
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So kann beispielsweise die Temperatur des Kältemittels in dem Enthitzer von 90°C (30°C-150°C) auf 57°C (20°C-150°C) reduziert werden, während das Kältemittel in dem in Reihe damit angeordneten Verflüssiger dann von 57°C (20°C-150°C) auf 49°C (15°C-80°C) abgekühlt und dabei verflüssigt wird. Die Werte in Klammern bezeichnen die - in Abhängigkeit des gewählten Kältemittels - typischerweise zu erwartenden Temperaturbereiche an den betreffenden Positionen. Zugleich kann beispielsweise das Wasser des Heizkreislaufs von beispielsweise 47°C (10°C-80°C) durch den Verflüssiger auf beispielsweise 55°C (15°C-85°C) erwärmt werden und damit die gewünschte Vorlauftemperatur erreichen. Nach dem Umschaltventil kann der Warmwasservorlauf oder Warmwasserladevorlauf dann weiter beispielsweise auf 75°C (15°C-95°C) erwärmt werden. Natürlich sind die Zahlenwerte exemplarisch zu verstehen, um das Funktionsprinzip der Erfindung zu verdeutlichen.
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In einer Ausführungsform weist der Enthitzer einen Plattenwärmeübertrager auf. Ein Plattenwärmeübertrager ist eine besonders einfache und wohlbekannte Form eines Wärmetauschers, wobei natürlich auch andere Arten zum Einsatz kommen können.
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In einer Ausführungsform ist der Enthitzer als Wärmerohr, Thermosiphon und/oder Heatpipe zwischen Wärmepumpenkreislauf und Warmwasserkreis oder Warmwasserladekreis ausgestaltet.
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Besonders vorteilhaft an der Ausgestaltung als Wärmerohr, Thermosiphon und/oder Heatpipe ist, dass eine Wärmeübertragung nur so lange erfolgt, so lange ein Temperaturniveau im Warmwasserkreis oder Warmwasserladekreis einen bestimmten Wert nicht überschreitet, der beispielsweise durch die Temperatur des Kältemittels in dem Enthitzer sowie der Ausgestaltung des Enthitzers bestimmt ist. Der Enthitzer ist in diesem Fall sozusagen selbstbeschränkend. Dadurch kann auch dann, wenn in dem Warmwasserkreis kein Fluid strömt ein Sieden und eine mögliche Beschädigung des gesamten Systems verhindert werden.
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Besonders bevorzugt ist der Enthitzer als Wärmerohr ausgestaltet. Die Zirkulation eines Kältemittels in dem Wärmerohr erfolgt aufgrund der Schwerkraft und nicht, beispielsweise wie in der Heatpipe, aufgrund von Kapillareffekten. Die Ausgestaltung der Wärmeübertragung durch das Wärmerohr kann somit durch die Einbaulage beeinflusst werden.
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In einer Ausführungsform ist ein Druckverlust über den ersten Wärmeübertrager unterschiedlich von einem Druckverlust über den zweiten Wärmeübertrager Druckverluste sind mit Leistungseinbußen verbunden und daher eher unerwünscht, besonders für den Verflüssiger sind aber Wärmeübertrager mit hohem Druckverlust, beispielsweise Plattenwärmeübertrager, aufgrund ihrer hohen Wärmeübertragungsleistung vorteilhaft. Besonders hat es sich aus Effizienzbetrachtungen als vorteilhaft herausgestellt, den ersten Wärmeübertrager mit einem geringeren Druckverlust als den zweiten Wärmeübertrager einzurichten.
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In einer Ausführungsform ist der Warmwasserkreis, der auch Warmwasserladekreis benannt wird, angeordnet, einen Warmwasserspeicher auf eine gewünschte Temperatur zu erhitzen, wobei das Umschaltventil dazu eingerichtet ist, den Volumenstrom insbesondere durch den Warmwasserkreis oder Warmwasserladekreis derart zu regeln, dass die Temperatur in dem Warmwasserspeicher dem gewünschten Wert nachfolgt.
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Demnach kann gewährleistet sein, dass in dem Warmwasserspeicher zu jeder Zeit ausreichend Warmwasser mit der gewünschten Temperatur zur Verfügung steht, ohne dass die Temperatur des Fluids in dem Heizungskreis absinkt, da gleichzeitig eine Erzeugung von Warmwasser und eine Versorgung des Heizungskreises erfolgt.
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In einer Ausführungsform ist in dem Heizkreislauf eine Umwälzpumpe angeordnet. Die Umwälzpumpe sorgt dafür, dass das Heizkreisfluid, insbesondere Wasser, durch den Heizkreis, das heißt den Heizungskreis und/oder den Warmwasserladekreis strömt.
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In einer Ausführungsform ist in dem Warmwasserladevorlauf dem ersten Wärmeübertrager nachgeordnet eine Direktheizung angeordnet. In einigen Fällen kann es vorkommen, dass auch die Reihenschaltung aus erstem Wärmeübertrager und zweitem Wärmeübertrager nicht genügend Energie auf den Warmwasservorlauf überträgt, beispielsweise im Fall von Luft-/Wasserwärmepumpen bei sehr kalten Außentemperaturen, so dass die Temperatur des Warmwasservorlaufes nicht den erforderlichen Wert erreicht. In diesem Fall kann durch die Direktheizung diese Temperaturdifferenz ausgeglichen werden.
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Die Direktheizung kann beispielsweise als elektrische Direktheizung ausgestaltet sein, wobei auch andere Ausgestaltungen möglich sind.
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In einer Ausführungsform ist eine Bypassleitung zum Vorbeileiten eines durch den Wärmepumpenkreislauf zirkulierenden Kältemittels an dem ersten Wärmeübertrager angeordnet. Beispielsweise in dem Fall, in dem der erste Wärmeübertrager als Plattenwärmeübertrager ausgebildet ist, kann durch die Bypassleitung verhindert werden, dass in einem reinen Heizbetrieb, wenn also nur eine sehr geringe oder keine Strömung durch den Warmwasserkreis verläuft, ein weiterer Energieeintrag in den Warmwasserkreis erfolgt, wodurch ein Sieden des Mediums in dem Warmwasserkreis verhindert wird. Vorzugsweise ist die Bypassleitung durch eine Steuerung des Heizungs- und/oder Warmwasserbereitungssystems regelbar, wobei die Steuerung die Bypassleitung vorzugsweise zusammen mit bzw. in Abhängigkeit von der Position des Umschaltventils steuert.
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In einer Ausführungsform ist das Heizungs- und/oder Warmwasserbereitungssystem in einem reinen Heizbetrieb, einem reinen Warmwasserbetrieb und einem Parallelbetrieb aus Heizbetrieb und Warmwasserbetrieb betreibbar.
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In einer Ausführungsform wird im Heizbetrieb ein Mindestvolumenstrom durch den Warmwasserkreis aufrechterhalten, wobei der Mindestvolumenstrom derart bemessen ist, dass ein Sieden in dem Warmwasserkreis verhindert ist.
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Demnach ist in dieser Ausführungsform alternativ oder zusätzlich zu der Bypassleitung in dem Wärmepumpenkreislauf vorzugsweise eine geeignete Ausgestaltung des Warmwasserkreises vorgesehen, die auch in einem reinen Heizbetrieb eine gewisse Mindestzirkulation durch den Warmwasserkreis sicherstellt. Auch dadurch kann eine Gefahr des Siedens in dem Warmwasserkreis verringert werden.
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Dadurch wird sowohl die für den Heizungskreis als auch für den Warmwasserladekreis benötigte Heizleistung optimal gewählt, so dass die Heizeinrichtung, insbesondere eine Wärmepumpe, welche die Energie zum Erwärmen des Heizungskreises bereitstellt, mit optimaler Leistungseinstellung betrieben werden kann.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend mit Verweis auf die beigefügten Figuren verdeutlicht. Hierbei zeigen:
- 1 schematisch und exemplarisch ein Ausführungsbeispiel eines Heizungs- und/oder Warmwasserbereitungssystems im Parallelbetrieb,
- 2 schematisch und exemplarisch das Ausführungsbeispiel der 1 im reinen Heizbetrieb,
- 3 schematisch und exemplarisch das Ausführungsbeispiel der 1 im reinen Warmwasserbetrieb,
- 4 schematisch und exemplarisch ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Bypassleitung im Warmwasserkreis,
- 5 schematisch und exemplarisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Heizungs- und/oder Warmwasserbereitungssystems,
- 6 schematisch und exemplarisch das Ausführungsbeispiel der 5 im reinen Heizbetrieb,
- 7 schematisch und exemplarisch das Ausführungsbeispiel der 5 im reinen Warmwasserbetrieb.
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1 zeigt schematisch und exemplarisch ein Ausführungsbeispiel eines Heizungs- und/oder Warmwasserbereitungssystems 100. Das Heizungs- und/oder Warmwasserbereitungssystem 100 umfasst einen Heizkreislauf 20 und einen Wärmepumpenkreislauf 30.
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Der Heizkreislauf 20 ist dazu eingerichtet, parallel Heizungswasser und Warmwasser bereitzustellen und schließt zu diesem Zweck einen Heizungskreis 22 mit Heizungsvorlauf 23 und Heizungsnachlauf 24 sowie einen Warmwasserkreis 26 mit Warmwasservorlauf 27 und Warmwassernachlauf 28 ein. Zwischen Heizungsvorlauf 23 und Heizungsnachlauf 24 ist beispielsweise ein System von Heizkörpern angeordnet, die von erwärmtem Wasser durchströmt werden. Analog ist zwischen Warmwasservorlauf 27 und Warmwassernachlauf 28 ein Warmwasserspeicher angeordnet, wobei das Wasser innerhalb des Warmwasserspeichers durch das den Warmwasserkreis 26 durchströmende Wasser erwärmt wird.
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In dem Heizkreislauf 20 ist eine Umwälzpumpe 12 angeordnet, die das Wasser oder sonstige Fluid in dem Heizkreislauf 20 zum Zirkulieren bringt. Die Aufteilung zwischen Heizungskreis 22 und Warmwasserkreis 26 wird durch ein Umschaltventil 13 mit einer variablen Einstellung des Stellgrads ermöglicht. Das Umschaltventil 13 hat vorzugsweise verschiedene Stellungen, die von einem reinen Heizbetrieb, d.h. vollständiger Strömungsanteil in dem Heizungskreis 22, bis zu einem reinen Warmwasserbetrieb, d.h. vollständiger Strömungsanteil in dem Warmwasserkreis 26, mit beliebig fein einstellbaren Zwischenstufen reichen. Ferner findet sich eine zur Kühlung der Leistungselektronik vorgesehene Inverterkühlung 10 samt Kühlventil 11, die bedarfsgerecht eine erforderliche Kühlleistung direkt in den Heizkreislauf 20 abführt und somit nutzbar macht. Schließlich ist in dem Warmwasservorlauf 27 eine Direktheizung 14, beispielsweise eine elektrische Direktheizung, angeordnet, die gegebenenfalls eine nötige Nacherwärmung des Warmwasservorlaufes 27 auf die gewünschte Temperatur, beispielsweise bei sehr niedrigen Außentemperaturen, sicherstellt.
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Besonders vorteilhaft wird das Umschaltventil 13 des Heizungs- und/oder Warmwasserbereitungssystem 100 derart gesteuert, dass die Temperatur des nicht gezeigten Warmwasserspeichers, durch den der Warmwasserkreis 26 strömt, berücksichtigt wird. Ferner wird vorzugsweise auch die Temperatur des Heizungsvorlaufs 23 berücksichtigt.
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Nachfolgend wird der Wärmepumpenkreislauf 30 genauer beschrieben. Bei dem Wärmepumpenkreislauf 30 handelt es sich um ein Beispiel einer geeigneten Heizeinrichtung, auch ähnlich gestaltete, dem Fachmann bekannte Ausprägungen, beispielsweise unter Weglassen oder Ersetzen einer oder mehrerer Komponenten sind vorstellbar.
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Der Wärmepumpenkreislauf 30 umfasst einen Kompressor oder Verdichter 1, der dazu eingerichtet ist, in dem Wärmepumpenkreislauf 30 zirkulierendes Kältemittel zu komprimieren. Ein Umschaltventil 2, das beispielsweise als 2-4-Wegeventil ausgeführt ist, gibt durch seine Stellung die Richtung der Zirkulation des Kühlmittels in dem Wärmepumpenkreislauf 30 vor. Beispielsweise ist die eine Zirkulationsrichtung für den - hauptsächlich einzusetzenden - Heizbetrieb geeignet, während die Umkehrrichtung besonders zur Abtauung eines Außenwärmetauschers, beispielsweise eines Verdampfers 9, ausgebildet ist.
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In dem Wärmepumpenkreislauf 30 ist ferner eine Wärmeübertragereinrichtung 3, die einen Innenwärmetauscher darstellt, ein Sammler 4, ein Filtertrockner 5, ein Rekuperator 6, eine Abtauschlange 7 sowie ein Expansionsventil 8 angeordnet. Die Komponenten haben die im Bereich von Wärmepumpen bzw. Kältemittelkreisen üblichen und dem Fachmann geläufigen Bedeutungen. Natürlich ist die genaue Ausgestaltung, beispielsweise mit Abtauschlange 7 und Rekuperator 6 lediglich eine geeignete Ausgestaltung des Wärmepumpenkreislaufs 30, wobei auch andere Ausführungen ebenso möglich sind. Auch ist in dem Beispiel schematisch ein Luft-/Wasserwärmetauscher als Verdampfer 9 gezeigt, wobei die Erfindung nicht auf diese Form der Wärmepumpen beschränkt ist.
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Die Wärmeübertragereinrichtung 3 weist einen ersten Wärmeübertrager 3a und einen in Serie dazu geschalteten zweiten Wärmeübertrager 3b auf. Der erste Wärmeübertrager 3a, der vorzugsweise als Enthitzer ausgestaltet ist, ist dazu eingerichtet, Wärme an den Warmwasservorlauf 27 zu übertragen. Das im Warmwasservorlauf 27 strömende Medium wurde bereits vorgewärmt und zwar durch den Energieübertrag des zweiten Wärmeübertragers 3b, der beispielsweise dem bekannten Verflüssiger entspricht. Damit kann erreicht werden, dass der Warmwasservorlauf 27 auf eine höhere Temperatur gehoben wird, als der Heizungsvorlauf 23.
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Das durch den Wärmepumpenkreislauf 30 strömende Kältemittel gibt seine Energie demnach teilweise in dem ersten Wärmeübertrager 3a und teilweise in dem zweiten Wärmeübertrager 3b ab. Dadurch, dass die Temperatur bei Eintritt in den ersten Wärmeübertrager 3a höher ist als bei dem Eintritt in den zweiten Wärmeübertrager 3b ist folglich auch eine höhere Temperatur auf der Seite des Heizkreislaufs 20 nach Passieren des ersten Wärmeübertragers 3a möglich.
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Die Veränderung der Temperatur des Kältemittels bei Durchströmen der Wärmeübertragereinrichtung 3 ist beinah gleich zu dem Fall eines klassischen, einteiligen Wärmeübertragers. Beispielsweise wird das Kältemittel in beiden Fällen, dem klassischen und dem erfindungsgemäßen, bei einem Druck von etwa 21 bar von 90°C auf 49°C abgekühlt. Durch die Aufteilung in ersten Wärmeübertrager 3a und zweiten Wärmeübertrager 3b kann die gewünschte Temperatur des Heizungsvorlaufs von beispielsweise 55°C mit beispielsweise 26 kW verfügbarer Leistung zum Heizen erreicht werden und gleichzeitig ein noch höheres Temperaturniveau, beispielsweise etwa 75°C, für den Warmwasservorlauf 27 möglich sein.
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Folgende Regelungsfälle sind in diesem Ausführungsbeispiel, mit einem Plattenwärmeübertrager als Enthitzer ausgestalteten ersten Wärmeübertrager 3a, denkbar.
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Fall A1: Heizen mit Heißgas <100°C: Im reinen Heizbetrieb tritt der Heizungsrücklauf 24 in den als Verflüssiger ausgestalteten zweiten Wärmeübertrager 3b ein, wird erwärmt und von der Umwälzpumpe 12 über das Umschaltventil 13 komplett „nach links“ als Heizungsvorlauf 23 zum Heizungssystem zurückgeleitet. Über das Umschaltventil 13 wird kein Wasser bzw. Medium über den Enthitzer 3a zum Warmwasserspeicher geleitet. Fall A1 oder A2 sind schematisch in 2 gezeigt, wobei Leitungen, in denen keine Strömung herrscht mit gestrichelten Linien gezeigt sind.
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Fall A2: Heizen mit Heißgas > 100°C: Im reinen Heizbetrieb tritt der Heizungsrücklauf 24 in den als Verflüssiger ausgestalteten zweiten Wärmeübertrager 3b ein, wird erwärmt und von der Umwälzpumpe 12 zum Umschaltventil 13 weitergefördert. Dort wird der Großteil beispielsweise des Wassers als Heizungsvorlauf 23 „nach links“ zum Heizungssystem geleitet. Der andere Teil des Wassers wird „nach rechts“ über den Enthitzer 3a geleitet, damit dort das Wasser nicht aufkocht, und weiter durch den Wasserspeicher hindurch strömt. Alternativ oder zusätzlich kann für diesen Fall eine Bypassleitung vorgesehen sein.
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Fall B: Warmwasser. Im reinen Warmwasserbetrieb tritt der Warmwasserrücklauf 28 in den Verflüssiger 3b ein, wird erwärmt und von der Umwälzpumpe 12 über das Umschaltventil 13 komplett „nach rechts“ über den Enthitzer 3a geleitet. Nach der Wärmeaufnahme am Enthitzer 3a wird der Warmwasservorlauf 27 zum Warmwasserspeicher geleitet. Über das Umschaltventil 13 wird in diesem Fall kein Wasser zur Heizung geleitet. Fall B ist schematisch in 3 gezeigt.
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Fall C: Heizen und Warmwasser. Beim Parallelbetrieb tritt der gemeinsame Rücklauf von Heizung 24 und Warmwasser 28 in den Verflüssiger 3b ein, wird erwärmt und von der Umwälzpumpe 12 zum Umschaltventil 13 weitergefördert. Dort wird ein Teil des Wassers als Heizungsvorlauf 23 „nach links“ zum Heizungssystem geleitet. Der andere Teil des Wassers wird „nach rechts“ zur weiteren Wärmeaufnahme über den Enthitzer 3a geleitet. Nach der Wärmeaufnahme am Enthitzer 3a wird der Warmwasservorlauf 27 zum Warmwasserspeicher geleitet. Fall C entspricht dem in 1 schematisch gezeigten Parallelbetrieb.
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Neben der Möglichkeit zur konstanten und bedarfsgerechten Bereitstellung von Warmwasser und Heizleistung ergibt sich der Vorteil einer konstanten Warmwassertemperatur im Speicher, einer Ausnutzung der hohen Heißgastemperaturen nach der Kältmittelverdichtung, die über der Kältemittelkondesationstemperatur liegen, und eine geringe/kompakte Aufstellfläche.
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Nicht gezeigt ist in dem schematischen Beispiel der 1 eine Bypassleitung zum Vorbeileiten von Kältemittel an dem ersten Wärmeübertrager 3a. In dem Fall, in dem beispielsweise ein reiner Heizbetrieb vorliegt, d.h. das Umschaltventil 13 die Strömung durch den Heizkreislauf 20 ausschließlich oder nahezu ausschließlich durch den Heizungskreis 22 regelt, kann es unter Umständen zu einem Sieden im Warmwasservorlauf 27 kommen, wenn durch den ersten Wärmeübertrager 3a weiter Energie an den Warmwasservorlauf 27 übertragen wird. Dieser weitere Energieübertrag kann dann durch Führen des Kältemittels an dem ersten Wärmeübertrager 3a vorbei vermieden werden.
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Eine Alternative ist die in 4 schematisch gezeigte Warmwasserbypass 16 im Warmwasserkreis 26. Hier ist durch den Warmwasserbypass 16 sichergestellt, dass auch dann, wenn keine Energie in den Warmwasserspeicher einzubringen ist, eine Strömung durch den Warmwasserkreis 26 möglich ist.
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5 zeigt schematisch und exemplarisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Heizungs- und/oder Warmwasserbereitungssystems 100. Das Ausführungsbeispiel der 2 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 1 in der Ausgestaltung des ersten Wärmeübertragers 3a als Heatpipe 15 anstelle eines Plattenwärmeübertragers.
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Anstelle einer Heatpipe 15 kann ebenso oder zusätzlich ein Thermosiphon oder ein Wärmerohr eingesetzt werden. Bei der Verwendung einer Heatpipe 15 ist das Vorsehen einer Bypassleitung entbehrlich, da die Heatpipe 15 selbstbeschränkend ist und kein Energieübertrag stattfindet, wenn die Temperatur im Warmwasservorlauf 27 zu hoch ist, insbesondere in einem möglicherweise kritischen Bereich liegt.
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In 5 ist auch die Direktheizung 14 an einer anderen Stelle, nämlich in dem Heizkreislauf 20 vor dem Umschaltventil 13, angeordnet. Die Anordnung der Direktheizung kann genauso in dem Beispiel der 1 verwendet oder wie in dem Beispiel der 1 vorgesehen werden. Auch sind Kombinationen aus beiden Ausgestaltungen, d.h. mit mehr als einer Direktheizung, möglich.
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Vergleichbar mit 2 und 3 zeigen 6 und 7 schematisch einen reinen Heizbetrieb bzw. einen reinen Warmwasserbetrieb, während 5 den Parallelbetrieb illustriert.
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In den 1-7 ist ferner das Steuersystem 40 gezeigt, das mit dem Umschaltventil 13 gekoppelt ist. Das Steuersystem 40 steuert den Stellgrad des Umschaltventils 13 derart, dass der in Warmwasservorlauf 27 gespeiste Fluidstrom im ersten Wärmeübertrager 3a auf eine vordefinierte Ladungstemperatur erwärmt wird. Das Steuersystem 40 kann ferner mit einem, zwei oder mehreren Temperatursensoren gekoppelt sein, um Ladungstemperaturen zu ermitteln. Beispielsweise kann ein Temperatursensor im Warmwasservorlauf 27 angeordnet sein, um eine Ladungstemperatur zu ermitteln.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdichter
- 2
- Umschaltventil
- 3
- Wärmeübertragereinrichtung
- 3a
- erster Wärmeübertrager
- 3b
- zweiter Wärmeübertrager
- 4
- Sammler
- 5
- Filtertrockner
- 6
- Rekuperator
- 7
- Abtauschlange
- 8
- Expansionsventil
- 9
- Verdampfer
- 10
- Inverterkühlung
- 11
- Kühlventil
- 12
- Umwälzpumpe
- 13
- Umschaltventil
- 14
- Direktheizung
- 15
- Heatpipe
- 16
- Warmwasserbypass
- 20
- Heizkreislauf
- 22
- Heizungskreis
- 23
- Heizungsvorlauf
- 24
- Heizungsnachlauf
- 26
- Warmwasserkreis
- 27
- Warmwasservorlauf
- 28
- Warmwassernachlauf
- 30
- Wärmepumpenkreislauf
- 40
- Steuersystem
- 100
- Heizungs- und/oder Warmwasserbereitungssystem
