DE102021200036A1

DE102021200036A1 - Ein integriertes Wärmespeichersystem, das zusätzliche im Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe eingebrachte Energie speichert

Info

Publication number: DE102021200036A1
Application number: DE102021200036.3A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-01-05
Filing date: 2021-01-05
Publication date: 2022-07-21

Abstract

Das Wärmespeichersystem (10) umfasst einen Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe (100) auf Basis des Kompressionskreislaufes, einen Fluidkreislauf (300) der Wärmepumpe und ein zusätzliches Wärmesystem (200), das im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe (100) zwischen Kompressor (101) und Kondensator (102) angeordnet ist. Das Wärmesystem (200) umfasst einen oder mehrere Solarkollektoren (202) oder Wärmetauscher (207), die das Kältemittel vor dem Eintritt in den Kondenser (102) weiter erhitzen, wobei die von den Solarkollektoren und/oder Wärmetauschern erzeugte zusätzliche Wärme in einem oder mehreren Speichertanks (301, 510), gespeichert werden, die ihrerseits einen oder mehrere Wärmeverbraucher (305, 405, 512) über Fluidkreisläufe versorgen; und wobei thermisch regelnde Dreiwegeventile (303, 403, 520) hinter den Speichertanks das heißere aus den Speichertanks kommenden Fluid so mit dem kälteren Fluid mischen, daß die von den Wärmeverbrauchern geforderte Temperatur erreicht wird, und wobei eine Steuerung (800) mit angeschlossenen Sensoren (221, 222, 331, 531), die Temperaturen messen, Befehle an ein Dreiwegeventil (201) sendet, das in der jeweiligen Stellung das Kältemittel durch die Sonnenkollektoren (202) und Wärmetauscher (207) oder an den Sonnenkollektoren (202) bzw. Wärmetauschern (207) vorbei fließen läßt; und wobei dieselbe Steuerung (800) mit der Steuerung (120) der Wärmepumpe (100) kommuniziert, um einen idealen Betrieb der Wärmepumpe (100) herzustellen.Das Verfahren zum Heizen der Umgebung unter Verwendung des aufgeführten Systems ist ebenfalls beschrieben.

Description

Für die Beurteilung der Patentfähigkeit in Betracht zu ziehende Druckschriften:

US2716868A	Heat pump systems
US4420947	Heat pump air conditioning system
US4030312	Heat pumps with solar heat source
EP2669585A1	Solar air source heat pump system
CN200943926Y	Split type solar energy single refrigeration air conditioner for household
WO8500447	Solar thermal heating and air conditioning system and method
DE102006045740	Solar climate control installation e.g. for interior of buildings, uses thermal solar collector as condenser to achieve required coolant pressure
WO20 11 048594A2	Temperature control system
US8448458B2	Solar collector and solar air conditioning system having the same
DE102013004252A1	Air conditioning system that uses heat in addition to compression, thereby saving drive energy for the compressor
DE102007004653	Air conditioning system for e.g. office building, has combination of air conditioner and solar thermal air conditioner, where solar air conditioner precools refrigerant of air conditioner during corresponding climatic conditions
CN101576331	Solar absorption type air conditioner
CN 101776349	Continuous solar pump-free auto-cascade absorption type refrigerating system
SU 1 040293	Solar-powered adsorption batch-action refrigerator
SU 1384896	Solar power adsorption refrigerating installation

Die vorliegende Erfindung betrifft Heizsysteme wie Wärmepumpen und insbesondere Verbesserungen bei der Erzeugung und Speicherung von zusätzlich eingebrachter Energie in solchen Heizsystemen, die unter Verwendung eines Kompressionszyklus arbeiten und erwärmte Fluide für Wärmeverbraucher bereitstellen.
Stand der Technik
Es ist bekannt, daß Wärmepumpen, die auf Basis des Kompressionszyklus arbeiten und Flüssigkeiten für Wärmeverbraucher wie zum Heizen von Räumen und Warmwasser bereitstellen, effizienter arbeiten als elektrische Heizstäbe.
Im Allgemeinen befindet sich im Kompressionskreislauf ein Kältemittel, das als Gas von einem Kompressor angesaugt, komprimiert und dabei erhitzt wird, anschließend in einem Kondenser abgekühlt und verflüssigt wird und dadurch Wärme vom Kältemittel auf eine andere Flüssigkeit im Kondenser überträgt, dann durch ein Expansionsventil entspannt und im Verdampfer zum Gas verdampft wird. Dieses Grundprinzip ist in den Patenten US2716868A und US4420947 f ür Wärmepumpen beschrieben. Bis heute erwärmt nur der Kompressor in diesen Wärmepumpen das Kältemittel durch den Verdichtungsvorgang.
Die andere Flüssigkeit, die den Kondenser verlässt und nicht im direkten Kontakt mit dem Kältemittel steht, überträgt die vom Kompressor erzeugte Wärme an den Wärmeverbraucher, beispielsweise ein Fußbodenheizungssystem, Heizkörper oder Wärmetauscher, um einen Raum oder Haushaltswasser zu erwärmen. Die vom Wärmeverbraucher benötigte Temperatur definiert die Temperatur des vom Kompressor gelieferten Kältemittels. Zum Beispiel verlangt eine Fußbodenheizung, die typischerweise bei 35 °C arbeitet, dass der Kompressor das Kältemittel auf eine Temperatur von 35 °C plus ein zusätzliches Temperaturdelta zum Ausgleich von Verlusten in den Rohrleitungen und Wärmetauschern, zum Beispiel 5K erhitzt. Der Kompressor liefert in diesem Beispiel ein Kältemittel mit einer Temperatur von 40 °C. Das Aufheizen auf höhere Temperaturen wäre ineffizient, da der Kompressor härter arbeiten müsste und mehr Strom verbrauchen würde, aber auch die höhere Temperatur nachteilig für die Fußbodenheizung wäre, da zu heiß.
Wärmepumpen sind mittlerweile in der Lage, mehrere Wärmespeichertanks zu versorgen, die bei unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden, beispielsweise einen Pufferspeicher zum Heizen von Räumen mit 40°C und einen Warmwasserspeicher für Brauchwasser mit 60°C. Die Wärmepumpen können auch mehrere Heizzonen für die Raumheizung versorgen, die alle gemeinsam aus lediglich einem Wärmespeicher versorgt werden.
Wärmepumpen können jedoch keine Wärme aus dem Kältemittelkreislauf auf effiziente Weise speichern. Selbst wenn das System einen Speichertank und ein thermisch gesteuertes Dreiwegeventil in den Rohrleitungen vom Speichertank zum Wärmeverbraucher enthält, wäre es ineffizient, eine höhere Temperatur im Speichertank zu erzeugen und diese Temperatur dann wieder auf die ursprünglich vom Wärmeverbraucher benötigte Temperatur herunter zu regeln. Der Kompressor müsste nur härter arbeiten und dabei mehr Strom verbrauchen, um die erzeugte Wärme zu produzieren, die dann später durch Wärmeverluste aus dem Speichertank und den angeschlossenen Rohrleitungen nutzlos verpuffen würde.
Es gibt Wärmepumpen, die einen zusätzlichen Solarkreislauf enthalten, der Wärme direkt in den angeschlossenen Wärmespeicher einbringt. Diese Systeme enthalten einen Solarthermie-Kollektor, eine Kreislaufpumpe, einige Ventile, einen Wärmetauscher im Wärmespeicher und Rohrleitungen, die alles miteinander zu einem geschlossenen und separaten Kreislauf verbindet. Typischerweise fließt Wasser oder ein Wasser/Glykol-Gemisch durch diese Rohrleitungen und vermischt sich nicht mit dem Flüssigkeitskreislauf der Wärmepumpe. Ein solches System ist im Patent US4030312 beschrieben.
Diese Systeme haben sich im Laufe der Jahre als recht ineffizient erwiesen. Eine weitere, Strom verbrauchende Pumpe ist erforderlich, um die Solarflüssigkeit durch die Rohrleitungen zu pumpen. Der große Nachteil dieser solarthermischen Systeme ist jedoch, dass sie zu früh abschalten, sobald die Sonnenstrahlung zu stark wird. Die durch den Solarthermie-Kreislauf fließende Flüssigkeit ist flüssig, die wenn sie zu stark erhitzt wird, zu verdampfen beginnt. Diese Blasen zerstören den Solarkollektor und die Pumpe. Um dieses Problem zu lösen, verfügen die Solarthermie-Systeme über einen Temperatursensor im Solarkollektor, der dort die Temperatur überwacht. Wenn die Temperatur zu hoch wird, üblicherweise über 140 °C, wird die Pumpe des Solarkreislaufes abgeschaltet. Dies geschieht schon im Frühling an einem sonnigen Tag zu früh, zum Beispiel bereits um 11 Uhr. Obwohl für den Rest des Tages genügend Sonnenenergie vorliegt, kann diese Energie weder genutzt noch gespeichert werden. Wenn ein Wärmeverbraucher dann neue Wärmeenergie benötigt, ist es der Kompressor der Wärmepumpe, der anfängt zu arbeiten und Strom verbraucht anstelle des Solarkollektors mit all seiner freien und reichlich vorhandenen aber nicht nutzbaren Energie, da der Solarthermie-Kollektor abgeschaltet ist.
Die Einbindung von Solarthermie-Kollektoren in den Kompressionskreislauf vor dem Kompressor ist aus den Patenten EP 2669585 A1 , CN200943926Y und WO8500447 bekannt. Die Solarkollektoren befinden sich alle vor dem Kompressor und sollen dazu beitragen, das flüssige Kältemittel zu verdampfen, Vereisungen am Verdampfer zu vermeiden und sicherstellen, dass kein flüssiges Kältemittel in den Kompressor gelangt. Diese Patente erlauben es jedoch nicht, die vom Solarkollektor in das Kältemittel hinter dem Kompressor eingebrachte Wärme zu speichern.
DE102006045740 beschreibt die Verwendung von Solarkollektoren als Kompressoren. Der von den Solarkollektoren bereitgestellte Druck ist jedoch weit zu niedrig, um das Kältemittel ausreichend zu verdichten. Diese Systeme haben sich als unzureichend erwiesen.
WO2011048594A2 und US8448458B2 beschreiben das Einfügen von Solarkollektoren hinter dem Kompressor und vor dem Kondenser. Gleiches gilt für die Verwendung von Wärmetauschern anstelle von Solarkollektoren, siehe Patent DE102013004252A1 . Diese Patente beanspruchen jedoch die Reduzierung der elektrisch aufgenommen Energie des Kompressors hauptsächlich zur Kühlung der Umgebung. Keines dieser Patente beansprucht die Speicherung der zusätzlichen Energie, die vom Solarkollektor oder Wärmetauscher im Kältemittelkreislauf bereitgestellt wird. Die in den Patente beschriebenen Systeme erfordern, dass die Sonne und andere Wärmequellen ständig vorhanden sind, um zu funktionieren. Sie zeigen keine Ausführungsform, die die Solarkollektoren umgeht, falls die Sonnenenergie nicht ausreicht und das durch den Solarkollektor fließende Kältemittel abkühlen würde. Dies wäre nachteilig für den Wärmeverbraucher, da das in den Kondenser eintretende Kältemittel kälter wäre als vom Kompressor bereitgestellt und damit unzureichend für den Wärmeverbraucher.
DE102007004653 integriert einen Wärmetauscher in den Kältemittelkreislauf zwischen Kompressor und Kondenser. Die Aufgabe dieses hinzugefügten Wärmetauschers besteht jedoch darin, die Wärme vom Kältemittel an einen Wärmeverbraucher abzuleiten, bevor das Kältemittel in den Kondenser eintritt. DE102007004653 zeigt nicht, wie Wärme von außen in das Kältemittel eingebracht und dann gespeichert werden kann.
In zahlreichen Patenten, wie CN101576331 , CN101776349 , SU1040293 , SU1384896 wird beschrieben, wie Solarkollektoren für Absorptions- und Adsorptionsprozesse zum Kühlen und Heizen eingesetzt werden können. Diese unterscheiden sich vollständig vom Kompressionskreislauf, der bei den meisten modernen Wärmepumpen der meist eingesetzte Prozeß ist.
Es ist daher ein Ziel der hier beschriebenen Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden oder zumindest teilweise zu mildern, indem ein Wärmespeichersystem unter Verwendung einer Wärmepumpe bereitgestellt wird, die auf dem Kompressionszyklusprozess basiert, und das freie Energie von einer dritten Quelle wie Sonne oder anderer verfügbarer Wärmequellen verwendet, das diese Energie speichert, ohne sich nachteilig auf den Verbraucher auszuwirken, und sie auch dem Wärmeverbraucher zur Verfügung stellen, wenn die zusätzliche Wärmequelle nicht mehr verfügbar ist und damit zu einem erheblich reduzierten Stromverbrauch des gesamten Systems führt.
Diese Aufgabe wird durch das in der vorliegenden Erfindung beschriebene Wärmespeichersystem gelöst. Das Wärmespeichersystem umfasst eine Wärmepumpe mit einem Kältemittelkreislauf, einen Fluidkreislauf, der mit dem Kältemittelkreislauf über einen gemeinsam verwendeten Kondenser und mit einem Speichertank verbunden ist und einem Wärmeverbraucher über die angeschlossenen Rohrleitungen Wärme zuführt; wobei das Wärmespeichersystem ferner ein zusätzliches Wärmeerzeugungssystem umfasst, das freie und erneuerbare Energie von der Sonne verwendet, und das Wärmeerzeugungssystem mit dem Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe verbunden ist und das vom Kompressor bereitgestellte Kältemittel weiter aufheizt, und wobei die zusätzliche Wärme im Speichertank des Fluidkreislaufs gespeichert wird und wobei ein zusätzliches Dreiwegeventil im Fluidkreislauf, der die Wärme vom Speichertank zum Wärmeverbraucher überträgt, die Temperatur des austretenden Fluides genau auf den Bedarf des Wärmeverbrauchers regelt.
Die Wärmepumpe ist ein Teil des Wärmespeichersystems und umfasst einen Kompressor, einen Kondenser, ein Expansionsventil und einen Verdampfer, die alle durch mehrere Kältemittelleitungen in Reihe verbunden sind. Der Kompressor liefert an seinem Ausgang ein Kältemittel mit einer Temperatur, die durch den Bedarf des Wärmeverbrauchers im Flüssigkeitskreislauf definiert ist und zu erwartenden Wärmeverluste zwischen dem Ausgang des Kompressors und dem Eintritt in den Wärmeverbrauche berücksichtigt. Der Kompressor wird von der Hauptsteuerung der Wärmepumpe geregelt. Die Hauptsteuerung stellt sicher, dass der Kompressor im Kältemittelkreislauf das Kältemittel mit der genau erforderlichen Temperatur liefert. Jeder Temperaturanstieg des Kältemittels, das den Kompressor verlässt, bedeutet, dass der Kompressor härter arbeitet und mehr Energie verbraucht. Dieser zusätzliche Wärmegewinn kann im anschließend angeschlossenen Flüssigkeitskreislauf nicht genutzt werden und geht verloren.
Die Einbindung eines Solarkollektors in den Rohrleitungen zwischen Kompressor und Kondenser führt bei vorhandener Sonneneinstrahlung zu einer weiteren Erwärmung des Kältemittels hinter dem Kompressor, ohne elektrische Energie zu verbrauchen. Die hinzugefügte Enthalpie wäre dieselbe, als hätte der Kompressor das Kältemittel auf die gleiche Temperatur erwärmt, die durch den Solarkollektor erzeugt wurde, jedoch liefert der Solarkollektor freie Energie. Infolgedessen fällt die elektrische Energie zur Bereitstellung dieser Gesamtwärme durch die zusätzliche Erwärmung des Kältemittels durch den Solarkollektor viel geringer aus als wäre die Gesamtwärme nur mit dem Kompressor erzeugt.
Die Anzahl der Solarkollektoren, die zum Aufheizen des Kältemittels hinter dem Kompressor erforderlich ist, wird vom Volumenstrom im Kältemittelkreislauf bestimmt. Größere Wärmepumpen weisen einen größeren Volumenstrom auf, der den Kompressor verlässt. Da die Größe des Solarkollektors meist begrenzt ist, erfordert ein steigender Volumenstrom mehr als einen Solarkollektor, um das Kältemittel ausreichend aufzuheizen. Die Solarkollektoren sind dabei so anzuordnen, dass das Kältemittel gleichmäßig alle Solarkollektoren mit in Summe möglichst niedrigem Rohrleitungswiderstand durchfließt.
Die Rohrleitungen, die die Solarkollektoren mit dem Kompressor und dem Kondenser verbinden, beinhalten ein Dreiwegeventil und ein daran angeschlossenes Rohr, das die Solarkollektoren direkt zu einem T-Stück umgeht, das seinerseits auch mit den Rohrleitungen vom Ausgang der Solarkollektoren und dem Rohr zum Kondenser verbunden ist. Das Dreiwegeventil leitet das Kältemittel entweder zu den Solarkollektoren, in denen es weiter erwärmt wird, oder, falls keine oder nicht genügend Sonnenenergie vorliegt, um die Solarkollektoren herum direkt zum Kondenser. Das Dreiwegeventil stellt sicher, daß das Kältemittel beim Durchströmen der Solarkollektoren nicht kälter wird.
Ein Temperatursensor am Rohr direkt hinter dem Kompressor und ein weiterer Temperatursensor an dem Rohr, das von den Solarkollektoren zum T-Stück führt, das mit dem Bypass zum Kondenser verbunden ist, überwachen die Temperatur des Kältemittels an der jeweiligen Stelle. Die Signale werden an eine separate Steuerung des Wärmespeichersystems gesendet, die an Hand der gemessenen Temperaturen entscheidet, entweder die Rohrleitung zu den Solarkollektoren zu öffnen und die Bypassleitung zur Umgehung der Solarkollektoren zu schließen oder die Rohrleitung zu den Solarkollektoren zu schließen und die Bypassleitung zur Umgehung der Solarkollektoren zu öffnen. Die Steuerung des Wärmespeichersystems sendet dazu ein entsprechendes Signal an das angeschlossene Dreiwegeventil, das die von der Steuerung errechnete Entscheidung umsetzt. Diese Methode stellt sicher, dass das Kältemittel von den Solarkollektoren erwärmt und nicht abgekühlt wird.
Alternativ zum Dreiwegeventil können zwei magnetisch oder elektrisch betätigte Ventile verwendet werden. Ein T-Stück hinter dem Kompressor verbindet das vom Kompressor kommende Rohr mit einem Rohr, das zum Solarkollektor führt, und einem Rohr, das den Solarkollektor umgeht. Ein magnetisches oder elektrisches Ventil befindet sich in der Leitung vom T-Stück zum Solarkollektor und ein zweites magnetisches oder elektrisches Ventil befindet sich in der Leitung vom T-Stück, das den Solarkollektor umgeht und direkt zum Kondenser führt. Abhängig von den Betriebsparametern weist die Steuerung des Wärmespeichersystems die beiden magnetisch oder elektrisch betätigten Ventile an, den Fluss des Kältemittels zum Solarkollektor zu schließen und die Bypassleitung zur Umgehung des Solarkollektors zu öffnen oder umgekehrt, das Kältemittel zum Solarkollektor fließen zu lassen und die Bypassleitung zur Umgehung des Solarkollektors zu schließen.
Eine andere Alternative zum Dreiwegeventil zwischen Kompressor und Solarkollektor ist ein Vierwegeventil an derselben Stelle, das den Durchfluss des Kältemittels zum Solarkollektor oder um dieses herum leitet. Der Haupteinlass des Vierwegeventils ist mit dem vom Kompressor kommenden Rohr verbunden und einer der äußeren Ausgänge des Vierwegeventils ist mit dem Rohr verbunden, das zum Solarkollektor führt. Der Ausgang des Solarkollektors ist über ein Rohr mit dem Mittelrohr des Vierwegeventils verbunden. Das andere gegenüberliegende äußere Ausgangsrohr des Vierwegeventils ist mit dem zum Kondenser führenden Rohr verbunden. Das Vierwegeventil ist ein elektrisch betätigtes Ventil und mit der Steuerung des Wärmespeichersystems verbunden. Es kann die Durchflussrichtung des Kältemittels auf Befehl der Steuerung des Wärmespeichersystems zum Solarkollektor hin oder daran vorbei ändern.
Der Kondenser verfügt über zwei voneinander getrennte Rohrleitungen, durch die jeweils das Kältemittel und ein Fluid zur Versorgung des Wärmeverbrauchers fließen und wobei die Wärme vom heißeren Kältemittel zum kälteren Fluid übertragen wird. Der Kondenser ist so gestaltet, dass sich die beiden Flüssigkeiten nicht vermischen und die Wärme mit den geringsten Verlusten von der heißeren auf die kältere Flüssigkeit übertragen wird. Der Kreislauf der kälteren Flüssigkeit enthält eine Pumpe, einen Speichertank und die Rohrleitungen, die alle Komponenten zu einem Kreislauf verbinden. Das Fluid dieses Kreislaufs ist typischerweise Wasser oder eine Mischung aus Glykol und Wasser, aber in der hier beschriebenen Erfindung nicht nur auf diese beschränkt.
Wenn das Kältemittel durch die Solarkollektoren fließt und sich dabei weiter erwärmt, wird folglich im Kondenser auch mehr Wärme auf das Fluid des ersten Fluidkreislaufs übertragen. Wenn die heißere Flüssigkeit den angeschlossenen Speichertank passiert, steigt die Temperatur im Speichertank entsprechend an.
Das Einbinden der Solarkollektoren im Kältemittelkreislauf zwischen Kompressor und Kondenser erfordert keine weitere Pumpe, die Strom verbraucht, wie bei einem den Speichertank versorgenden Solarthermiekreislauf. Der Kompressor im Kältemittelkreislauf pumpt das Kältemittel auch durch die Solarkollektoren.
Das Durchfließen des Kältemittels im gasförmigen Zustand durch die Solarkollektoren ermöglicht einen viel längeren Betrieb bei höchster Sonneneinstrahlung und vermeidet das Risiko einer Abschaltung der Solarkollektoren wie bei dem Solarthermiekreislauf mit Wasser, wenn der Solarkollektor zu heiß wird. Da das Kältemittel bereits gasförmig ist, besteht auch kein Risiko mehr für einen Phasenwechsel von flüssig zu gasförmig wie bei Wasser im Solarthermiekreislauf, bei denen die Wasserdampfblasen den Solarkollektor und die Pumpe zerstören. Da sich die Solarkollektoren im Kältekreis befinden und ein gasförmiges Kältemittel erhitzen, können sie viel länger arbeiten und über den Tag mehr Wärmeenergie liefern.
Ein Sensor im Wärmespeicher des ersten Flüssigkeitskreislaufs misst die aktuelle Temperatur und sendet sie an die angeschlossene Steuerung des Wärmespeichersystems. Da dieselbe Steuerung auch die Temperaturen des Kältemittels vor und nach den Solarkollektoren empfängt, berechnet diese den von den Solarkollektoren erzielten Wärmegewinn. Die Steuerung addiert diesen Wärmegewinn zu der Temperatur der Wärmepumpe, die ursprünglich für den Speicher eingestellt war, wie dies ohne die Solarkollektoren der Fall wäre, und berücksichtigt weitere Temperaturgrade für Wärmeverluste und Sicherheiten. Die Steuerung für das Wärmespeichersystem ist ebenfalls mit der Hauptsteuerung der Wärmepumpe verbunden. Solange die im Wärmespeicher gemessene Temperatur die Temperatur zuzüglich des von den Solarkollektoren erzeugten Wärmegewinns nicht erreicht hat, kommuniziert die Steuerung des Wärmespeichersystems an die Hauptsteuerung der Wärmepumpe, den Betrieb der Wärmepumpe aufrecht zu erhalten.
Ein zweiter Fluidkreislauf umfasst denselben Speichertank, eine Pumpe, ein thermisch gesteuertes Dreiwegeventil und den Wärmeverbraucher, die alle durch mehrere Rohre verbunden sind und einen Kreislauf bilden. Ein Eingang des Dreiwegeventils ist mit dem Rohr kommend vom Speichertank verbunden. Der andere Eingang des Dreiwegeventils ist mit einem Abzweigrohr verbunden, das seinerseits mit dem Rohr verbunden ist, das kältere Flüssigkeit vom Wärmeverbraucher zum Speichertank zurückführt. Der Ausgang des Dreiwegeventils ist mit der Leitung verbunden, die zur Pumpe und dann zum Wärmeverbraucher führt. Die Pumpe saugt die heiße Flüssigkeit durch das Dreiwegeventil aus dem heißen Speichertank. Wenn die Flüssigkeit, die den Speichertank verlässt, aufgrund des zusätzlichen Wärmegewinns der Solarkollektoren heißer ist als vom Wärmeverbraucher benötigt, mischt das Dreiwegeventil kältere Flüssigkeit aus dem Rohr, das vom Wärmeverbraucher zum Speicher zurückführt, so zu, daß die Flüssigkeit, die das Dreiwegeventil verlässt, die Temperatur hat, die ursprünglich vom Wärmeverbraucher benötigt wurde. Das Dreiwegeventil mischt die beiden Flüssigkeiten dynamisch aus seinen Eingängen, dass trotz Temperaturvariationen der Eingangsflüssigkeiten die gleiche Temperatur in der Flüssigkeit erreicht wird, die das Dreiwegeventil verlässt.
Die Steuerung dieses Dreiwegeventils erfolgt entweder unabhängig und in sich geschlossen durch das Dreiwegeventil selbst aufgrund manuell an diesem Ventil vorgenommener Einstellungen oder dynamisch durch die Steuerung des Wärmespeichersystems. Im letzteren Fall überwacht ein weiterer Temperatursensor, der an der Rohrleitung angebracht ist, durch die das Fluid das Dreiwegeventil verlässt und der mit der Steuerung des Wärmespeichersystems verbunden ist, die Temperatur der austretenden Flüssigkeit. Da das Dreiwegeventil elektrisch betätigt und mit der Steuerung des Wärmespeichersystems verbunden wird, kann die Steuerung das Mischen der in das Dreiwegeventil eintretenden Flüssigkeiten unter verschiedenen Bedingungen des Wärmespeichersystems dynamisch variieren.
In einigen Ausführungsformen versorgen Wärmepumpen mehr als nur einen Wärmeverbraucher. Ein zweiter Wärmeverbraucher kann sogar ein offener Kreislauf sein, bei dem beispielsweise Frischwasser zugeführt und als Warmwasser verbraucht wird. Wärmepumpen für Wohnanwendungen sorgen häufig für eine Raumheizung bei typischen Temperaturen zwischen 35 und 50 °C und für die Erwärmung von Brauchwasser, beispielsweise für Duschen und Küchen mit 55 bis 65 °C. Ein elektrisch betätigtes Dreiwegeventil, das mit der Steuerung der Wärmepumpe verbunden ist und sich in der Rohrleitung zwischen dem Kondenser und dem Speichertank befindet, leitet das Fluid vom Kondenser zum zweiten Speichertank um, wenn dies aufgrund der Einstellungen und des Betriebs der Wärmepumpe erforderlich ist. Ein T-Stück im Rohr vom ersten Speichertank zurück zum Kondenser, dessen dritter Eingang mit einem Rohr verbunden ist, das zum Ausgang des zweiten Speichertanks führt, stellt sicher, dass die Flüssigkeiten aus beiden Speichertanks zum Kondenser zurückkehren.
Bei diesen Anwendungen ist der Speichertank zum Aufheizen des Raums häufig offen ausgeführt, das heißt das vom Kondenser kommende Fluid vermischt sich mit dem zum Wärmeverbraucher fließenden Fluid. Zum Erhitzen von Brauchwasser ist jedoch kein Mischen der Flüssigkeiten beider Kreisläufe erwünscht. Die vom Kondenser kommende Flüssigkeit wird dann in einem separaten Wärmetauscherrohr in dem Wärmespeicher geführt, das sicherstellt, daß es sich nicht mit dem von außen zugeführten Frischwasser, das im Speichertank erwärmt und für den Hausgebrauch verwendet werden soll, vermischt.
Die Wärmepumpe ist in der Lage, beide Heizkreise zu steuern, wobei die verschiedenen Wärmeverbraucher auch bei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten können. Aber auch hier ist die Wärmepumpe bei dem bisherigen Stand der Technik nicht in der Lage, zusätzliche im Kältemittelkreislauf erzeugte Wärmeenergie auch in dem anderen Wärmespeicher zu speichern. Erst die hier beschriebene Erfindung des Wärmespeichersystems ermöglicht es, zusätzliche Energie aus den Solarkollektoren im Kältemittelkreislauf in beiden Speichertanks zu speichern, die auch bei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten können.
Das Prinzip der Speicherung zusätzlicher in den Solarkollektoren im Kältemittelkreislauf erzeugter Wärmeenergie, wie es oben nur für einen Wärmespeicher beschrieben wurde, gilt analog auch für jeden zusätzlichen Wärmespeicher mitsamt angeschlossenem Wärmeverbraucher. In diesem Fall versorgt die Wärmepumpe den zweiten Heizkreis mit dem angeschlossenen zweiten Wärmespeicher, während ein an die Steuerung des Wärmespeichersystems angeschlossener Temperatursensor in dem zweiten Wärmespeicher dort die Temperatur in überwacht und Signale an die Steuerung des Wärmespeichersystems sendet. Dieselbe Steuerung überwacht auch die Temperaturen des Kältemittels vor und nach den Solarkollektoren und berechnet den von den Solarkollektoren erzielten Wärmegewinn. Die Steuerung fügt diesen Wärmegewinn zu der Temperatur der Wärmepumpe hinzu, die ursprünglich für den zweiten Wärmespeicher ohne die Solarkollektoren eingestellt war, und passt ihn um einige Grad für Wärmeverluste und Sicherheit an. Die Steuerung für das Wärmespeichersystem ist ebenfalls mit der Hauptsteuerung der Wärmepumpe verbunden. Solange die im zweiten Speichertank gemessene Temperatur die Temperatur zuzüglich des von den Solarkollektoren bereitgestellten und korrigierten Wärmegewinns nicht erreicht hat, kommuniziert die Steuerung des Wärmespeichersystems mit der Hauptsteuerung der Wärmepumpe, den Betrieb der Wärmepumpe aufrechtzuerhalten.
Ein zweiter Fluidkreislauf enthält denselben zweiten Speichertank, in dem sich jedoch die beiden Fluide aus den Kreisläufen nicht vermischen, und ein thermisch gesteuertes Dreiwegeventil sowie den Wärmeverbraucher, die alle durch mehrere Rohre verbunden sind. Der eine Eingang des Dreiwegeventils ist mit dem vom Speichertank kommenden Rohr verbunden. Der andere Eingang des Dreiwegeventils ist mit einem Abzweigrohr verbunden, das seinerseits mit dem Rohr verbunden ist, welches frisches und kaltes Wasser zum Speichertank liefert. Der Ausgang des Dreiwegeventils ist mit dem Rohr verbunden, das zum Wärmeverbraucher führt. Öffnet der Verbraucher einen Wasserhahn oder ein Ventil in der Leitung hinter dem Dreiwegeventil, drückt der Druck in der Kaltwasserleitung heiße Flüssigkeit aus dem heißen Speichertank durch das Dreiwegeventil. Wenn die Flüssigkeit, die den Speichertank verlässt, aufgrund des zusätzlichen Wärmegewinns der Solarkollektoren heißer ist als vom Verbraucher benötigt, mischt das Dreiwegeventil kältere Flüssigkeit aus dem Rohr, das frisches kaltes Wasser liefert, derart, daß das Dreiwegeventil verlassende Wasser die Temperatur hat, die ursprünglich vom Wärmeverbraucher benötigt wurde. Das Dreiwegeventil mischt die beiden Flüssigkeiten dynamisch aus seinen Eingängen, daß trotz Temperaturvariationen der Eingangsflüssigkeiten die gleiche Temperatur in der Flüssigkeit erreicht wird, die das Dreiwegeventil verlässt.
Die Steuerung dieses Dreiwegeventils erfolgt entweder unabhängig und in sich geschlossen durch das Dreiwegeventil selbst aufgrund manuell an diesem Ventil vorgenommener Einstellungen oder dynamisch durch die Steuerung des Wärmespeichersystems. Im letzteren Fall überwacht ein weiterer Temperatursensor, der an der Rohrleitung angebracht ist, durch die das Fluid das Dreiwegeventil verlässt und der mit der Steuerung des Wärmespeichersystems verbunden ist, die Temperatur der austretenden Flüssigkeit. Da das Dreiwegeventil elektrisch betätigt und mit der Steuerung des Wärmespeichersystems verbunden wird, kann die Steuerung das Mischen der in das Dreiwegeventil eintretenden Flüssigkeiten unter verschiedenen Bedingungen des Wärmespeichersystems dynamisch variieren.
Es versteht sich für die hier beschriebene Erfindung des Wärmespeichersystems, dass die Anzahl zusätzlicher Heizkreise mit integrierten Speichertanks, die die von Solarkollektoren im Kältemittelkreislauf bereitgestellte Energie speichern, nicht beschränkt ist. Auch die Ausführungsformen der Heizkreise sind nicht eingeschränkt. Sie können geschlossene Kreisläufe sein, wie sie zum Heizen des Raums verwendet werden, in denen das Fluid vom Wärmeverbraucher zum Speichertank zurückfließt, oder sie können offene Kreisläufe sein, wie oben beschrieben, bei denen das im Speichertank erwärmte Fluid nicht vom Wärmeverbraucher zurückkehrt und neue Flüssigkeit bereitgestellt werden muß.
In einigen Ausführungsformen versorgt die Wärmepumpe mehr als nur einen Wärmeverbraucher aus demselben Wärmespeicher. Wärmepumpen für Wohnanwendungen können häufig Raumheizungen für verschiedene Zonen versorgen, die unterschiedliche Temperaturen erfordern, z. B. Temperaturen um 35 °C für Fußbodenheizungen und 55 °C für Heizkörper. Die wärmetragende Flüssigkeit wird dabei aus demselben Speichertank geliefert. Ein elektrisch betätigtes Dreiwegeventil, das mit der Steuerung der Wärmepumpe verbunden ist und sich in den Rohrleitungen des gemeinsam verwendeten Speichertanks befindet, leitet den Flüssigkeitsstrom vom Speichertank zum einen oder anderen Wärmeverbraucher um. Ein T-Stück, das mit den von den Wärmeverbrauchern zurückkehrenden Rohren und ebenfalls mit dem Rohr, das zurück zum Speicher führt, verbunden ist, schließt den Kreislauf.
Die Flüssigkeit im gemeinsam verwendeten Wärmespeicher wird von der Wärmepumpe und gegebenenfalls mit Hilfe der Solarkollektoren auf die Temperatur erwärmt, die dem höchsten Temperaturbedarf aller Wärmeverbraucher entspricht. Jeder nachfolgende Wärmekreislauf umfasst ein thermisch gesteuertes Dreiwegeventil zur Anpassung der Temperatur des das Dreiwegeventil verlassenden Fluides auf die vom jeweiligen Wärmeverbraucher geforderten Temperatur, wobei diese Temperaturen durchaus unterschiedlich sein können.
Die Pumpe jedes Wärmekreislaufs saugt die heiße Flüssigkeit aus dem thermisch gesteuerten Dreiwegeventil. Wenn die in das Dreiwegeventil eintretende Flüssigkeit heißer ist als vom Wärmeverbraucher benötigt, mischt das Dreiwegeventil kältere Flüssigkeit aus dem Rohr, die die Flüssigkeit vom Wärmeverbraucher zurückführt, so zu, daß die Flüssigkeit, die das Dreiwegeventil verlässt, die ursprünglich vom Wärmeverbraucher benötigte Temperatur hat. Das Dreiwegeventil mischt die beiden Flüssigkeiten dynamisch aus seinen Eingängen, dass trotz Temperaturvariationen der Eingangsflüssigkeiten die gleiche Temperatur in der Flüssigkeit erreicht wird, die das Dreiwegeventil verlässt. Das Mischen wird für jeden Heizkreis einzeln durchgeführt und kann über die Anzahl der Kreise variieren.
Die Steuerung dieses Dreiwegeventils erfolgt entweder unabhängig und in sich geschlossen durch das Dreiwegeventil selbst aufgrund manuell an diesem Ventil vorgenommener Einstellungen oder dynamisch durch die Steuerung des Wärmespeichersystems. Im letzteren Fall überwacht ein weiterer Temperatursensor, der an der Rohrleitung angebracht ist, durch die das Fluid das Dreiwegeventil verlässt und der mit der Steuerung des Wärmespeichersystems verbunden ist, die Temperatur der austretenden Flüssigkeit. Da das Dreiwegeventil elektrisch betätigt und mit der Steuerung des Wärmespeichersystems verbunden wird, kann die Steuerung das Mischen der in das Dreiwegeventil eintretenden Flüssigkeiten unter verschiedenen Bedingungen des Wärmespeichersystems dynamisch variieren.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Wärmespeichersystem mehr als einen Solarkollektor, die sich im Kältemittelkreislauf zwischen Kompressor und Kondenser befinden. Je größer die Wärmepumpe wird, desto höher ist der Volumenstrom des Kältemittels im Kältemittelkreislauf und desto weniger kann nur ein Solarkollektor das Kältemittel weiter erwärmen. Die Größe des Solarkollektors ist meist begrenzt und kann nicht im gleichen Maßstab wie die Wärmepumpe skalieren. In diesem Fall ist zur Erzielung einer ausreichenden Erwärmung des Kältemittels mehr als ein Solarkollektor zwischen Kompressor und Kondenser angeordnet. Die Anzahl der Solarkollektoren wird durch ihre Größe, die Größe der Wärmepumpe und den erforderlichen Wärmegewinn definiert. Die Solarkollektoren sind alle in einem Rohrleitungssystem verbunden und so angeordnet, daß der Rohrleistungswiderstand so gering wie möglich ist und ein gleichmäßiger Volumenstrom des Kältemittels durch alle Solarkollektoren erreicht wird. Die Solarkollektoren können parallel oder seriell oder in einer Mischung aus parallel / seriell angeordnet sein.
Alternativ zu den Solarkollektoren können Wärmetauscher im Kältemittelkreislauf, die überschüssige Wärme oder Abwärme an das Kältemittel übertragen, eingesetzt werden. Der Wärmetauscher verfügt über eine Rohrleitung, die mittels des enthaltenen Fluides Wärme von einer entfernten Wärmequelle herantransportiert, und über eine separate Rohrleitung, die das Kältemittel enthält, wobei sich die beiden Flüssigkeiten aus beiden Rohrleitungen nicht miteinander vermischen und der Wärmetauscher in der Lage ist, Wärme von der zusätzlichen entfernten Wärmequelle in das Kältemittel zu übertragen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum zusätzlichen Erwärmens des Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe und zum Speichern dieser Wärme unter Verwendung eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst:

a. Verwenden eines Kompressors zum Komprimieren und Erhitzen eines gasförmigen Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf;
b. Weiteres Erwärmen des komprimierten Kältemittels aufgrund des Durchströmens des Kältemittels durch einen Solarkollektor und/oder Wärmetauscher, die Wärmeenergie von der Sonne und/oder externen Wärmequellen auf das Kältemittel übertragen;
c. Umleiten des Kältemittels um den Solarkollektor und/oder Wärmetauscher, falls nicht genügend Sonne und/oder Wärme zur Verfügung steht, um das Kältemittel ausreichend zu erwärmen, und das Kältemittel hinter dem Solarkollektor und/oder Wärmetauscher sonst kälter werden würde als davor;
d. Leiten des erwärmten Kältemittels durch einen Kondenser, in dem die Wärme vom Kältemittel auf ein Fluid in einem ersten Fluidkreislauf übertragen wird, wobei der Kältemittelkreislauf vollständig von diesem ersten Fluidkreislauf getrennt ist;
e. Pumpen des erhitzten Fluides im ersten Fluidkreislauf vom Kondenser zum Wärmespeichertank und Erhitzen des gesamten Fluides im Wärmespeichertank;
f. Pumpen des erwärmten Fluides aus dem Wärmespeichertank durch ein Dreiwegeventil zu einem Wärmeverbraucher wie beispielsweise Fußbodenheizungen, Heizkörper oder Gebläsekonvektoren und von dort zurück zum Wärmespeichertank, wobei das Dreiwegeventil die Temperatur des austretenden Fluides an den Bedarf des Wärmeverbrauchers einstellt;

Das erfindungsgemäße Wärmespeichersystem einschließlich seiner vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

ist eine schematische Ansicht des Wärmespeichersystems.
ist eine schematische Ansicht der Verwendung von zwei elektrisch/magnetisch betätigter Ventilen anstelle eines Dreiwegeventils für den Kältemittelkreislauf als Ausführungsform des Wärmespeichersystems der vorliegenden Erfindung
ist eine schematische Ansicht der Verwendung eines elektrisch betätigten Vierwegeventils anstelle eines Dreiwegeventils für den Kältemittelkreislauf und des durch den Solarkollektor fließenden Kältemittels als Ausführungsform des Wärmespeichersystems der vorliegenden Erfindung
ist eine schematische Ansicht der Verwendung eines Vierwegeventils anstelle eines Dreiwegeventils für den Kältemittelkreislauf und des Kältemittels, das den Solarkollektor umgeht, als Ausführungsform des Wärmespeichersystems der vorliegenden Erfindung
ist eine schematische Ansicht des Wärmespeichersystems mit einem zusätzlichen Wärmespeicher und angeschlossenem Wärmeverbraucher als Ausführungsform des Wärmespeichersystems der vorliegenden Erfindung
ist eine schematische Ansicht des Wärmespeichersystems mit einem zusätzlichen Wärmeverbraucher als Ausführungsform des Wärmespeichersystems der vorliegenden Erfindung
ist eine schematische Ansicht des Wärmespeichersystems mit zusätzlichen Solarkollektoren im Kältemittelkreis als Ausführungsform des Wärmespeichersystems der vorliegenden Erfindung
ist eine schematische Ansicht des Wärmespeichersystems mit einem Wärmetauscher unter Verwendung anderer Wärmequellen im Kältemittelkreis als Ausführungsform des Wärmespeichersystems der vorliegenden Erfindung
ist eine schematische Ansicht des Wärmespeichersystems mit einem Speichertank, der ein festes oder Phasenwechselmaterial mit verbesserten Wärmespeichermöglichkeiten anstelle eines Speichertanks mit einer Wasserlösung enthält als Ausführungsform des Wärmespeichersystems der vorliegenden Erfindung
ist eine schematische Ansicht des Wärmespeichersystems mit allen in den beschriebenen Ausführungsformen

zeigt ein Wärmespeichersystem 10. Das System 10 umfasst einen Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe 100, den Fluidkreislauf 300 eines Wärmepumpensystems und ein zusätzliches Wärmeerzeugungssystem 200, das das Kältemittel vor dem Eintritt in den Kondenser weiter erwärmt. Der Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe 100 umfasst einen Kompressor 101, einen Kondenser 102, ein Expansionsventil 103 und einen Verdampfer 104, die jeweils durch eine Anzahl von Kältemittelleitungen 110 verbunden sind, um einen Kompressionskreislauf zu bilden. Der Kondenser 102 kann Wärme vom Kältemittel auf einen separaten Fluidkreislauf 310 übertragen, ohne dass sich das Kältemittel mit dem Fluid dieses Kreislaufs 310 vermischt.
Das Wärmespeichersystem 10 umfasst ein Wärmeerzeugungssystem 200, das das Kältemittel aufheizt, das den Kompressor 101 verlassen hat und das sich innerhalb des Kältemittelkreises 110 zwischen dem Kompressor 101 und dem Kondenser 102 befindet. Das Wärmeerzeugungssystem 200 umfasst zusätzlich ein Dreiwegeventil 201, und einen Solarkollektor 202, der Wärmeenergie aus den Sonnenstrahlen erzeugt. Das Dreiwegeventil 201 ist mit dem Rohr 214 verbunden, das vom Kompressor 101 kommt, sowie mit dem Rohr 215, das zum Solarkollektor 202 führt, und mit einem dritten Rohr 216, das den Solarkollektor 202 umgeht. Das Rohr 216, das den Solarkollektor 202 umgeht und das Rohr 217, das mit dem Ausgang des Solarkollektors 202 verbunden sind, sind mit einem T-Stück 218 verbunden, dessen Ausgang mit dem Rohr 110 verbunden ist, das zum Kondenser 102 führt.
Das Wärmespeichersystem 10 umfasst weiterhin einen Fluidkreislauf 300 zum Speichern und Übertragen der Wärme von der Wärmepumpe 100 und dem zusätzlichen Wärmeerzeugungssystem 200 zu einem Wärmeverbraucher 305. Der Fluidkreislauf 300 umfasst den Kondenser 102, einen Speichertank 301, eine Pumpe 302, die jeweils durch eine Anzahl von Rohren 310 und 311 verbunden sind, um einen ersten Fluidkreis zu bilden. Typischerweise ist die Flüssigkeit Wasser, aber nicht nur auf Wasser beschränkt. Ein zweiter Fluidkreis umfasst den gleichen Speichertank 301, ein Dreiwegeventil 303, eine Pumpe 304, sowie einen Wärmeverbraucher 305, die jeweils durch die Rohre 321, 322, 323, 324, 325 verbunden sind, um einen zweiten Fluidkreis zu bilden.
Um den Betrieb des Wärmespeichersystems 10 zu steuern, umfasst das System eine zur Wärmepumpe 100 gehörende Hauptsteuereinheit 120, die elektrisch mit dem Kompressor 101, dem Expansionsventil 103 des Kompressionskreises und der Pumpe 302 des erster Fluidkreislauf über Signalleitungen 121 zur Steuerung des Betriebs der Wärmepumpe 100 verbunden ist, und eine weitere Steuerung 800, die elektrisch mit einem Temperatursensor 221, der an der Rohrleitung 214 zwischen dem Kompressor 101 und vor dem Dreiwegeventil 201 befestigt ist, mit einem Temperatursensor 222, der an der Rohrleitung 217 hinter dem Solarkollektor befestigt ist, mit dem Dreiwegeventil 201, und mit einem Temperatursensor 331, der sich am oder im Wärmespeicher 301 befindet, und mit der Hauptsteuerung 120 der Wärmepumpe 100 verbunden ist
Im Betrieb verdichtet der Kompressor 101 ein Kältemittel, das ein beliebiges Fluid und vorzugsweise ein Gas sein kann, und stößt es durch das Kältemittelrohr 214 zum Dreiwegeventil 201 aus. Ein Sensor 221 misst die Temperatur des Kältemittels vor dem Dreiwegeventil 201. Ein weiterer Sensor 222 misst die Temperatur des Kältemittels hinter dem Solarkollektor 202. Wenn die Temperatur des Kältemittels hinter dem Solarkollektor 202 niedriger ist als die Temperatur vor dem Dreiwegeventil 201, sendet die Steuerung 800 ein Signal an das elektrisch betätigte Dreiwegeventil 201, um den Kältemittelfluss zu dem zum Solarkollektor 202 führenden Rohr 215 zu schließen und in das Bypassrohr 216 um den Solarkollektor 202 herum direkt zum Kondenser 102 zu leiten.
Wenn die Temperatur des Kältemittels hinter dem Solarkollektor 202 höher ist als die Temperatur vor dem Dreiwegeventil 201, sendet die Steuerung 800 ein Signal an das Dreiwegeventil 201, das den Kältemittelfluß zu dem zum Solarkollektor 202 führenden Rohr 215 öffnet und gleichzeitig die Bypass-Rohrleitung 216 um den Solarkollektor 202 herum direkt zum Kondenser 102 schließt. Dadurch wird das Kältemittel im Solarkollektor 202 über die vom Kompressor 101 gelieferte Temperatur hinaus erwärmt und die Wärme vom Kondenser 102 zum Fluid im ersten Fluidkreislauf 310 übertragen. Die Pumpe 302 des ersten Fluidkreislaufs leitet das damit heißere Fluid in den Wärmespeichertank 301. Infolgedessen wird das Fluid im Wärmespeichertank 301 durch die zusätzliche Wärme vom Solarkollektor 202 weiter erwärmt. Ein Sensor 331 in dem Speichertank 301 überwacht die Temperatur des Fluides in dem Tank. Die Steuerung 800 ermittelt aus den von den Sensoren 221, 222 und 331 gemessenen Temperaturen, errechnet daraus die Befehle für den Betrieb der Wärmepumpe 100 ab und leitet sie an die Steuerung 120 der Wärmepumpe 100 weiter, die diese dann in Befehle für den Kompressor 101 und Expansionsventil 103 umwandelt. Zum Beispiel, falls das Kältemittel den Kompressor mit einer Temperatur von 40 °C verlässt und der Solarkollektor 202 das Kältemittel um weitere 30 K auf 70 °C erwärmt hat, teilt die Steuerung 800 des Wärmespeichersystems 10 der Steuerung 120 der Wärmepumpe 100 mit, den Betrieb der Wärmepumpe und des Kompressors so lange fortzusetzen, bis der Temperatursensor 331 im Speicher 301 die 70 °C abzüglich einiger Verluste im Kondenser 102 und in den Rohrleitungen, beispielsweise 5K, gemessen hat. Erst nachdem der Sensor 331 in diesem Beispiel eine Temperatur von 65 °C gemessen hat, weist die Steuerung 800 die Wärmepumpe 100 an, abzuschalten.
Die Pumpe 304 in dem zweiten Fluidkreislauf saugt in dem erwähnten Beispiel das 65 °C heiße Fluid vom Speichertank 301 und durch das Dreiwegeventil 303 an und fördert es zum Wärmeverbraucher 305. Der Bedarf des Wärmeverbrauchers 305 definiert typischerweise die Betriebstemperatur des Kompressors. Ein Fußbodenheizungssystem beispielsweise erfordert eine Temperatur von 35 °C des ankommenden Fluides. Die Wärmepumpe 100 arbeitet ohne die Einbindung eines Solarkollektors derart, daß das Fluid, das den Kondenser 102 verlässt, eine erhöhte Temperatur von 40 °C aufweist, die weitere Verluste berücksichtigt und letztendlich die geforderten 35 °C vor dem Fußbodenheizungssystem bereitzustellt. Eine höhere Temperatur würde sich nachteilig auf das Fußbodenheizungssystem auswirken, da zu heiß und auch mehr Strom der Wärmepumpe 100 verbrauchen.
Das hier beschriebene Wärmespeichersystem 10 stellt die Temperatur des Fluides, das mit der freien zusätzlichen Energie, die von der Sonne mittels des Solarkollektors 202 geliefert und in dem Speicher 301 gespeichert wird, unter Verwendung eines thermisch gesteuerten Dreiwegeventils 303 auf den Bedarf des Wärmeverbrauchers 305 ein. Das Fluid verlässt den Wärmeverbraucher 305 durch das Rohr 323, das mit einem T-Stück 306 verbunden ist, das selbst mit einem Rohr 324 zum Dreiwegeventil 303 verbunden ist, während der andere Ausgang des T-Stücks 306 mit dem Rohr 325 zum Wärmespeicher 301 verbunden ist. In dem erwähnten Beispiel saugt die Pumpe 304 ein heißes Fluid von 65 °C aus dem Speichertank 301 durch das Rohr 321 und durch das Dreiwegeventil 303, das das heißere Fluid mit dem kälteren Fluid mischt, das durch das Rohr 324 bzw. Rohr 323 vom Wärmeverbraucher 305 zurückkommt, so dass das Fluid, das das Dreiwegeventil 303 in das Rohr 322 hinein verlässt, genau die vom Wärmeverbraucher 305 geforderte Temperatur von in diesem Beispiel 35 °C hat.
Das Wärmespeichersystem 10 liefert dem Wärmeverbraucher 305 so lange ein heißes Fluid, bis der Sensor 331 im Wärmespeicher 301 signalisiert, dass die Temperatur des Fluides unter die vom Wärmeverbraucher 305 geforderte Temperatur gefallen ist. Dann startet die Wärmepumpe 100 erneut und erwärmt das Fluid im Speichertank 301, um ein Fluid mit einer Temperatur sicherzustellen, die ausreichend für den Wärmeverbraucher 305 ist. Das thermisch gesteuerte Dreiwegeventil 303 kann auf eine sich ändernde Temperatur des durch das Rohr 321 eintretenden Fluides reagieren und durch das dynamisch geregelte Zumischen von kälterem Fluid aus dem Rohr 324 eine konstante Temperatur im Fluid für das Ausgangsrohr 322 erzielen.
Es können verschiedene Arten von thermisch gesteuerten Dreiwegeventilen 303 verwendet werden. Zum Beispiel unabhängig operierende, die direkt am Ventil eingestellt werden, aber auch dynamisch gesteuerte, die selbst mitsamt eines zusätzlichen Temperatursensors hinter dem Dreiwegeventil an die elektrische Steuerung 800 des Wärmespeichersystems 10 angeschlossen sind.
Summarisch muss der Kompressor 101 der Wärmepumpe 100 weniger lange arbeiten, da die freie zusätzliche Wärme, die von der Sonne durch den Solarkollektor 202 bereitgestellt wird, in dem Speicher 301 gespeichert und für den Wärmeverbraucher 305 verwendet wird.
zeigt eine andere Ausführungsform in Form von zwei elektrisch/ magnetisch betätigter Schließventilen 241 und 242 anstelle des Dreiwegeventils 201, das sich in dem Kältemittelkreis zwischen dem Kompressor 101 und dem Solarkollektor 202 befindet. Das vom Kompressor kommende Rohr 214 ist mit einem T- Stück 240 verbunden, das weiterhin mit dem Rohr 215, das zum Solarkollektor 202 führt, und mit dem Rohr 216, das den Solarkollektor 202 umgeht, verbunden ist. Das elektrisch/magnetisch betätigte Schließventil 241 befindet sich in der Rohrleitung 215 zwischen dem T-Stück 240 und dem Solarkollektor 202. Das elektrisch/magnetisch betätigte Schließventil 242 befindet sich in der Rohrleitung 216, das den Solarkollektor 202 umgeht, zwischen dem T-Stück 240 und dem T-Stück 218 vor dem Kondenser 201. Die elektrisch/magnetisch betätigte Schließventile 241 und 242 sind über die Leitungen 805 elektrisch mit der Steuerung 800 verbunden. Die Steuerung 800 öffnet und schließt die elektrisch/magnetisch betätigte Schließventile getrennt, um damit den Durchfluss des Kältemittels zum Solarkollektor 202 entweder zu öffnen oder zu schließen und gleichzeitig die Bypassleitung 216 um den Solarkollektor 202 entweder zu schließen oder zu öffnen.
Die und zeigen ein elektrisch betätigtes Vierwegeventil 250 anstelle des Dreiwegeventils 201, das sich in dem Kältemittelkreis hinter dem Kompressor 101 und vor dem Solarkollektor 202 befindet. Das Haupteingangsrohr des Vierwegeventils 250 ist mit dem Rohr 214 kommend von dem Kompressor verbunden. Einer der äußeren Ausgänge des Vierwegeventils 250 ist mit dem Rohr 255 verbunden, das zum Eingang des Solarkollektors 202 führt. Der Ausgang des Solarkollektors 202 ist mit dem Rohr 256 verbunden, das selbst mit dem Mittelrohr des Vierwegeventils 250 verbunden ist. Das verbleibende gegenüberliegende äußere Ausgangsrohr des Vierwegeventils 250 ist mit dem Rohr 257 verbunden, das zum Kondenser 102 führt. Das Vierwegeventil 250 ist ein elektrisch betätigtes Ventil und kann die Strömungsrichtung des durchfließenden Kältemittels ändern. Es ist über die Leitung 805 mit der Steuerung 800 verbunden. Abhängig von den von den Sensoren 221 und 222 gemessenen Temperaturen sendet die Steuerung 800 ein Signal an das Vierwegeventil 250, um den Kältemittelfluss vom Durchfließen des Solarkollektor 202 wie im gezeigt zu ändern zum Umgehen des Solarkollektors 202 wie in 4 gezeigt und umgekehrt.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht nur auf einen Wärmespeichertank und einen angeschlossenen Heizkreis beschränkt, sondern kann mehrere Wärmespeichertanks mit angeschlossenen Heizkreisen umfassen, die bei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten, wie in gezeigt. Oft betreiben Wärmepumpen einen Heizkreis zum Heizen des Raums und einen separaten Heizkreislauf zum Aufheizen von Warmwasser für den Hausgebrauch wie Duschen und Baden. Beide Heizkreise arbeiten bei unterschiedlichen Temperaturen. Zum Beispiel benötigt eine Fußbodenheizung Temperaturen von nur 35 °C, während das Warmwasser für den Hausgebrauch auf 55 °C und mehr erwärmt werden muss, um Legionellen zu vermeiden und abzutöten.
Das hier beschriebene Wärmespeichersystem 10 umfasst in einer weiteren Ausführungsform einen weiteren Heizkreis 500, der ein zusätzliches Dreiwegeventil 501 im ersten Fluidkreislauf, einen Wärmespeichertank 510, ein Dreiwegeventil 520 im zweiten Heizkreislauf und T-Stücke 504 und 515 umfasst. Das Dreiwegeventil 501 ist mit dem Rohr 310 des ersten Fluidkreislaufs des Heizkreislaufs 300 zwischen dem Kondenser 102 und dem Wärmespeichertank 301 sowie mit dem Rohr 502 verbunden, das zum zweiten Wärmespeichertank 510 führt. Das Rohr 503 verbindet den Speicher Tank 510 mit dem T-Stück 504, das selbst mit dem Rohr 311 des ersten Fluidkreislaufs verbunden ist. Das Rohr 514, in dem ein kaltes Fluid, entweder Frischwasser oder ein von einem Wärmeverbraucher zurückkehrendes Fluid, fließt, ist mit dem T-Stück 515 und von dort über das Rohr 516 mit dem Speichertank 510 verbunden. Der dritte Ausgang des T-Stücks 515 ist mit dem Rohr 513 verbunden, das seinerseits mit dem Dreiwegeventil 520 verbunden ist. Der Eingang des Dreiwegeventils 520 ist mit dem Rohr 511 vom Wärmespeichertank 510 verbunden, während der Ausgang des Dreiwegeventils 520 mit dem Rohr 512 zum Verbraucher verbunden ist.
In dem zweiten Speichertank 510 befindet sich ein Sensor 531, der die Temperatur des Fluides dort misst. Der Sensor 531 ist elektrisch mit der Steuerung 800 verbunden.
Das Dreiwegeventil 501 ist über die Leitung 121 elektrisch mit der Hauptsteuerung 120 der Wärmepumpe 100 verbunden. Die Steuerung 120 entscheidet mittels der gemessenen Bedingungen und den Anforderungen, welcher Heizkreis mit heißem Fluid versorgt werden soll. Wenn zum Beispiel der erste Heizkreis 300 versorgt werden soll, sendet die Steuerung das äquivalente Signal an das Dreiwegeventil 501, um den Fluss des heißen Fluides zu diesem Heizkreis 300 zu leiten. Wenn die Steuerung beschließt, den zweiten Heizkreis 500 zu versorgen, sendet die Steuerung 120 ein äquivalentes Signal an das Dreiwegeventil 501, um den Fluss des heißen Fluides zu diesem Heizkreis 500 zu leiten. Die erforderliche Temperatur des Fluides kann für die beiden Heizkreise unterschiedlich sein, beispielsweise 35 °C für Fußbodenheizung und 55 °C für Warmwasser. Die unterschiedliche Temperatur wirkt sich auf die Arbeitslast und den Energieverbrauch des Kompressors 101 aus.
Das hier beschriebene Wärmespeichersystem 10 kann die in dem Kältemittelkreis erzeugte zusätzliche Wärmeenergie auch in einem zweiten Heizkreis unabhängig vom ersten Heizkreis speichern. Der Kompressor 101 liefert ein Kältemittel, das heiß genug ist, um die erforderliche Temperatur des Fluides im Speichertank 510 zu ermöglichen. Wenn beispielsweise im Speichertank 510 die Temperatur 55°C betragen soll, erzeugt der Kompressor 101 ein Kältemittel mit 70 °C, also weit höher als für das oben beschriebene Beispiel für die Fußbodenheizung mit nur 40 °C. Die Steuerung 120 der Wärmepumpe 100 stellt das Dreiwegeventil 501 so ein, dass das Fluid mit der höheren Temperatur vom Kondenser 102 zum zweiten Heizkreis 500 und seinem Wärmespeichertank 510 geleitet wird.
Entsprechend der obigen Beschreibung für nur einen Heizkreis und mit nur einem Wärmespeicher erfassen die Sensoren 222 und 221, ob das Kältemittel weiterhin durch den Solarkollektor 202 erwärmt wird. Ist dies der Fall, öffnet die Steuerung 800 das Dreiwegeventil 201 und das Kältemittel wird zusätzlich durch den Solarkollektor 202 erwärmt, zum Beispiel um 20 K auf 90 °C. Diese zusätzliche Wärme wird in dem Kondenser 102 übertragen, der anschließend das Fluid im zweiten Heizkreis 500 und den Speichertank 510 höher als angefordert erwärmt. Der Sensor 531 in dem zweiten Speichertank 510 überwacht die Temperatur und überträgt sie an die Steuerung 800, die über die Leitung 810 mit der Steuerung 120 der Wärmepumpe 100 kommuniziert, um den Betrieb der Wärmepumpe und ihres Kompressors fortzusetzen, bis der Temperatursensor 531 im Wärmespeichertank 510 die ursprünglich eingestellte Temperatur plus den zusätzlichen Wärmegewinn durch Solarkollektor 202 abzüglich einiger Verluste im Kondenser 102 und in den Rohrleitungen gemessen hat, in dem erwähnten Beispiel 85 °C.
Das Wärmesystem 10 stellt die Temperatur des Fluides, das mit der freien zusätzlichen Energie, die von der Sonne mittels des Solarkollektors 202 geliefert und in dem Speicher 510 gespeichert wird, unter Verwendung eines thermisch gesteuerten Dreiwegeventils 520 auf den Bedarf des Wärmeverbrauchers ein. Das Rohr 514, welches eine kältere Flüssigkeit enthält, die zum Wärmespeichertank führt, ist mit einem T-Stück 515 verbunden, das selbst mit einem Rohr 513 verbunden ist, das zum Dreiwegeventil 520 führt, und mit einem Rohr 516 verbunden, das zum Wärmespeichertank 510 führt. Das Dreiwegeventil 520 verbindet einen seiner Eingänge mit dem Rohr 511, das vom Wärmespeichertank 510 kommt, den anderen Eingang mit dem Rohr 513, das kälteres Fluid enthält, und seinen Ausgang mit dem Rohr 512, das heißes Fluid an den Wärmeverbraucher liefert. Das Dreiwegeventil ist ein thermisch gesteuertes Ventil, das das heißere Fluid aus dem Wärmespeichertank 510 mit dem kälteren Fluid vom Rohr 513 mischt, so dass das Fluid, das das Dreiwegeventil 520 in das Rohr 512 verlässt, genau die vom Wärmeverbraucher geforderte Temperatur aufweist. Öffnet im Beispiel von erwärmtem Brauchwasser jemand einen Wasserhahn in der Leitung 512, und ist der Wasserdruck in der ankommenden Leitung 514 hoch genug, wird heißes Wasser aus dem Wärmespeichertank 510 durch das Dreiwegeventil 520 gedrückt, wobei durch die Zumischung kalten Wassers aus dem Rohr 513 die Austrittstemperatur in dem Rohr 512 niedriger ist als die im Wärmespeichertank 510.
Hat die Wärmepumpe 100 das Fluid in dem zweiten Wärmespeichertank 510 ausreichend aufgeheizt und ist steht der Kompressor 101 der Wärmepumpe 100 still, liefert das Wärmespeichersystem 10 so lange heißes Fluid für den zweiten Heizkreis und ohne den Kompressor der Wärmepumpe einzuschalten, bis der Sensor 531 im Wärmespeichertank 510 signalisiert, dass die Temperatur unter der erforderlichen und eingestellten Temperatur liegt. Die Wärmepumpe 100 startet erneut und erwärmt das Fluid im Speichertank 510.
Das thermisch gesteuerte Dreiwegeventil 520 kann auf eine sich ändernde Temperatur des durch das Rohr 511 eintretenden Fluides reagieren und durch das dynamisch geregelte Zumischen von kälterem Fluid aus dem Rohr 513 eine konstante Temperatur im Fluid für das Ausgangsrohr 512 erzielen. Es können verschiedene Arten von thermisch gesteuerten Dreiwegeventilen 520 verwendet werden. Zum Beispiel unabhängig operierende, die direkt am Ventil eingestellt werden, aber auch dynamisch gesteuerte, die selbst mitsamt eines zusätzlichen Temperatursensors hinter dem Dreiwegeventil an die elektrische Steuerung 800 des Wärmespeichersystems 10 angeschlossen sind.
Es versteht sich, dass die hier beschriebene Erfindung nicht nur auf 2 Heizkreise beschränkt ist, sondern auch mehr als 2 enthalten kann.
Im Ergebnis muss der Kompressor 101 der Wärmepumpe 100 weniger lange arbeiten, da die freie zusätzliche Wärme, die von der Sonne durch den Solarkollektor 202 bereitgestellt wird, in dem Speicher 510 gespeichert und für den Wärmeverbraucher verwendet wird. Der große Vorteil der hier beschriebenen Erfindungen besteht darin, frei und zusätzliche Wärmeenergie, die vom Solarkollektor 202 im Kältemittelkreis erzeugt wird, in getrennten Heizkreisläufen mit eingebundenen Wärmespeichertanks speichern zu können, die bei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten.
zeigt, dass das Wärmespeichersystem 10, wie es bisher beschrieben wurde, in einer weiteren Ausführungsform nicht auf nur einen Heizkreis pro Speicher beschränkt ist, sondern mehr als einen Heizkreis mit einem Heizverbraucher umfassen kann, die bei unterschiedlichen Temperaturbedingungen arbeiten und mit nur einem Wärmespeicher verbunden sind. Zum Beispiel haben Wohngebäude manchmal zwei Zonen, eine mit Heizkörpern mit einer Vorlauftemperatur von 50 °C, und eine andere Zone mit einem Fußbodenheizkreis mit einer Vorlauftemperatur von nur 35 °C. Beide werden von einem Heizsystem und einem Wärmespeichertank versorgt.
zeigt einen weiteren Heizkreis 400, der für beide Heizkreise mit demselben Speichertank 301 verbunden ist. Der Heizkreis 400 umfasst ein elektrisch betätigtes Dreiwegeventil 401, ein thermisch gesteuertes Dreiwegeventil 403, eine Pumpe 404, den Wärmeverbraucher 405, die T-Stücke 405, 406 und Rohrleitungen, die die Komponenten verbinden. Das Einlassrohr des Dreiwegeventils 401 ist mit dem Rohr 321 verbunden, das aus dem Wärmespeichertank 301 kommt. Ein Ausgangsrohr des Dreiwegeventils 401 ist mit dem Rohr verbunden, das zu dem Dreiwegeventil 303 führt, das die Temperatur für Wärmeverbraucher 305 steuert. Das andere Ausgangsrohr des Dreiwegeventils 401 ist durch das Rohr 411 mit dem Dreiwegeventil 403 des zweiten Heizkreises 400 verbunden. Abhängig von der Anforderung der beiden Wärmeverbraucher entscheidet die Hauptsteuerung 120 der Wärmepumpe 100, welcher Wärmeverbraucher versorgt wird. Die Steuerung 120 sendet über die Kommunikationsleitung 121 ein Signal an das angeschlossene Dreiwegeventil 401, das dann den Durchfluss zu den jeweiligen Heizkreisläufen öffnet oder schließt.
Das andere Eingangsrohr des Dreiwegeventils 403 ist mit dem Rohr 414 verbunden, das selbst über das T-Stück 405 mit dem Rohr 413 verbunden ist, welches das Fluid vom Wärmeverbraucher 405 zurückführt. Der Ausgang des T-Stücks 405 ist verbunden zu dem Rohr 415, das anschließend mit dem T-Stück 406 verbunden ist, welches seinerseits mit dem Rohr 325 verbunden ist, das das Fluid vom ersten Heizkreis zurückleitet, und zu dem Rohr 326, das die Fluide beider Heizkreise zurück zum Speichertank 301 führt.
Der Ausgang des Dreiwegeventils 403 ist mit dem Rohr 412 verbunden, das durch die angeschlossene Pumpe 404 zum Wärmeverbraucher 405 führt. Entsprechend dem Prinzip für nur einen Heizkreis 300 und oben beschrieben stellt das Dreiwegeventil 403 die Temperatur des durch das Rohr 411 eintretenden Fluides mit Hilfe des vom Wärmeverbraucher 405 im Rohr 414 zurückkehrenden Fluides genau die Temperatur ein, die für diesen Wärmeverbraucher 405 erforderlich ist.
Das thermisch gesteuerte Dreiwegeventil 403 kann auf eine sich ändernde Temperatur des durch das Rohr 411 eintretenden Fluides reagieren und durch das dynamisch geregelte Zumischen von kälterem Fluid aus dem Rohr 414 eine konstante Temperatur im Fluid für das Ausgangsrohr 412 erzielen.
Es können verschiedene Arten von thermisch gesteuerten Dreiwegeventilen 403 verwendet werden. Zum Beispiel unabhängig operierende, die direkt am Ventil eingestellt werden, aber auch dynamisch gesteuerte, die selbst mitsamt eines zusätzlichen Temperatursensors hinter dem Dreiwegeventil an die elektrische Steuerung 800 des Wärmespeichersystems 10 angeschlossen sind.
Es versteht sich, dass die hier beschriebene Erfindung nicht nur auf 2 Heizkreise beschränkt ist, die von einem Wärmespeichertank versorgt werden, sondern auch mehr als 2 enthalten kann.
zeigt, dass das bisher beschriebene Wärmespeichersystem 10 nicht nur auf einen Solarkollektor 202 beschränkt ist, sondern in einer weiteren Ausführungsform mehr als nur einen Solarkollektoren umfassen kann. Größere Wärmepumpen haben einen größeren Volumenfluss des Kältemittels und nur ein Solarkollektor könnte das Kältemittel nicht ausreichend erwärmen. Da die Größe des Solarkollektors meist begrenzt ist, muss mehr als ein Solarkollektor zwischen dem Kompressor 101 und dem Kondenser 102 angeordnet sein, um das Kältemittel ausreichend zu erwärmen.
Die Solarkollektor befinden sich zwischen dem Kompressor 101 und dem Kondenser 102 und sind derart durch Rohrleitungen verbunden, daß ein hydraulisch ausgeglichener Kältemittelfluss bei möglichst niedrigem Rohrleitungswiderstand durch alle Solarkollektoren ermöglicht wird. Das Rohr 231 führt vom Dreiwegeventil 201 zum T-Stück 232, von dem aus ein Rohr 233 zum ersten Solarkollektor 202 führt und mit diesem verbunden ist. Das Rohr 234 ist verbunden mit dem Ausgang des Solarkollektors 202 und dem T-Stück 235, welches selbst mittels des angebunden Rohres 236 mit dem T-Stück 218 verbunden ist. Zur Einbindung des zweiten Solarkollektors 203 in das beschriebene Wärmespeichersystem ist das Rohr 241 mit dem T-Stück 232 und dem T-Stück 242 verbunden. Das Rohr 244 ist verbunden mit dem Ausgang des Solarkollektors 203 und dem T-Stück 245, welches selbst mittels des angebunden Rohres 246 mit dem T-Stück 235 verbunden ist. Die Einbindung des nächsten Solarkollektors in das Wärmespeichersystem erfolgt entsprechend. Ein Rohr 251 ist mit dem T-Stück 242 und dem Solarkollektor 204 verbunden. Der Ausgang des Solarkollektors 204 ist mit dem Rohr 254 verbunden, das selbst ebenfalls mit dem T-Stück 245 verbunden ist.
Der Sensor 222 zur Messung der Temperatur im Kältemittel nach dem Durchströmen aller Solarkollektoren ist am Rohr 236 hinter dem T-Stück 235 angeordnet, das den Kältemittelstrom von allen Solarkollektoren zusammenfasst, und vor dem T-Stück 218 mit dem daran verbundenen Bypassrohr 216, das die Solarkollektoren umgeht. Die Anzahl der hier beschriebenen Solarkollektoren ist für die hier beschriebene Erfindung nicht beschränkt.
zeigt eine andere Ausführungsform der hier beschriebenen Erfindung in Form eines Wärmetauschers 207 unter Verwendung einer externen Wärmequelle 208 anstelle des Solarkollektors 202. Der Wärmetauscher 207 ermöglicht den Durchfluss zweier Flüssigkeiten durch ihn und die Übertragung von Wärme von der heißeren Flüssigkeit auf die kältere ohne daß sich die beiden Flüssigkeiten miteinander vermischen. Ein Rohr des Wärmetauschers 207 ist mit den Rohren 215 und 217 verbunden, um den Kältemittelkreislauf zu schließen und das Kältemittel beim Durchströmen aufzuheizen. Das andere Rohr des Wärmetauschers 207 ist mit der Rohrleitung 209 verbunden, die selbst mit einer externen Wärmequelle 208 verbunden ist. Jede Wärmequelle wie beispielsweise Abgase, Verbrennungsenergie, chemische Wärmeprozesse oder Abwärme kann verwendet werden, solange sie Wärmeenergie bereitstellt und das Kältemittel in der Wärmepumpe 100 nach dem Verlassen des Kompressors 101 ausreichend erwärmt.
zeigt eine andere Ausführungsform der hier beschriebenen Erfindung in Form eines Wärmespeichertanks 301, der mit einem Material 320 gefüllt ist, das nicht in direkten Kontakt mit den Flüssigkeiten kommt, die in den Wärmespeichertank 301 eintreten und diesen verlassen. Das Material 320 im Wärmespeichertank 301 kann ein Feststoff sein, flüssiges oder phasenwechselndes Material mit verbesserten Wärmespeicherfähigkeiten. Das vom Kondenser 102 kommende Rohr 310 mit dem darin erwärmten Fluid ist mit einem Wärmetauscher 312 innerhalb des Wärmespeichertanks 301 verbunden. Der Wärmetauscher 312 selbst ist an seinem anderen Ende mit dem Rohr 311 verbunden, das den Wärmespeichertank 301 verlässt. Die Verbindung des Wärmetauschers 312 zu den Rohren 310 und 311 stellt sicher, dass das Fluid in diesem Kreis beim Passieren des Wärmespeichertanks 301 nicht in direkten Kontakt mit dem Material 320 innerhalb des Wärmespeichertanks 301 kommt.
Ähnliches gilt für die Rohre, die von dem Wärmespeichertank 301 zum Wärmeverbraucher 305 führen. Das vom Wärmespeichertank 301 zum Dreiwegeventil 303 führende Rohr 321 mit dem darin befindlichen erwärmten Fluid ist mit einem Wärmetauscher 317 innerhalb des Wärmespeichertanks 301 verbunden. Der Wärmetauscher 317 selbst ist an seinem anderen Ende mit dem Rohr 325 verbunden, das in den Speichertank 301 eintritt. Die Verbindung des Wärmetauschers 317 mit den Rohren 321 und 325 stellt sicher, dass das Fluid in diesem Kreis beim Passieren des Wärmespeichertanks 301 nicht in direkten Kontakt mit dem Material 320 innerhalb des Wärmespeichertanks 301 kommt.
In der hier beschriebenen Erfindung mit ihren Ausführungsformen muss der Kompressor 101 der Wärmepumpe 100 weniger Zeit arbeiten und Strom verbrauchen, da die freie und zusätzliche Wärmeenergie, die von der Sonne durch den oder die Solarkollektoren oder durch externe Wärmequellen im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe bereitgestellt wird, in dem Speichertank 301, 510 gespeichert wird und durch Verwendung von Dreiwegeventile dynamisch auf die ursprüngliche von den Wärmeverbrauchern geforderte Temperatur zurückgeregelt werden kann. Dabei können mehrere Heizkreise und Wärmespeicher, die auch bei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten, versorgt werden.
10 zeigt eine hierin beschriebene Ausführungsform der Erfindung, die alle in den bis beschriebenen Ausführungsformen in einem System zusammenfasst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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Claims

Ein integriertes Wärmespeichersystem 10 bestehend aus einem Wärmepumpensystem 100 mit mindestens einem Kompressor 101, einem Kondenser 102, einem Expansionsventil 103 und einem Verdampfer 104, die alle mittels mehrerer Kältemittelleitungen in Reihe geschaltet sind, um einen geschlossenen Kreislauf zu bilden, der Kältemittel enthält; und mindestens einem Speichertank 301 sowie einer Pumpe 302, die mittels mehrerer Rohre in Reihe mit demselben Kondenser 201 geschaltet sind, und einen ersten Fluidkreislauf bilden, der ein Fluid enthält, das vom Kältemittelkreislauf getrennt ist; und mindestens einer Pumpe 304 und einem Wärmeverbraucher 305, die mittels mehrerer Rohre in Reihe mit demselben Speichertank 301 verbunden sind, um einen zweiten Kreislauf zu bilden, der ein Fluid enthält; und einer Steuerung 120 der Wärmepumpe 100, die mindestens mit dem Kompressor 101, dem Expansionsventil 103 und der Pumpe 302 des ersten Fluidkreislaufs verbunden ist; wobei in dem Kältemittelkreislauf der Kompressor 101 ein gasförmiges Kältemittel komprimiert, der Kondenser 102 das Kältemittel abkühlt und es dabei in ein flüssiges Kältemittel umwandelt, das Expansionsventil 103 den Druck des flüssigen Kältemittels verringert, der Verdampfer 104 das flüssige Kältemittel zu einem gasförmigen Kältemittel verdampft und der Kompressor 101 das gasförmige Kältemittel ansaugt; und wobei das Kältemittel chemisch nicht im gesamten Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe 100 zersetzt wird; und wobei das Wärmespeichersystem 10 darüber hinaus einen Solarkollektor 202 umfasst, der zwischen Kompressor 101 und Kondenser 102 angeordnet und mittels Rohleitungen mit diesen verbunden ist, wobei das Kältemittel den Solarkollektor 202 durchfließt und Wärmeenergie von der Sonne in das Kältemittel überträgt, bevor das zusätzlich erhitzte Kältemittel in den Kondenser 102 eintritt; und wobei dieses Wärmespeichersystem 10 ferner ein Dreiwegeventil 201 beinhaltet, das zwischen dem Kompressor 101 und dem Solarkollektor 202 angeordnet ist, und das Dreiwegeventil 201 verbunden ist mit einem vom Kompressor 101 kommenden Rohr 214, mit einem zum Solarkollektor 202 führenden Rohr 215 sowie mit einem Rohr 216, das am Solarkollektor 202 vorbeiführt und direkt zum Kondenser 102 führt; und wobei dieses Wärmespeichersystem 10 ferner ein weiteres Dreiwegeventil 303 umfasst, das in dem Fluidkreislauf zwischen Speichertank 301 und Wärmeverbraucher 305 angeordnet ist, und das Dreiwegeventil 303 verbunden ist mit dem vom Speichertank 301 kommenden Rohr 321, mit dem zum Wärmeverbraucher 305 führenden Rohr 322 sowie mit einem dritten Rohr 324, das selbst mit dem Rohr 323 verbunden ist, das das Fluid vom Wärmeverbraucher 305 zum Speichertank 301 zurückführt; und wobei dieses Wärmespeichersystem 10 ferner einen Sensor 221 am Kältemittellrohr 214 hinter dem Kompressor 101 und vor dem Dreiwegeventil 201 zum Solarkollektor 202, einen weiteren Sensor 222 am Kältemittelrohr 217 hinter dem Solarkollektor 202 und vor dem verbundenen T-Stück 218, welches auch mit dem Rohr 216, das das Kältemittel am Solarkollektor 202 vorbeiführt und dem Rohr 110, das vom T-Stück 218 zum Kondenser 102 führt, verbunden ist, einen weiteren Sensor 331 am oder im Wärmespeichertank 301, umfasst, wobei alle Sensoren Temperaturen messen und als Signal bereitstellen, sowie eine Steuerung 800 beinhaltet, die an die Sensoren 221, 222, 331, an das Dreiwegeventil 201 zwischen dem Kompressor 101 und Solarkollektor 202, sowie an der Hauptsteuerung 120 der Wärmepumpe 100 angeschlossen ist.
Ein Wärmespeichersystem nach Anspruch 1, umfassend ein T-Stück 240 und zwei magnetisch und/oder elektrisch betätigte Schließventile 215, 216, die den Kältemittelstrom in die gewünschten Rohre leiten, anstelle eines Dreiwege-Ventils 201 zwischen dem Kompressor 101 und dem Solarkollektor 202, wobei der Eingang des T-Stücks 240 mit dem vom Kompressor 101 kommenden Rohr 214 verbunden ist, ein Ausgang des T-Stücks 240 mit dem Rohr 215, das zum Solarkollektor 202 führt, und der andere Ausgang des T-Stücks 240 mit dem Rohr 216, das den Solarkollektor 202 umgeht, verbunden ist, wobei sich ein magnetisch/elektrisch betätigtes Schließventil 214 in dem Rohr 215 befindet, das vom T-Stück 240 zum Solarkollektor 202 führt und mit diesem 215 Rohr verbunden ist, und ein zweites magnetisch/elektrisch betätigtes Schließventil 242 sich in der Rohrleitung 216 kommend vom T-Stück 240, die den Solarkollektor 202 direkt zum Kondenser 102 umgeht, befindet und wobei die magnetisch und/oder elektrisch betätigten Schließventile elektrisch mittels der Leitungen 805 mit der Steuerung 800 des Wärmespeichersystems verbunden sind.
Ein Wärmespeichersystem nach Anspruch 1, umfassend ein Vierwegeventil 250, das den Kältemittelstrom zum Solarkollektor 202 oder um dieses herumleitet, anstelle eines Dreiwegeventils 201 zwischen dem Kompressor 101 und dem Solarkollektor 202, wobei der Haupteinlass des Vierwegeventils 250 mit dem vom Kompressor 101 kommenden Rohr 214 verbunden ist, und wobei das Vierwegeventil 250 auch mit dem Rohr 255, das zum Solarkollektor 202 hinführt und dem Rohr 256, das vom Solarkollektor 202 weg führt, verbunden ist, und wobei das Vierwegeventil 250 auch mit dem Rohr 257 zum Kondenser 102 verbunden ist, und wobei das Vierwegeventil 250 elektrisch mit der Steuerung 800 des Wärmespeichersystems verbunden ist.
Ein Wärmespeichersystem nach Anspruch 1, umfassend einen weiteren Wärmespeicher 510 mit angeschlossenem Wärmekreislauf 500, wobei sich ein weiteres Dreiwegeventil 501 in dem ersten Fluidkreislauf zwischen Kondenser 102 und Speichertank 301 befindet, und das Dreiwegeventil 501 mit dem Rohr 310 zum Kondenser 102 und mit den Rohren 502, 313 zu beiden Speichertanks verbunden ist; und wobei dieses weitere Dreiwegeventil 501 einstellbar und elektrisch mit der Hauptsteuerung 120 der Wärmepumpe 100 verbunden ist, um das Fluid in die entsprechenden Rohre 502, 313, die mit dem Dreiwegeventil 501 verbunden sind, zu den unterschiedlichen Wärmespeichern 301 und 510 zu leiten; und wobei der Ausgang des weiteren Speichertanks 510 mit einem Rohr 503 zu einem T-Stück 504 verbunden ist, das selbst mit einem Rohr 314 zum ersten Speichertank 301 sowie mit einem Rohr 311 zum Kondenser 102 verbunden ist, um die Flüssigkeiten aus beiden Speichertanks 301, 510 in den Kondenser 102 zurückfließen zu lassen; und wobei dieses Wärmespeichersystem 10 ferner ein Dreiwegeventil 520 umfasst, das in dem Fluidkreislauf hinter dem weiteren Speichertank 510 und vor dem Wärme- oder Fluidverbraucher angeordnet ist, und das Dreiwegeventil 520 verbunden ist mit einem Rohr 511, das vom Speichertank 510 kommt, mit einem Rohr 512, das zum Wärme- oder Flüssigkeitsverbraucher führt und mit einem dritten Rohr 513, das selbst mit dem vom Wärmeverbraucher zurückkommenden Rohr 514 oder einem Rohr 514, das dem Speicher frische kalte Flüssigkeit zuführt; und wobei dieses Wärmespeichersystem 10 ferner einen Sensor 531 umfasst, der am oder in dem Wärmespeichertank 510 angeordnet ist und der mit der Steuerung 800 des Wärmespeichersystems 10 verbundenen ist; und wobei die Anzahl zusätzlicher Wärmespeichertanks und deren angeschlossener Heizkreise nicht beschränkt ist.
Ein Wärmespeichersystem nach den vorrangig genannten Ansprüchen 1 und 4, umfassend einen weiteren Wärmekreislauf 400, der von demselben Wärmespeicher 301 versorgt wird, wobei sich ein weiteres Dreiwegeventil 401 in dem Fluidkreislauf zwischen dem Speichertank 301 und dem Dreiwegeventil 303 vor dem ersten Wärmeverbraucher 305 befindet und dieses weitere Dreiwegeventil 401 verbunden ist mit einem Rohr 321, das vom Speichertank 301 kommt, und mit einem Rohr 327, das zum Dreiwegeventil 303 des ersten Wärmeverbrauchers 305 führt, und mit einem Rohr 411, das zum Dreiwegeventil 403 des weiteren Wärmeverbrauchers 405 führt; und wobei dieses weitere Dreiwegeventil 401 einstellbar und elektrisch mit der Hauptsteuerung 120 des Wärmepumpensystems 100 verbunden ist, um das Fluid gezielt durch die entsprechenden verbundenen Rohren 327 oder 411 zu den verschiedenen Wärmeverbrauchern 305, 405 zu leiten; und wobei dieses Wärmespeichersystem ein weiteres Dreiwegeventil 403 umfasst, das in dem Rohr 411 kommend vom Dreiwegeventil 401 direkt hinter dem Wärmespeicher 301 und führend zum weiteren Wärmeverbraucher 405 angeordnet ist, und das Dreiwegeventil 403 verbunden ist mit dem Rohr 411, das von dem ersten Dreiwegeventil 401 kommt, mit dem Rohr 412 führend zum Wärmeverbraucher 405 und mit einem dritten Rohr 414, das selbst mit einem Rohr 413 verbunden ist, welches das Fluid vom weiteren Wärmeverbraucher 405 in den Wärmespeicher 301 zurückführt; und wobei der Rückfluss des Fluides des weiteren Wärmeverbrauchers 405 durch ein T-Stück 406 realisiert wird, das das vom ersten Wärmeverbraucher 305 kommende Rohr 323 mit dem von dem weiteren Wärmeverbraucher 405 kommenden Rohr 415 und mit dem zum Speichertank 302 zurückführenden Rohr 326 verbindet; und wobei die Anzahl zusätzlicher Wärmeverbraucher nicht beschränkt ist.
Ein Wärmespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches über zwei oder mehr Solarkollektoren verfügt, die über Rohre und T-Stücke mit dem Dreiwegeventil 201 hinter dem Kompressor 101 und dem zum Kondenser 102 führenden Rohr 110 verbunden sind.
Ein Wärmespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei anstelle eines Solarkollektors 202 ein Wärmetauscher 207 verwendet wird, der jegliche Art von Wärme 208 zum Erhitzen des Kältemittels im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe 100 verwendet.
Ein Wärmespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Speichertank 301 und/oder 510 ein festes oder flüssiges oder gasförmiges oder phasenwechselndes Material 320 mit weit verbesserten Fähigkeiten zur Wärmespeicherung enthält; und wobei ein Fluid in den Rohrleitungen 310 und/oder 502 die Wärme vom Kondenser 102 an das Wärmespeichermaterial 320 überträgt und dabei nicht in direkten Kontakt mit dem Wärmespeichermaterial 320 kommt und sich nicht mit diesem vermischt; und wobei ein Fluid in den Rohrleitungen 321 und/oder 511 die Wärme vom Wärmespeichermaterial 320 an den Wärmeverbraucher 305 überträgt und dabei nicht in direkten Kontakt mit dem Wärmespeichermaterial 320 kommt und sich nicht mit diesem vermischt;
Ein Wärmespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das als Heizsystem betrieben werden kann und die Umgebung erwärmt, in der sich der Wärmeverbraucher befindet.
Ein Verfahren zum Speichern von Wärme, die in einem Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe basierend auf dem Kompressionsprozess und zusätzlich zu einem Kompressor erzeugt wird und zum Heizen unter Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 9 gespeichert und mittels folgender Schritte verwendet wird: a. Verwenden mindestens eines Kompressors 101 zum Komprimieren und Erhitzen eines Kältemittels; b. Weiteres Erhitzen des komprimierten Kältemittels mittels Durchfließens eines oder mehrerer Solarkollektoren 202 und/oder Wärmetauscher 207, die die Energie der Sonne und/oder anderer externer Wärmequellen in das Kältemittel übertragen; c. Leiten des Kältemittels an den Solarkollektoren 202 und/oder Wärmetauscher 207 vorbei, ohne diese zu durchströmen, falls nicht genügend Sonne und/oder Wärme zur Verfügung steht, um das Kältemittel nach dem Verlassen des Kompressors 101 weiter zu erwärmen; c. Leiten des erwärmten Kältemittels durch einen Kondenser 102, in dem die Wärme vom Kältemittel auf ein Fluid in einem ersten Fluidkreislauf übertragen wird, wobei der Kältemittelkreislauf vollständig von diesem ersten Fluidkreislauf getrennt ist; d. Pumpen des erhitzten Fluides im ersten Fluidkreislauf vom Kondenser 102 zu einem Speichertank 301 und Erhitzen des gesamten Fluides im Speichertank 301; e. Pumpen eines erwärmten Fluides vom Speichertank 301 durch ein Dreiwegeventil 303 zu einem Wärmeverbraucher 305 und von dort zurück zum Speichertank 301, wobei das Dreiwegeventil 303 die Temperatur des dem Wärmeverbraucher 305 zugeführten Fluides gemäß gewünschter Temperatureinstellungen einstellt; wobei die Steuerung 800 des Wärmespeichersystems die Zieltemperatur in dem Speichertank 301 und die Ausgangstemperatur des Fluides in dem ersten Fluidkreislauf nach Verlassen des Kondensers 102, in Bezug zur Temperatur des Kältemittels einstellt, die hinter dem Solarkollektor 202 und/oder dem Wärmetauscher 207 erreicht wird; und wobei die Ausgangstemperatur des Fluides in dem ersten Fluidkreislauf nach Verlassen des Kondensers 102 höher ist, wenn das Kältemittel den Solarkollektor 202 und / oder Wärmetauscher 207 passiert hat, als direkt nach Verlassen des Kompressors 101; und wobei die zusätzliche Wärme, die von dem Solarkollektor 202 und/oder dem Wärmetauscher 207 erzeugt wird, in einem Speichertank 301 gespeichert wird, der den ersten und den zweiten Fluidkreislauf verbindet; und wobei das Dreiwegeventil 303 in der Rohrleitung des zweiten Fluidkreislaufs zwischen Speichertank 301 und Wärmeverbraucher 305 das heißere Fluid unter Verwendung des kälteren Rücklauffluides in den Rohrleitungen 323, 324 vom Wärmeverbraucher 305 auf die erforderliche Temperatur zurückmischt; und wobei die Steuerung 800 des Wärmespeichersystems mit den verbundenen Sensoren 221, 222, 331 und mit der verbundenen Hauptsteuerung 120 der Wärmepumpe 100 kommuniziert, um einen ordnungsgemäßen und effizienten Betrieb der Wärmepumpe 100 und des Wärmespeichersystems 10 sicherzustellen.