DE102021211129A1

DE102021211129A1 - Hybridheizsystem zum Bereitstellen von Brauchwasser und Heizungswärme

Info

Publication number: DE102021211129A1
Application number: DE102021211129.7A
Authority: DE
Inventors: Niclas Mueller; Daniel Neubert; Hermann Stumpp; Dennis Becker; Waldemar Ott; Armin Marko; Christian Glueck
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-10-04
Filing date: 2021-10-04
Publication date: 2023-04-06

Abstract

Bei einem Hybridheizsystem (100) zum Bereitstellen von Brauchwasser und Heizungswärme, umfassend eine Wärmepumpe (110) und ein Heizgerät (120) mit einer Wärmezelle (122), wobei ein Brauchwasserspeicher (140) durch die Wärmepumpe (110) und/oder die Wärmezelle (122) mittels eines Wärmeträgermediums (124), insbesondere Wasser, temperierbar ist, ist die Wärmepumpe (110) mittels einer hydraulischen Weiche (130) mit einem Heizkreis (180) gekoppelt, wobei die Wärmepumpe (110) und die Wärmezelle (122) jeweils parallel an den Brauchwasserspeicher (140) angebunden sind.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridheizsystem zum Bereitstellen von Brauchwasser und Heizungswärme, umfassend eine Wärmepumpe und ein Heizgerät mit einer Wärmezelle, wobei ein Brauchwasserspeicher durch die Wärmepumpe und/oder die Wärmezelle mittels eines Wärmeträgermediums, insbesondere Wasser, temperierbar ist.
Aus dem Stand der Technik sind Hybridheizsysteme bekannt, bei denen eine Wärmepumpe und ein als Gasbrennwertgerät ausgebildetes Heizgerät in einer hydraulischen Parallelschaltung zusammenwirken. Die Wärmepumpe belädt einen ihr nachgeschalteten Pufferspeicher und ist somit von einem zugeordneten Verbraucherkreis hydraulisch entkoppelt. Durch eine Umwälzpumpe können Volumenstrom und Temperaturspreizung an einem entsprechenden Kondensator der Wärmepumpe den jeweiligen Betriebserfordernissen angepasst werden. Ein Rücklauf des Hybridheizsystems ist direkt an den Pufferspeicher angebunden, um der Wärmepumpe eine möglichst tiefe Arbeitstemperatur zu ermöglichen. Eine derartige hydraulische Verschaltung setzt jedoch einen gewissen Platzbedarf voraus, da neben einem entsprechenden Brauchwasserspeicher auch der Pufferspeicher installiert werden muss. Des Weiteren muss im Pufferspeicher und Brauchwasserspeicher eine vergleichsweise großen Wassermenge vorgehalten werden, was zu einer Beeinträchtigung der Energieeffizienz des Hybridheizsystems sowie der thermischen Trägheit der Erzeugerseite führen kann. Darüber hinaus stellt ein Pufferspeicher einen signifikanten Kostentreiber eines solchen Hybridheizsystems dar. Die Warmwasserbereitung erfolgt ausschließlich durch die Wärmepumpe, was im Hinblick auf eine periodisch notwendige thermische Desinfektion des Wassers im Brauchwasserspeicher einen separaten, bevorzugt elektrisch betriebenen Heizstab erfordert. Der Heizstab erhöht die Komplexität des Gesamtsystems und erhöht dessen Betriebs- und Investitionskosten.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridheizsystem zum Bereitstellen von Brauchwasser und Heizungswärme, umfassend eine Wärmepumpe und ein Heizgerät mit einer Wärmezelle, wobei ein Brauchwasserspeicher durch die Wärmepumpe und/oder die Wärmezelle mittels eines Wärmeträgermediums, insbesondere Wasser, temperierbar ist. Die Wärmepumpe ist mittels einer hydraulischen Weiche mit einem Heizkreis gekoppelt, wobei die Wärmepumpe und die Wärmezelle jeweils parallel an den Brauchwasserspeicher angebunden sind.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Anbindung der Wärmepumpe mittels einer hydraulischen Weiche anstelle eines konventionellen, großvolumigen Pufferspeichers, ergibt sich unter anderem ein reduzierter Platzbedarf des Hybridheizsystems. Weiterhin verringern sich die Investitionskosten, und durch das entfallende Wasservolumen eines Pufferspeichers ergibt sich eine effizientere und dynamischere Bereitstellung von Wärme. Eine niedrige Rücklauftemperatur für die Wärmepumpe ist gewährleistet. Ferner ist die Einstellbarkeit eines Volumenstroms und eine Temperaturspreizung des Wärmeträgermediums an einem entsprechenden Kondensator der Wärmepumpe unverändert möglich. Ein separater Heizstab zum periodischen Desinfizieren des Brauchwasserspeichers ist entbehrlich, da die Wärmezelle diese Funktion übernimmt. Das Brauchwasser im Brauchwasserspeicher weist - zumindest in einer Ausführung mit zwei Wärmeübertragern - ausgehend von einem am tiefsten Punkt liegenden Eingang bis zu einem am höchsten Punkt befindlichen Ausgang vorteilhafterweise ein stetig ansteigendes Temperaturprofil nach Art eines Schichtspeichers auf.
Bei einer ersten Ausführungsform des Hybridheizsystems ist der Brauchwasserspeicher bivalent ausgebildet und weist einen ersten Wärmeübertrager und einen zweiten Wärmeübertrager auf, wobei der erste Wärmeübertrager ein niedrigeres Temperaturniveau als der zweite Wärmeübertrager aufweist.
Durch den Einsatz eines bivalenten Brauchwasserspeichers mit zwei Wärmeübertragern arbeitet die Wärmepumpe auf einem energieeffizienten, niedrigen Temperaturniveau, während die Wärmezelle auf einem im Vergleich hierzu höheren und für entsprechende Brennstoffe, wie zum Beispiel Gas, Öl, Kohle, Holzpellets oder dergleichen, günstigeren Temperaturniveau betrieben wird.
Vorzugsweise ist ein Vorlauf der Wärmepumpe mit einem ersten Vorlauf der hydraulischen Weiche und mit einem Vorlauf des ersten Wärmeübertragers des Brauchwasserspeichers verbunden, wobei ein Rücklauf der Wärmepumpe mittels eines ersten 3-Wege-Stellglieds mit einem ersten Rücklauf der hydraulischen Weiche und mit einem Rücklauf des ersten Wärmeübertragers des Brauchwasserspeichers verbunden ist, wobei in dem Rücklauf der Wärmepumpe oder in dem Vorlauf der Wärmepumpe eine erste Pumpe angeordnet ist.
Durch die hydraulische Weiche ist eine Entkopplung der Wärmepumpe von dem Heizkreis gegeben. Zwischen der Wärmepumpe und dem ersten Wärmeübertrager des Brauchwasserspeichers besteht eine (Teil-)Parallelschaltung. Die Wärmepumpe ist zudem auf dem niedrigen Temperaturniveau des Rücklaufs der hydraulischen Weiche betreibbar.
Bevorzugterweise ist ein Vorlauf der Wärmezelle mit einem Vorlauf des zweiten Wärmeübertragers des Brauchwasserspeichers, und ein Rücklauf der Wärmezelle ist mittels eines zweiten 3-Wege-Stellglieds mit einem Rücklauf des zweiten Wärmeübertragers des Brauchwasserspeichers und mit einem zweiten Vorlauf der hydraulischen Weiche verbunden, wobei in dem Rücklauf der Wärmezelle oder in dem Vorlauf der Wärmezelle eine zweite Pumpe angeordnet ist.
Infolgedessen ist der Rücklauf der Wärmezelle bereits mit dem höheren Temperaturniveau des Rücklaufs des zweiten Wärmeübertragers beaufschlagbar. Zwischen der Wärmezelle und dem zweiten Wärmeübertrager des Brauchwasserspeichers besteht gleichfalls eine Parallelschaltung. Die beiden Wärmeübertrager des Brauchwasserspeichers sind lediglich „thermisch“ in Reihe geschaltet, da zwischen diesen keine direkte hydraulische Verbindung besteht.
Gemäß einer technisch günstigen Weiterbildung ist der Vorlauf der Wärmezelle über einen Vorlauf eines Heizkreises mit mindestens einem Vorlauf mindestens eines thermischen Verbrauchers des Heizkreises verbunden, und ein zweiter Rücklauf der hydraulischen Weiche ist mit mindestens einem Rücklauf des mindestens einen thermischen Verbrauchers des Heizkreises verbunden.
Hierdurch ist für den Heizkreis das erhöhte Temperaturniveau des Vorlaufs der Wärmezelle bzw. des Vorlaufs des zweiten Wärmeübertragers des Brauchwasserspeichers nutzbar.
Bei einer zweiten Ausführungsform des Hybridheizsystems weist der Brauchwasserspeicher einen Wärmeübertrager auf.
Aufgrund des in dieser zweiten Ausführungsform monovalent ausgeführten Brauchwasserspeichers ist ein vereinfachter Aufbau des Hybridheizsystems gegeben. Im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform herrscht im Brauchwasserspeicher ein im Wesentlichen homogenes Temperaturniveau ohne eine ausgeprägte vertikale thermische Schichtung.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist ein Vorlauf der Wärmepumpe mit einem ersten Vorlauf der hydraulischen Weiche und über einen Vorlauf mit einem Vorlauf des Wärmeübertragers des Brauchwasserspeichers verbunden, wobei ein Rücklauf der Wärmepumpe mittels eines ersten 3-Wege-Stellglieds mit einem ersten Rücklauf der hydraulischen Weiche und über einen Rücklauf mit einem Rücklauf des Wärmeübertragers des Brauchwasserspeichers verbunden ist, wobei in dem Rücklauf der Wärmepumpe oder in dem Vorlauf der Wärmepumpe eine erste Pumpe angeordnet ist.
Infolgedessen ist die Wärmepumpe parallel an den Wärmeübertrager des Brauchwasserspeichers angeschlossen. Da der Rücklauf der Wärmepumpe ihrerseits mit dem Rücklauf der hydraulischen Weiche verbunden ist, ist die Wärmepumpe auf einem niedrigen Temperaturniveau betreibbar.
Bevorzugt ist ein Vorlauf der Wärmezelle über einen Vorlauf mit dem Vorlauf des Wärmeübertragers des Brauchwasserspeichers verbunden, und ein Rücklauf der Wärmezelle ist mittels eines zweiten 3-Wege-Stellglieds mit einem zweiten Vorlauf der hydraulischen Weiche und über einen Rücklauf mit dem Rücklauf des Wärmeübertragers des Brauchwasserspeichers verbunden, wobei in dem Rücklauf der Wärmezelle oder in dem Vorlauf der Wärmezelle eine zweite Pumpe angeordnet ist.
Hierdurch ist eine Parallelschaltung zwischen dem Wärmeübertrager des Brauchwasserspeichers und der Wärmezelle realisiert.
Bevorzugterweise ist der Vorlauf der Wärmezelle mit einem Vorlauf eines Heizkreises und mit mindestens einem Vorlauf mindestens eines thermischen Verbrauchers des Heizkreises verbunden, und ein zweiter Rücklauf der hydraulischen Weiche ist mit mindestens einem Rücklauf des mindestens einen thermischen Verbrauchers des Heizkreises verbunden.
Hierdurch ist für einen thermischen Verbraucher das erhöhte Temperaturniveau der Wärmezelle nutzbar.
Nach Maßgabe einer weiteren Ausgestaltung ist mindestens eine Verbrauchsstelle für das Brauchwasser an einen Ausgang des Brauchwasserspeichers angeschlossen, und ein Eingang des Brauchwasserspeichers ist mit einem Brauchwasserzufluss verbunden.
Hierdurch ist am Ausgang des Brauchwasserspeichers erforderlichenfalls kaltes Wasser mittels des externen Brauchwasserzuflusses zumischbar. Der Brauchwasserzufluss des Brauchwasserspeichers kann mit dem öffentlichen Wasserversorgungsnetz bzw. Leitungsnetz verbunden sein. Bei der mindestens einen thermischen Verbrauchsstelle kann es sich um einen (Rippen-)Heizkörper, einen Konvektor, einen Flächenheizkörper bzw. einen Plattenheizkörper, eine Fußbodenheizung, einen Deckenstrahler oder dergleichen handeln.
Figurenliste
Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 ein schematisches hydraulisches Schaltbild einer ersten Ausführungsform eines Hybridheizsystems, und
2 ein schematisches hydraulisches Schaltbild einer zweiten Ausführungsform eines Hybridheizsystems.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den Figuren sind konstruktiv im Wesentlichen identische Elemente mit gleicher oder vergleichbarer Funktion aus Gründen der Zeichnungsökonomie durchgängig mit denselben Bezugszeichen versehen und nur einmal detaillierter beschrieben.
1 zeigt ein Hybridheizsystem 100 zum Bereitstellen von Brauchwasser 146 und Heizungswärme in einem Gebäude gemäß einer ersten Ausführungsform. Das Hybridheizsystem 100 umfasst unter anderem eine Wärmepumpe 110 sowie ein Heizgerät 120 mit einer Wärmezelle 122. Hierbei kann das Heizgerät 120 als Brennwertgerät ausgebildet sein. Die Wärmezelle 122 kann als Heizkessel ausgebildet sein. Bevorzugt ist ein Brauchwasserspeicher 140 durch die Wärmepumpe 110 und/oder die Wärmezelle 122 des Heizgeräts 120 mittels eines Wärmeträgermediums 124 temperierbar. Weiterhin ist vorzugsweise eine elektronische Steuer- und/oder Regeleinrichtung 220 vorgesehen. Bei dem Wärmeträgermedium 124 des Hybridheizsystems 100 handelt es sich bevorzugt um Wasser. Das Wasser kann gegebenenfalls mit Additiven zum Korrosions- und/oder Frostschutz versetzt sein.
Die Wärmepumpe 110 ist vorzugsweise mittels einer hydraulischen Weiche 130 mit einem Heizkreis 180 gekoppelt, wobei die Wärmepumpe 110 und die Wärmezelle 122 bevorzugt jeweils parallel an den Brauchwasserspeicher 140 angeschlossen sind. Die hydraulische Weiche 130 verfügt über ein Gehäuse 132. Der Brauchwasserspeicher 140 ist hier bivalent ausgeführt und weist einen ersten Wärmeübertrager 142 und einen zweiten Wärmeübertrager 144 auf, wobei der erste Wärmeübertrager 142 auf einem niedrigeren Temperaturniveau als der zweite Wärmeübertrager 144 arbeitet. Infolgedessen stellt sich bevorzugt innerhalb des Brauchwasserspeichers 140 ein vertikal geschichteter Temperaturverlauf des darin bevorrateten Brauchwassers 146 ein. Zwischen den beiden, bevorzugt wendelförmigen bzw. spiralförmigen Wärmeübertragern 142, 144 besteht innerhalb des Brauchwasserspeichers 140 vorzugsweise keine direkte hydraulische Verbindung, sondern nur eine mittelbar thermisch-serielle Kopplung durch das die Wärmeübertrager 142, 144 vollständig umgebende bzw. umströmende Brauchwasser 146.
Ein Vorlauf V_1,1 der Wärmepumpe 110 ist beispielhaft mit einem Vorlauf V_1,2 der hydraulischen Weiche 130 und zugleich mit einem Vorlauf V_1,3 des ersten Wärmeübertragers 142 des Brauchwasserspeichers 140 verbunden. Der Rücklauf R_1,1 der Wärmepumpe 110 ist illustrativ mittels eines, bevorzugt elektrisch betätigbaren ersten 3-Wege-Stellglieds 160 mit einem ersten Rücklauf R_1,2 der hydraulischen Weiche 130 sowie mit einem Rücklauf R_1,3 des ersten Wärmeübertragers 142 des Brauchwasserspeichers 140 verbunden. Mit Hilfe des ersten 3-Wege-Stellglieds 160 lässt sich vorzugsweise im Bedarfsfall das Wärmeträgermedium 124 bzw. Wasser mit niedriger Temperatur dem Rücklauf R_1,1 der Wärmepumpe 110 zumischen. Innerhalb des Rücklaufs R_1,1 der Wärmepumpe 110 ist beispielhaft ferner eine erste, bevorzugt elektrisch betriebene Pumpe 150 zur Förderung des Wärmeträgermediums 124 durch den nicht eingezeichneten Verdampfer der Wärmepumpe 110 angeordnet. Alternativ kann die erste Pumpe 150 in dem Vorlauf V_1,1 der Wärmepumpe 110 angeordnet sein.
Ein Vorlauf V_1,5 der beispielsweise mit einem fossilen Brennstoff befeuerten Wärmezelle 122 des Heizgeräts 120 ist illustrativ mit einem Vorlauf V_1,6 des zweiten Wärmeübertragers 144 des Brauchwasserspeichers 140 verbunden. Die Wärmezelle 122 kann zum Beispiel mit Gas, Wasserstoff, Öl, Kohle oder Holzpellets befeuert sein. Anstelle des Heizgeräts 120 kann auch eine methan- oder wasserstoffgespeiste Brennstoffzelle oder eine elektrische (Widerstands-)Heizung als Wärmeerzeuger vorgesehen sein. Bevorzugt wird das Heizgerät 120 bzw. der alternative Wärmeerzeuger im Vergleich zu der Wärmepumpe 110 auf einem deutlich höheren Temperaturniveau betrieben.
Ein Rücklauf R_1,4 der Wärmezelle 122 ist beispielhaft mittels eines zweiten, bevorzugt gleichfalls elektrisch betätigbaren 3-Wege-Stellglieds 162 mit einem Rücklauf R_1,5 des zweiten Wärmeübertragers 144 des Brauchwasserspeichers 140 und zugleich mit einem zweiten Vorlauf V_1,4 der hydraulischen Weiche 130 verbunden. Hierdurch kann dem Rücklauf R_1,4 der Wärmezelle 122 im Bedarfsfall das vorgewärmte Wärmeträgermedium 124 aus dem Rücklauf R_1,5 des zweiten Wärmeübertragers 144, das im Vergleich zum kalten Wärmeträgermedium 124 im Bereich des ersten Wärmeübertragers 142 ein höheres Temperaturniveau aufweist, zugemischt werden. Innerhalb des Rücklaufs R_1,4 der Wärmezelle 122 ist illustrativ eine zweite, vorzugsweise elektrisch betriebene Pumpe 152 zur Förderung des Wärmeträgermediums 124 durch die Wärmezelle 122 des Heizgeräts 120 vorgesehen. Alternativ kann die zweite Pumpe 152 in dem Vorlauf V_1,5 der Wärmezelle 122 angeordnet sein. Im Bereich des ersten Wärmeübertragers 142 herrscht im Vergleich zum Bereich des zweiten Wärmeübertragers 144 vorzugsweise eine niedrigere, bevorzugt signifikant niedrigere, Temperatur, so dass eine Grenzschicht 170 entsteht. Bevorzugt unmittelbar unterhalb der Grenzschicht 170 befindet sich der zur Wärmepumpe 110 führende Vorlauf V_1,3 des Brauchwasserspeichers 140 und bevorzugt unmittelbar oberhalb der Grenzschicht 170 ist der zum Heizgerät führende Rücklauf R_1,5 angeschlossen.
Der Vorlauf V_1,5 der Wärmezelle 122 ist illustrativ über einen Vorlauf V_1,7 eines mit Heizwärme zu versorgenden Heizkreises 180 mit mindestens einem Vorlauf V_1,8 mindestens eines thermischen Verbrauchers 190 des Heizkreises 180 verbunden. Ein zweiter Rücklauf R_1,6 der hydraulischen Weiche 130 ist beispielhaft mit einem Rücklauf R_1,7 des mindestens einen thermischen Verbrauchers 190 des Heizkreises 180 verbunden.
Der Brauchwasserspeicher 140 verfügt bevorzugt über einen Einlass E_1,1 im Bereich des Rücklaufs R_1,3 für kaltes Frischwasser und über einen Auslass A_1,1 im Bereich des Vorlaufs V_1,6 zur Abgabe temperierten Brauchwassers 146. Der Einlass E_1,1 des Brauchwasserspeichers 140 ist vorzugsweise mittels eines dritten, bevorzugt ebenfalls elektrisch betätigbaren 3-Wege-Stellglieds 164 mit einem Brauchwasserzufluss 210 für kaltes Wasser, z.B. aus dem öffentlichen (Trinkwasser-)Versorgungsnetz, sowie einer Verbindungsleitung 212 verbunden. Der Auslass A_1,1 des Brauchwasserspeichers 140 ist illustrativ mit einer Verbrauchsstelle 200 für temperiertes Brauchwasser bzw. einer Brauchwasserzapfstelle, wie einem Duschkopf, einem Badewanneneinlass, einem Wasserhahn oder dergleichen verbunden. Bevorzugt ist der Eingang E_1,1 des Brauchwasserspeichers 140 mit einem Brauchwasserzufluss 210 verbunden. Beispielhaft ist der Auslass A_1,1 mittels der Verbindungsleitung 212 über das dritte 3-Wege-Stellglied 164 mit dem Einlass E_1,1 des Brauchwasserspeichers 140 bzw. mit dem Brauchwasserzufluss 210 verbunden. Hierdurch kann dem Auslass A_1,1 im Bedarfsfall mit Hilfe des dritten 3-Wege-Stellglieds 164 kaltes Wasser aus dem Brauchwasserzufluss 210 und/oder dem Einlass E_1,1 des Brauchwasserspeichers 140 zugemischt werden.
Durch die hydraulische Weiche 130 ergibt sich eine wirkungsvolle hydraulische Entkopplung zwischen der Wärmepumpe 110 und der Wärmezelle 122 des Heizgeräts 120 sowie dem angeschlossenen Heizkreis 180 ohne das Erfordernis eines großvolumigen Pufferspeichers. Somit ist in jedem Fall ein Mindestvolumenstrom des Wärmeträgermediums 124 für den ordnungsgemäßen Betrieb der Wärmepumpe 110 sichergestellt. Durch den hier bivalent ausgeführten Brauchwasserspeicher 140 können sowohl das Heizgerät 120 mit der fossil befeuerten Wärmezelle 122 als auch die Wärmepumpe 110, die üblicherweise eine auf einem im Vergleich hierzu niedrigen Temperaturniveau liegende Umgebungswärmequelle nutzt, auf ihrem jeweils optimalen Temperaturniveau betrieben werden. Die Wärmepumpe 110 nutzt hierbei das niedrige Temperaturniveau des Rücklaufs R_1,3 bzw. des am tiefsten liegenden Anschlusses des Brauchwasserspeichers 140. Das niedrige Temperaturniveau im Bereich des Rücklaufs R_1,3 des Brauchwasserspeichers 140 und/oder des Rücklaufs R_1,2 der hydraulischen Weiche 130 führt durch Mischung mittels des ersten 3-Wege-Stellglieds 160 zu einer minimalen Temperatur im Bereich des Rücklaufs R_1,1 der Wärmepumpe 110 und muss von dieser lediglich auf ein in Relation hierzu nur geringfügig höheres Temperaturniveau im Bereich des Vorlaufs V_1,1 der Wärmepumpe 110 angehoben werden. Aufgrund dieses geringen, von der Wärmepumpe 110 zu bewirkenden Temperaturhubs ΔT zwischen dem Rücklauf R_1,1 und dem Vorlauf V_1,1 der Wärmepumpe 110 ergibt sich eine hohe energetische Effizienz des Hybridheizsystems 100.
Mit Hilfe der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 220 werden die zugeordneten 3-Wege-Stellglieder 160, 162, 164 sowie die beiden elektrischen Pumpen 150, 152 vorzugsweise in Abhängigkeit von einer Vielzahl von der besseren zeichnerischen Übersicht halber nicht dargestellten Temperatur- und Durchflusssensoren umfassend kontrolliert, das heißt geregelt und/oder gesteuert. Infolgedessen ist unter allen praktisch auftretenden Betriebsbedingungen eine hohe Energieeffizienz des Hybridheizsystems 100 gegeben. Die der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 220 zugeordneten Temperatur- und Durchflusssensoren können zum Beispiel innerhalb der Vorläufe V_1,1,...,8, der Rückläufe R_1,1,...,7, des Brauchwasserzuflusses 210 aus dem öffentlichen Wasserversorgungsnetz, im Bereich der Verbindungsleitung 212, im Bereich des Brauchwasserspeichers 140, im Bereich der Verbrauchsstelle 200, im Bereich der hydraulischen Weiche 130, im Bereich der Wärmepumpe 110, im Bereich der Wärmezelle 122, im Bereich des mindestens einen thermischen Verbrauchers 190 oder in einer Außenumgebung eines mit dem Hybridheizsystem 100 zu temperierenden Gebäudes platziert sein. Die vorzugsweise elektromotorisch betätigbaren 3-Wege-Stellgieder 160, 162, 164 können beispielsweise als stetig arbeitende 3-Wege-Mischventile, als diskontinuierlich arbeitende Schalt- bzw. Umschaltventile oder als eine Kombination hiervon ausgeführt sein.
2 zeigt ein Hybridheizsystem 300 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Der wesentliche Unterschied zwischen dem Hybridheizsystem 300 und dem Hybridheizsystem 100 von 1 besteht darin, dass im Hybridheizsystem 300 lediglich ein monovalenter Brauchwasserspeicher 340 mit nur einem darin aufgenommenen Wärmeübertrager 342 vorgesehen ist. Hierdurch weist das Hybridheizsystem 300 im Vergleich zum Hybridheizsystem 100 von 1 einen einfacheren hydraulischen Aufbau auf, der mit einer geringeren Anzahl von Verbindungsleitungen auskommt.
Illustrativ weist das Hybridheizsystem 300 einen Brauchwasserspeicher 300 auf, der vorzugsweise vollständig mit zu temperierendem Brauchwasser 346 gefüllt ist, so dass der Wärmeübertrager 342 vollständig vom Brauchwasser 346 umgeben bzw. umspült ist. Als Wärmeträgermedium 324 wird vorzugsweise wiederum Wasser verwendet.
Das Hybridheizsystem 300 verfügt illustrativ über eine Wärmepumpe 310, ein Heizgerät 320 mit einer Wärmezelle 322, eine hydraulische Weiche 330 mit einem Gehäuse 332, einen Heizkreis 380 mit mindestens einem thermischen Verbraucher 390, wie einem Heizkörper oder dergleichen, sowie über eine elektronische Steuer- und/oder Regeleinrichtung 420. Das Heizgerät 320 kann als Brennwertgerät ausgebildet sein. Des Weiteren kann die Wärmezelle 322 als Heizkessel ausgebildet sein. Durch die hydraulische Weiche 330 ergibt sich eine wirkungsvolle hydraulische Entkopplung zwischen der Wärmepumpe 310 und der Wärmezelle 322 des Heizgeräts 320 und dem angeschlossenen Heizkreis 380, ohne das Erfordernis eines großvolumigen hydraulischen Pufferspeichers. Hierdurch ist unter allen Betriebsbedingungen des Hybridheizsystems 300 ein Mindestvolumenstrom des Wärmeträgermediums 324 für den ordnungsgemäßen Betrieb der Wärmepumpe 310 gewährleistet.
Ein Vorlauf V_2,1 der Wärmepumpe 310 ist beispielhaft mit einem ersten Vorlauf V_2,2 der hydraulischen Weiche 330 und über einen weiteren Vorlauf V_2,3 mit einem Vorlauf V_2,4 des Wärmeübertragers 342 des Brauchwasserspeichers 340 verbunden. Die Wärmepumpe 310 ist illustrativ mittels eines ersten 3-Wege-Stellglieds 360 mit einem ersten Rücklauf R_2,2 der hydraulischen Weiche 330 und über einen weiteren Rücklauf R_2,3 mit einem Rücklauf R_2,4 des Wärmeübertragers 342 des Brauchwasserspeicher 340 verbunden. In einem Rücklauf R_2,1 der Wärmepumpe 310 ist beispielhaft eine erste, bevorzugt elektrisch betriebene Pumpe 350 zur Förderung des Wärmeträgermediums 324 durch einen der besseren zeichnerischen Übersicht halber nicht dargestellten Kondensator der Wärmepumpe 310 vorgesehen. Alternativ kann die Pumpe 350 in dem Vorlauf V_2,1 der Wärmepumpe 310 angeordnet sein. Im Bereich der Rückläufe R_2,2, R_2,3 und R_2,4 herrscht hierbei bevorzugt das niedrigste Temperaturniveau im Hybridheizsystem 300, so dass die Wärmpumpe 310 mit einer optimalen, möglichst niedrigen Temperatur im Bereich des Rücklaufs R_2,1 betreibbar ist.
Ein Vorlauf V_2,5 der Wärmezelle 322 ist illustrativ über einen Vorlauf V_2,6 mit dem Vorlauf V_2,4 des Wärmeübertragers 342 des Brauchwasserspeicher 340 gekoppelt. Ein Rücklauf R_2,5 der Wärmezelle 322 ist beispielhaft mittels eines zweiten 3-Wege-Stellglieds 362 mit einem zweiten Vorlauf V_2,7 der hydraulischen Weiche 330 und über einen weiteren Rücklauf R_2,6 mit dem Rücklauf R_2,4 des Wärmeübertragers 342 des Brauchwasserspeichers 340 hydraulisch verbunden. Im Rücklauf R_2,5 der Wärmezelle 322 ist vorzugsweise eine zweite, bevorzugt elektrisch betriebene Pumpe 352 zur Förderung des Wärmeträgermediums 324 durch die Wärmezelle 322 des Heizgeräts 320 vorgesehen. Alternativ kann die Pumpe 352 in dem Vorlauf V_2,5 der Wärmezelle 322 angeordnet sein.
Der Vorlauf V_2,5 der Wärmezelle 322 ist illustrativ mit einem weiteren Vorlauf V_2,8 des Heizkreises 380 verbunden, an den beispielhaft mindestens ein Vorlauf V_2,9 mindestens eines thermischen Verbrauchers 390 innerhalb des Heizkreises 380 angeschlossen ist. Bei dem thermischen Verbraucher kann es sich um einen Heizkörper oder dergleichen handeln. An einen zweiten Rücklauf R_2,7 der hydraulischen Weiche 330 ist illustrativ mindestens ein Rücklauf R_2,3 des mindestens einen thermischen Verbrauchers 390 des Heizkreises 380 angeschlossen.
Weiterhin ist vorzugsweise mindestens eine Verbrauchsstelle 400 für temperiertes Brauchwasser 346 an einen Ausgang A_2,1 des Brauchwasserspeichers 340 angeschlossen. Ein Eingang E_2,1 des Brauchwasserspeichers 340 ist bevorzugt mit einem Brauchwasserzufluss 410 verbunden. Beispielhaft ist der Eingang E_2,1 des Brauchwasserspeichers 340 mittels eines dritten 3-Wege-Stellglieds 364 mit einem Kaltwasser führenden Brauchwasserzufluss 410, z. B. aus dem öffentlichen Wasserversorgungsnetz, und darüber hinaus mit einer Verbindungsleitung 412 verbunden. Die Verbindungsleitung 412 ist ihrerseits illustrativ mit dem Ausgang A_2,1 des Brauchwasserspeichers 340 verbunden. Hierdurch kann dem Ausgang A_2,1 in Abhängigkeit von der Stellung des 3-Wege-Stellglieds 364 im Bedarfsfall unmittelbar Kaltwasser aus dem Brauchwasserzufluss 410 zur schnellen Temperierung zugemischt werden.
Als ein weiterer Unterschied dieses Hybridheizsystems 300 im Vergleich zum Hybridheizsystem 100 von 1 ist bevorzugt innerhalb des Vorlaufs V_2,3 ein erstes Rückschlagorgan 370 und in dem Vorlauf V_2,6 des Brauchwasserspeichers 340 ein zweites Rückschlagorgan 372 vorgesehen. Durch das erste Rückschlagorgan 370 wird ein Zurückströmen des Wärmeträgermediums 324 ausgehend von dem Vorlauf V_2,4 des Brauchwasserspeichers 340 in den Vorlauf V_2,1 der Wärmepumpe 310 bzw. den Vorlauf V_2,2 der hydraulischen Weiche 330 verhindert. Entsprechend verhindert das Rückschlagorgan 372 das Zurückströmen des Wärmeträgermediums 324 aus dem Vorlauf V_2,4 des Brauchwasserspeichers 340 in den Vorlauf V_2,5 der Wärmezelle 322 bzw. den Vorlauf V_2,8 des Heizkreises 380.
Alle 3-Wege-Stellglieder 360, 362, 364 sind bevorzugt wiederum elektromotorisch betätigbar und können zum Bespiel als stetig arbeitende Mischventile ausgeführt sein. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform weisen die 3-Wege-Stellglieder 360, 362 bevorzugt jeweils zwei schaltbare Anschlüsse auf, was mittels der ausgefüllten Dreiecke symbolisiert ist. Die schaltbaren Anschlüsse des ersten 3-Wege-Stellglieds 360 sind hierbei beispielhaft an die Rückläufe R_2,2 und R_2,3 angeschlossen. Die schaltbaren Anschlüsse des zweiten 3-Wege-Ventils 362 sind illustrativ mit dem Vorlauf V_2,7 und dem Rücklauf R_2,6 verbunden.
Die elektrisch betriebenen Pumpen 350, 352 sowie die 3-Wege-Stellglieder 360, 362, 364 sind bevorzugt der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 420 zugeordnet und von dieser umfassend kontrollierbar, das heißt steuer- und/oder regelbar. Weiterhin ist der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 420 bevorzugt eine Vielzahl von der besseren zeichnerischen Übersicht halber nicht dargestellten Temperatursensoren und Durchflusssensoren zugeordnet, die im Bereich der Vorläufe V_2,1....9, der Rückläufe R_2,1,...,6, im Bereich des Brauchwasserspeichers 340, im Bereich der Wärmepumpe 310, im Bereich des Heizgeräts 320 und des Heizkreises 380 positioniert sein können. Hinsichtlich der weiteren technischen Details der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 420 und der Sensorik sei an dieser Stelle zwecks Knappheit und Kürze der Beschreibung auf die entsprechenden Abschnitte der Beschreibung von 1 verwiesen.
Der Vorlauf V_2,4 und der Rücklauf R_2,4 des wendelförmigen Wärmeübertragers 342 sind vorzugsweise jeweils durch die beiden Vorläufe V_2,3, V_2,6 sowie durch die beiden Rückläufe R_2,3, R_2,6 mit der Wärmepumpe 310 und der Wärmezelle 322 des Heizgeräts 320 verbunden, woraus die hydraulische Parallelschaltung in Bezug zu dem Brauchwasserspeicher 340 resultiert. Die bevorzugt als einfache Rückschlagklappen ausgeführten Rückschlagorgane 370, 372 verhindern hierbei jeweils eine Fehlströmung des Wärmeträgermediums 324 innerhalb der Vorläufe V_2,3 und V_2,6.
Die bivalente Betriebsweise des monovalenten Brauchwasserspeichers 340 weist im Vergleich zu der ersten Ausführungsform des Hybridheizsystems 100 von 1 mit dem bivalenten Brauchwasserspeicher 140 von 1 zwar eine geringere Energieeffizienz auf, verfügt jedoch über einen vereinfachten hydraulischen Aufbau bei zugleich reduzierten Investitions- und Wartungskosten. Darüber hinaus ist die Leistungsfähigkeit der Brauchwasserbereitung im Fall der zweiten Ausführungsform des Hybridheizsystems 300 in Relation zu vorbekannten technischen Lösungen höher.

Claims

Hybridheizsystem (100, 300) zum Bereitstellen von Brauchwasser (146, 346) und Heizungswärme, umfassend eine Wärmepumpe (110, 310) und ein Heizgerät (120, 320) mit einer Wärmezelle (122, 322), wobei ein Brauchwasserspeicher (140, 340) durch die Wärmepumpe (110, 310) und/oder die Wärmezelle (122, 322) mittels eines Wärmeträgermediums (124, 324), insbesondere Wasser, temperierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (110, 310) mittels einer hydraulischen Weiche (130, 330) mit einem Heizkreis (180, 380) gekoppelt ist, wobei die Wärmepumpe (110, 310) und die Wärmezelle (122, 322) jeweils parallel an den Brauchwasserspeicher (140, 340) angebunden sind.
Hybridheizsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brauchwasserspeicher (140) bivalent ausgebildet ist und einen ersten Wärmeübertrager (142) und einen zweiten Wärmeübertrager (144) aufweist, wobei der erste Wärmeübertrager (142) ein niedrigeres Temperaturniveau als der zweite Wärmeübertrager (144) aufweist.
Hybridheizsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorlauf (V_1,1) der Wärmepumpe (110) mit einem ersten Vorlauf (V_1,2) der hydraulischen Weiche (130) und mit einem Vorlauf (V_1,3) des ersten Wärmeübertragers (142) des Brauchwasserspeichers (140) verbunden ist, wobei ein Rücklauf (R_1,1) der Wärmepumpe (110) mittels eines ersten 3-Wege-Stellglieds (160) mit einem ersten Rücklauf (R_1,2) der hydraulischen Weiche (130) und mit einem Rücklauf (R_1,3) des ersten Wärmeübertragers (142) des Brauchwasserspeichers (140) verbunden ist, wobei in dem Rücklauf (R_1,1) der Wärmepumpe (110) oder in dem Vorlauf (V_1,1) der Wärmepumpe (110) eine erste Pumpe (150) angeordnet ist.
Hybridheizsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorlauf (V_1,5) der Wärmezelle (122) mit einem Vorlauf (V_1,6) des zweiten Wärmeübertragers (144) des Brauchwasserspeichers (140), und ein Rücklauf (R_1,4) der Wärmezelle (122) mittels eines zweiten 3-Wege-Stellglieds (162) mit einem Rücklauf (R_1,5) des zweiten Wärmeübertragers (142) des Brauchwasserspeichers (140) und mit einem zweiten Vorlauf (V_1,4) der hydraulischen Weiche (130) verbunden ist, wobei in dem Rücklauf (R_1,4) der Wärmezelle (122) oder in dem Vorlauf (V_1,5) der Wärmezelle (122) eine zweite Pumpe (152) angeordnet ist.
Hybridheizsystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorlauf (V_1,5) der Wärmezelle (122) über einen Vorlauf (V_1,7) eines Heizkreises (180) mit mindestens einem Vorlauf (V_1,8) mindestens eines thermischen Verbrauchers (190) des Heizkreises (180) verbunden ist, und ein zweiter Rücklauf (R_1,6) der hydraulischen Weiche (130) mit mindestens einem Rücklauf (R_1,7) des mindestens einen thermischen Verbrauchers (190) des Heizkreises (180) verbunden ist.
Hybridheizsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brauchwasserspeicher (340) einen Wärmeübertrager (342) aufweist.
Hybridheizsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorlauf (V_2,1) der Wärmepumpe (310) mit einem ersten Vorlauf (V_2,2) der hydraulischen Weiche (330) und über einen Vorlauf (V_2,3) mit einem Vorlauf (V_2,4) des Wärmeübertragers (342) des Brauchwasserspeichers (340) verbunden ist, wobei ein Rücklauf (R_2,1) der Wärmepumpe (310) mittels eines ersten 3-Wege-Stellglieds (360) mit einem ersten Rücklauf (R_2,2) der hydraulischen Weiche (330) und über einen Rücklauf (R_2,3) mit einem Rücklauf (R_2,4) des Wärmeübertragers (342) des Brauchwasserspeichers (340) verbunden ist, wobei in dem Rücklauf (R_2,1) der Wärmepumpe (310) oder in dem Vorlauf (V_2,1) der Wärmepumpe (310) eine erste Pumpe (350) angeordnet ist.
Hybridheizsystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorlauf (V_2,5) der Wärmezelle (322) über einen Vorlauf (V_2,6) mit dem Vorlauf (V_2,4) des Wärmeübertragers (342) des Brauchwasserspeichers (340) verbunden ist, und ein Rücklauf (R_2,5) der Wärmezelle (322) mittels eines zweiten 3-Wege-Stellglieds (362) mit einem zweiten Vorlauf (V_2,7) der hydraulischen Weiche (330) und über einen Rücklauf (R_2,6) mit dem Rücklauf (R_2,4) des Wärmeübertragers (342) des Brauchwasserspeichers (340) verbunden ist, wobei in dem Rücklauf (R_2,5) der Wärmezelle (322) oder in dem Vorlauf (V_2,5) der Wärmezelle (322) eine zweite Pumpe (352) angeordnet ist.
Hybridheizsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorlauf (V_2,5) der Wärmezelle (322) mit einem Vorlauf (V_2,8) eines Heizkreises (380) und mit mindestens einem Vorlauf (V_2,9) mindestens eines thermischen Verbrauchers (390) des Heizkreises (380) verbunden ist, und ein zweiter Rücklauf (R_2,7) der hydraulischen Weiche (330) mit mindestens einem Rücklauf (R_2,8) des mindestens einen thermischen Verbrauchers (390) des Heizkreises (380) verbunden ist.
Hybridheizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Verbrauchsstelle (200, 400) für das Brauchwasser (146, 346) an einen Ausgang (A_1,1, A_2,1) des Brauchwasserspeichers (140, 340) angeschlossen ist, und ein Eingang (E_1,1, E_2,1) des Brauchwasserspeichers (140, 340) mit einem Brauchwasserzufluss (210, 410) verbunden ist.