DE102023100930A1

DE102023100930A1 - Wärmepumpensystem und Quartier

Info

Publication number: DE102023100930A1
Application number: DE102023100930.3A
Authority: DE
Inventors: Tobias Rösinger; Thomas Müller
Original assignee: Projekt Kastanienallee Am Teich & Co Kg GmbH
Current assignee: Projekt Kastanienallee Am Teich & Co Kg GmbH
Priority date: 2022-03-08
Filing date: 2023-01-17
Publication date: 2023-09-14
Also published as: DE202022101249U1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmepumpensystem mit einer ersten Steuerung, wenigstens einem zu klimatisierenden Gebäude (1) mit einem Wärmeverteil- und Speichersystem (16), und wenigstens einer Wärmepumpe (11), die dazu eingerichtet ist, dass ein Wärmeträgermedium in einem ersten Wärmeträgerkreislauf nacheinander einen Verdampfer (12), einen Verdichter (13), einen Verflüssiger (14) und einen Drossel (15) durchströmt. Der Verdampfer (12) oder der Verflüssiger (14) ist dabei zum Wärmeaustausch mit einem zweiten Wärmeträgerkreislauf (3) eingerichtet und der Verflüssiger (14) oder der Verdampfer (12) ist zum Wärmeaustausch mit dem Wärmeverteil- und Speichersystem (16) des jeweiligen Gebäudes (1) eingerichtet. Auf den Einsatz zusätzlicher fossiler Energieträger kann weitgehend verzichtet werden, wenn der zweite Wärmeträgerkreislauf (3) ein kaltes Nahwärmenetz (3), das mit dem Erdreich (4) außerhalb des jeweiligen Gebäudes (1) in Wärmeaustausch steht, oder ein gegenüber dem Erdreich (4) außerhalb des jeweiligen Gebäudes (1) gedämmtes Niedertemperaturnetz (21) ist, das entweder nur über einen Wärmetauscher (5) oder über einen Wärmetauscher und die Wärmepumpe (11) mit aus einem offenen Gewässer (2) entnommenen Wasserstrom in Wärmeaustausch steht. Weiter betrifft die Erfindung ein Quartier aus mehreren Gebäuden, deren Energieversorgung zumindest teilweise durch ein solches Wärmepumpensystem bereitgestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmepumpensystem zur Klimatisierung wenigstens eines Gebäudes unter Nutzung von thermischer Energie, die aus der Umgebung des Gebäudes, insbesondere aus einem Gewässer, entnommen oder an dieses abgegeben wird. Die Klimatisierung kann dabei sowohl die Erwärmung des Gebäudes als auch die Warmwassererzeugung und die Kühlung des Gebäudes umfassen. Weiter betrifft die Erfindung ein Quartier aus mehreren Gebäuden, deren Energieversorgung zumindest teilweise durch ein solches Wärmepumpensystem bereitgestellt wird.
Die Nutzung von Wärmepumpen für die Klimatisierung, insbesondere zum Heizen, von Gebäuden ist grundsätzlich bekannt, wobei in Wohngebäuden häufig Luft-Wärmepumpen eingesetzt werden, die der Umgebungsluft thermische Energie entziehen und diese auf ein für die Beheizung erforderliches höheres Temperaturniveau anheben. Weiter ist es auch bekannt, Erdwärme zu diesem Zweck zu nutzen. So ist es aus der EP 2 837 895 A2 bekannt, mehrere Gebäude, die jeweils mit einer eigenen Wärmepumpe ausgestattet sind, über ein Ringleitungsnetz miteinander zu verbinden, das wiederum mit dem Boden sowie einer Wärmequelle oder - senke in Wärmeaustausch steht.
Auch die Nutzung anderer Energiequellen für Wärmepumpen ist grundsätzlich bekannt. So wurde in St. Moritz (Schweiz) ein Wärmepumpensystem errichtet, das aus dem St. Moritzer See als Wärmequelle dienendes Seewasser entnimmt und einer am Ufer stationierten Wärmepumpe zuführt. Mit dieser wird aus dem auch im Winter etwa 4° C warmen Seewasser ein Wärmeträgermedium auf einer Heizwassertemperatur von 70° C bis 90° C erwärmt, das dann über isolierte Fernwärmeleitungen entfernt liegende Gebäude, unter anderem ein Hotel und ein Schulgebäude, mit Wärmeenergie versorgt. Zur Temperierung dieser Gebäude werden zusätzlich Ölheizungen sowie eine Müllverbrennungsanlage eingesetzt.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber ein Wärmepumpensystem bereitzustellen, das auf den Einsatz zusätzlicher fossiler Energieträger verzichten kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Wärmepumpensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßes Wärmepumpensystem ist mit wenigstens einem, vorzugsweise wenigstens zwei, zu klimatisierenden Gebäude mit einem Wärmeverteil- und Speichersystem und wenigstens einer dem jeweiligen Gebäude zugeordneten Wärmepumpe, insbesondere einer Sole-Wasser-Wärmepumpe, ausgestattet. Optional kann das Wärmepumpensystem zumindest eine erste Steuerung aufweisen, mit der insbesondere der Volumenstrom von Medien bedarfsgerecht veränderbar ist. Das Wärmeverteil- und Speichersystem kann in an sich bekannter Weise einen Wasserheizkreislauf, ein Warmluftverteilsystem, einen Warmwasser-Wärmetauscher und/oder einen Warmwasserspeicher aufweisen, um das Gebäude zu beheizen bzw. Warmwasser bereitzustellen. Dabei ist die Wärmepumpe vorzugsweise dazu geeignet und/oder eingerichtet, dass ein Wärmeträgermedium in einem ersten Wärmeträgerkreislauf nacheinander einen Verdampfer, einen Verdichter, einen Verflüssiger und einen Drossel durchströmt. Das Wärmeträgermedium kann in dem Verdampfer Wärmeenergie aufnehmen und nach der Anhebung auf ein höheres Temperaturniveau durch den Verdichter in dem Verflüssiger Wärmeenergie abgeben, bevor es in der Drossel wieder entspannt wird. Der Verdampfer der Wärmepumpe ist dabei zum Wärmeaustausch mit einem zweiten Wärmeträgerkreislauf geeignet und eingerichtet und der Verflüssiger ist zum Wärmeaustausch mit dem Wärmeverteil- und Speichersystem des jeweiligen Gebäudes geeignet und eingerichtet.
In dem ersten Wärmeträgerkreislauf zirkuliert vorzugsweise in einem geschlossenen System ein geeignetes Wärmeträgermedium, das schon bei geringen Temperaturen von unter 5° C verdampft. Ein besonders geeignetes Wärmeträgermedium ist beispielsweise Ammoniak, das einen Siedepunkt von etwa -33° C hat.
Erfindungsgemäß ist der zweite Wärmeträgerkreislauf ein mit dem Erdreich außerhalb des jeweiligen Gebäudes in Wärmeaustausch stehendes kaltes Nahwärmenetz, das über einen Wärmetauscher mit aus einem offenen Gewässer entnommenen Wasserstrom in Wärmeaustausch steht. Mit anderen Worten ist nach der vorliegenden Erfindung ein kaltes Nahwärmenetz vorgesehen, das sowohl in der Lage ist, Energie aus dem umgebenden Erdreich zu entnehmen oder in dieses abzugeben, als auch über den Wärmetauscher dem aus dem offenen Gewässer entnommenen Wasserstrom Energie zu entnehmen oder in diesen abzugeben. Das in dem ersten Wärmeträgerkreislauf der Wärmepumpe zirkulierende Medium kann somit gleichzeitig oder alternativ in dem Verdampfer der Wärmepumpe durch aus dem umgebenden Erdreich entnommene Energie und/oder aus dem offenen Gewässer entnommene Energie verdampft werden.
Mit der vorliegenden Erfindung werden Wärmeverluste minimiert, die beim Transport eines Wärmeträgermediums mit hohem Temperaturniveau über längere Strecken auftreten. Dagegen bietet das erfindungsgemäß vorgesehene kalte Nahwärmenetz den Vorteil, dass die aus dem offenen Gewässer entnommene Wärme beim Transport durch das Erdreich nicht wesentlich abgekühlt wird oder sogar zusätzlich erwärmt werden kann. Entsprechend beträgt die Temperatur des im kalten Nahwärmenetz strömenden Wärmeträgermediums beispielsweise zwischen 2° C und 12° C, vorzugsweise zwischen 4° C und 8° C. Um auch aus dem Erdreich thermische Energie in das kalte Nahwärmenetz einspeichern zu können, ist dieses vorzugsweise zumindest 1 m, bspw. etwa 1 bis 2 m, unter der Erdoberfläche verlegt, so dass dort auch im Winter eine konstante Temperatur von etwa 6° C vorherrscht. In dem kalten Nahwärmenetz kann in einem vorzugsweise geschlossenen Kreislauf Sole oder ein anderes geeignetes Wärmeträgermedium zirkulieren.
Weiter wird bei der Wärmeversorgung mehrerer Gebäude der Betrieb von mehreren kleineren dezentral angeordneten Wärmepumpen, die jeweils in einem der Gebäude vorgesehen sind und individuell an den Wärmebedarf in dem jeweiligen Gebäude angepasst betrieben werden können, sowohl hinsichtlich der individuellen Steuerung als auch hinsichtlich des Gesamtenergieverbrauchs bevorzugt. Mit anderen Worten kann das erfindungsgemäße Wärmepumpensystem mehrere Gebäude, beispielsweise mehrere Wohngebäude, umfassen, die jeweils eine eigene Technikzentrale mit einer Wärmepumpe aufweisen.
Technisch ist die Entnahme von Energie aus einem offenen Gewässer bzw. die Abgabe von Energie in ein offenes Gewässer bei beliebigen natürlich oder künstlich hergestellten stehenden oder fließenden Wasserkörpern, wie Seen, Stauseen, Kiesgruben und wassergefüllte Tagebaue, Teiche, Weiher, Tümpel, Flüsse, Quellen, Kanäle oder dergleichen, möglich. Unter anderem aus wasserrechtlichen Gründen können jedoch Einschränkungen hinsichtlich der Nutzung beispielsweise von Grundwasser oder Quellwasser bestehen.
In dem Wärmepumpensystem kann der Wärmetauscher, in dem der aus dem offenen Gewässer entnommene Wasserstrom mit dem kalten Nahwärmenetz in Wärmeaustausch steht, von dem oder den jeweiligen Gebäude(n) entfernt positioniert sein. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass von mehreren Gebäuden des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems einem der Gebäude der Wärmetauscher zugeordnet ist, wogegen die übrigen Gebäude über das kalte Nahwärmenetz mit diesem Wärmetauscher verbunden sind. Es wird bevorzugt, wenn bei einem Wärmepumpensystem mit mehreren zu klimatisieren Gebäuden jedes Gebäude jeweils eine eigene Wärmepumpe aufweisen, deren Verdampfer mit dem gemeinsamen kalten Nahwärmenetz in Wärmeaustausch stehen. Dabei kann jedes Gebäude jeweils eine eigene zweite Steuerung zur Ansteuerung der Wärmepumpe des jeweiligen Gebäudes aufweisen. Vorzugsweise ist dabei die erste Steuerung mit den zweiten Steuerungen verbunden, so dass beispielsweise die Leistung der Pumpe durch die erste Steuerung in Abhängigkeit der durch die Vielzahl der zweiten Steuerungen eingestellten Leistungen der jeweiligen Wärmepumpen einstellbar ist. Das kalte Nahwärmenetz zur Nutzung geothermischer Effekte kann abhängig von der Anzahl und Anordnung der Gebäude des Wärmepumpensystems als eine Ringleitung ausgestaltet sein, die das offene Gewässer ganz oder teilweise umgibt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dem Wärmetauscher wenigstens eine durch die erste Steuerung ansteuerbare Pumpe zugeordnet, die dazu geeignet und eingerichtet ist, aus dem offenen Gewässer über eine mit einem Entnahmebauwerk verbundene Rohrleitung Wasser zu entnehmen, dieses durch den Wärmetauscher zu fördern und in thermisch nötiger Entfernung und Höhe stromabwärts des Wärmetauschers über eine mit einem Einleitungsbauwerk verbundene weitere Rohrleitung in das offene Gewässer abzugeben. Dabei sind vorzugsweise das Entnahmebauwerk und das Einleitungsbauwerk voneinander beabstandet unter der Wasseroberfläche des offenen Gewässers angeordnet. Sowohl das Entnahmebauwerk als auch das Einleitungsbauwerk können so oberhalb des Grundes des offenen Gewässers angeordnet sein, dass das Ansaugen bzw. Verwirbeln von Sediment weitgehend vermieden wird. Die erste Steuerung kann die Pumpe kontinuierlich betreiben, wobei die Leistung der Pumpe bedarfsgerecht veränderbar sein kann. Alternativ oder zusätzlich ist auch ein intermittierender Betrieb der Pumpe möglich.
Es ist anzustreben, etwaige Flora und Fauna in dem offenen Gewässer nicht durch den Betrieb des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems negativ zu beeinflussen. Negative thermische Einflüsse können dadurch vermieden werden, dass die erste Steuerung dazu eingerichtet ist, die Leistung der Pumpe derart auf die in dem Wärmetauscher mit dem kalten Nahwärmenetz ausgetauschte Energiemenge anzupassen, dass die maximale Temperaturänderung des offenen Gewässers in einem von dem Einleitungsbauwerk mindestens 20 m entfernten Bereich des offenen Gewässers ± 2° C nicht übersteigt. Insbesondere bei vergleichsweise kleinen offenen Gewässern kann der Betrieb eines Wärmepumpensystems unter Nutzung des Seewassers als Wärmequelle oder Wärmesenke negative Auswirkungen haben. Hierbei wird insbesondere eine zu starke Erwärmung des offenen Gewässers kritisch gesehen. Daher wird es besonders bevorzugt, wenn, die erste Steuerung dazu eingerichtet ist, die Leistung der Pumpe derart auf die in dem Wärmetauscher mit dem kalten Nahwärmenetz ausgetauschte Energiemenge anzupassen, dass die maximale Temperaturänderung des offenen Gewässers in einem von dem Einleitungsbauwerk mindestens 20 m entfernten Bereich des offenen Gewässers für die Wärmeentnahme aus dem Gewässer -1° C und/oder für die Wärmeeinleitung in das Gewässer + 0,5° C nicht übersteigt. Mit anderen Worten kann beispielsweise die Wasserentnahme aus dem offenen Gewässer begrenzt werden, wenn im Kühlbetrieb eine zu starke Erwärmung des offenen Gewässers zu befürchten ist.
Wärmepumpen benötigen insbesondere für den Betrieb des Verdichters und in geringerem Maße auch für die Steuerung(en) elektrische Energie. Diese kann grundsätzlich aus einem öffentlichen Stromnetz bezogen werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist das wenigstens eine zu klimatisierende Gebäude eine Photovoltaikanlage auf. Diese kann direkt oder indirekt über einen Energiespeicher mit der Wärmepumpe des jeweiligen Gebäudes verbunden sein, um den Bedarf an elektrischer Energie für die jeweilige Wärmepumpe ganz oder teilweise durch die Photovoltaikanlage bereitzustellen. Die Photovoltaikanlage und/oder die Wärmepumpe können auch mit einem öffentlichen Stromnetz verbunden sein, um einerseits die Wärmepumpe betreiben zu können, wenn die Photovoltaikanlage keine oder zu wenig Strom produziert, und/oder um nicht von der Wärmepumpe benötigten Strom in das öffentliche Stromnetz einzuspeisen. Es ist auch möglich, weitere Stromverbraucher des Gebäudes durch Photovoltaikanlage mit Energie zu versorgen. Dies kann auch das Aufladen von Elektro- oder Hybridfahrzeugen beinhalten.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass in dem Wärmepumpensystem der Wärmetauscher, in dem das aus dem offenen Gewässer entnommene Wasser mit dem kalten Nahwärmenetz in Wärmeaustausch steht, mit einem Kühler in Wärmeaustausch steht. Ein solcher Kühler kann insbesondere ein das kalte Nahwärmenetz mit Umgebungsluft bzw. abgekühlter Umgebungsluft kühlender Kühler sein. Dies ermöglicht es, im Kühlbetrieb den Wärmeeintrag in das offene Gewässer zu reduzieren.
Der Betrieb des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems ist zuvor im Wesentlichen am Beispiel der Nutzung des offenen Gewässers als Energiequelle unter zusätzlicher Nutzung von Erdwärme beschrieben, d.h. die Wärmepumpe in dem jeweiligen Gebäude wird verwendet, um dem kalten Nahwärmenetz Energie zu entziehen und auf ein höheres Temperaturniveau anzuheben, so dass das Gebäude beheizt oder Wasser erwärmt werden kann. Erfindungsgemäß kann das kalte Nahwärmenetz auch zur Kühlung des Gebäudes genutzt werden. Hierzu kann in dem Wärmepumpensystem das Wärmeverteil- und Speichersystem des jeweiligen Gebäudes oder ein in dem jeweiligen Gebäude vorgesehenes zusätzliches Kälteverteil- und Speichersystem mit dem kalten Nahwärmenetz in Wärmeaustausch stehen. So ist es beispielsweise möglich, dass das Wärmeverteil- und Speichersystem oder das Kälteverteil- und Speichersystem über wenigstens einen die Wärmepumpe umgehenden Wärmetauscher mit dem kalten Nahwärmenetz in Wärmeaustausch steht. Mit anderen Worten kann, beispielsweise durch die jeweilige zweite Steuerung, das Wärmepumpensystem wahlweise in einem Heizbetrieb oder in einem Kühlbetrieb genutzt werden.
Insbesondere wenn mehrere Gebäude Bestandteil des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems sind, ist es auch möglich, dass in einzelnen Gebäuden zum Heizen oder zur Warmwassererzeugung Wärme aus dem kalten Nahwärmenetz entnommen wird, wogegen gleichzeitig in anderen Gebäuden Wärme in das kalte Nahwärmenetz abgegeben wird.
Alternativ zu der dezentralen Wärmeerzeugung mittels Wärmepumpen, die dezentral in den einzelnen Gebäuden vorgesehen und jeweils über das kalte Nahwärmenetz Wärmeenergie aufnehmen oder ggf. auch abgeben können, kann das Wärmepumpensystem erfindungsgemäß für eine zentrale Wärmeerzeugung eingerichtet sein. Hierzu ist beispielsweise zwischen dem Wärmetauscher, der mit dem offenen Gewässer in Wärmeaustausch steht, und dem die einzelnen Gebäude versorgenden Nahwärmenetz eine Wärmepumpe vorgesehen. Das Nahwärmenetz ist in diesem Fall ein Niedertemperaturnetz, das Wärmeträgermedium mit einer Vorlauftemperatur von 30° C bis 50° C, insbesondere etwa 35° C bis etwa 45° C, von der Wärmepumpe zu Übergabestationen innerhalb der einzelnen Gebäude transportiert. In den einzelnen Gebäuden kann eine, beispielsweise elektrische, Nacherhitzung für die Beheizung und insbesondere für die Warmwasserbereitung erfolgen. Eine elektrische Nacherhitzung kann zweckmäßigerweise ganz oder teilweise mittels einer Photovoltaikanlage mit Strom versorgt werden.
Unabhängig davon, ob die Wärmeerzeugung zentral oder dezentral erfolgt, kann das erfindungsgemäße Wärmepumpensystem aus Redundanzgründen und/oder zur Unterstützung der Wärmeversorgung mit wenigstens einer Luft-Wasser-Wärmepumpe versehen sein, die beispielsweise zwischen dem Wärmetauscher, der mit dem offenen Gewässer in Wärmeaustausch steht, und dem die einzelnen Gebäude versorgenden Nahwärmenetz vorgesehen ist.
Ein Quartier, insbesondere ein Wohnquartier, aus mehreren Gebäuden weist erfindungsgemäß beispielsweise ein Wärmepumpensystem der oben genannten Art auf. Insbesondere kann ein Quartier aus mehreren Gebäuden, z.B. aus mehreren Wohngebäuden, und einem offenen Gewässer bestehen, wobei in wenigstens einem Gebäude ein Wärmetauscher und/oder eine Wärmepumpe vorgesehen ist, der bzw. die mit einem kalten Nahwärmenetz in Wärmeaustausch steht, das wiederum mit dem offenen Gewässer und dem dieses umgebenden Erdreich in Wärmeaustausch steht.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigen:

1 eine schematische Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Wärmepumpensystem,
2 einen Schnitt durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems,
3 ein Diagramm der Jahresganglinie des Wärmebedarfs und der Gesamttemperatur für den natürlichen Zustand ohne Wärmeentnahme und den gestörten Zustand mit Wärmeentnahme in verschiedenen Entnahmetiefen,
4 ein Diagramm des Ensemblemedians der projizierten Gesamttemperaturen als 1 0-jähriges gleitendes Mittel,
5 schematisch ein Ausführungsbeispiel mit dezentraler Wärmeversorgung, und
6 schematisch ein Ausführungsbeispiel mit zentraler Wärmeversorgung.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems ist in 1 in Draufsicht dargestellt. Das Wärmepumpensystem weist wenigstens ein Gebäude 1, in dem dargestellten Beispiel fünf Gebäude 1, auf, die an oder um ein offenes Gewässer 2, in dem dargestellten Beispiel ein kleiner See, angeordnet sind. Weiter ist durch ein Paar Leitungen ein kaltes Nahwärmenetz 3 schematisch dargestellt, dass in dem das offene Gewässer 2 umgebenden Erdreich 4, beispielsweise in einer Tiefe von 1 bis 2 m, verlegt ist.
Das kalte Nahwärmenetz 3 ist an einen Wärmetauscher 5 angeschlossen, der mit zwei Rohrleitungen 6 verbunden ist, von denen eine mit einem Entnahmebauwerk 7 und die andere mit einem Einleitungsbauwerk 8 verbunden ist. Wie in 1 dargestellt ist, sind das Entnahmebauwerk 7 und das Einleitungsbauwerk 8 voneinander beabstandet in dem offenen Gewässer 2 angeordnet. Alternativ können diese auch wie in 2 gezeigt näher beieinander angeordnet sein. Auch eine Anordnung in unterschiedlicher Höhe innerhalb des offenen Gewässers 2 ist möglich. Grundsätzlich wird es bevorzugt, wenn das Entnahmebauwerk 7 und das Einleitungsbauwerk 8 wenigstens 2 m unter der Wasseroberfläche und wenigstens 1 m über dem Grund des offenen Gewässers 2, beispielsweise in etwa 4 m bis etwa 6 m Tiefe, angeordnet sind. Bei der Entnahme- und Einleitung kann es auch alternativ zu dem offenen System ein geschlossenes System sein, also ein Wärmetauscher mit Solemedium, welches die Energie so bis Wärmetauscher transportiert.
Wie in 2 dargestellt, kann der Wärmetauscher 5 in einer Technikzentrale 9 untergebracht sein, in der auch wenigstens eine dem Wärmetauscher 5 zugeordnete Pumpe 10 angeordnet sein kann, die einen Wasserstrom aus dem offenen Gewässer 2 über das Entnahmebauwerk 7 ansaugt, durch den Wärmetauscher 5 leitet und danach über das Einleitungsbauwerk 8 wieder in das offene Gewässer 2 zurückführt. In der Technikzentrale 9 und/oder in einem oder mehreren der Gebäude 1 kann wenigstens eine weitere Pumpe (nicht dargestellt) vorgesehen sein, um ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Sole, durch das kalte Nahwärmenetz 3 von dem Wärmetauscher 5 zu den Gebäuden 1 und zurück zu fördern. Hierbei steht das Wärmeträgermedium in dem kalten Nahwärmenetz 3 in Wärmeaustausch mit dem Erdreich 4 und kann hierbei erwärmt bzw. abgekühlt werden.
In den Gebäuden 1 ist jeweils eine schematisch angedeutete Wärmepumpe 11 vorgesehen, die einen Verdampfer 12, einen Verdichter 13, einen Verflüssiger 14 und eine Drossel 15 aufweist. Wie in 2 schematisch angedeutet steht dabei der Verdampfer 12 in Wärmeaustausch mit dem kalten Nahwärmenetz 3 und der Verflüssiger 14 steht in Wärmeaustausch mit einem Wärmeverteil- und Speichersystem 16 des Gebäudes 1. Ein in der Wärmepumpe 11 zirkulierendes Wärmeträgermedium mit niedriger Verdampfungstemperatur, beispielsweise Ammoniak, durchläuft in einem geschlossenen Kreislauf nacheinander den Verdampfer 12, den Verdichter 13, den Verflüssiger 14 und die Drossel 15, um dabei das Temperaturniveau des Wärmeträgermediums von der Temperatur in dem kalten Nahwärmenetz 3 auf ein höheres Temperaturniveau anzuheben. Das in der Wärmepumpe 11 zirkulierende Wärmeträgermedium bildet somit einen ersten Wärmeträgerkreislauf, der mit dem Wärmeträgermedium in dem kalten Nahwärmenetz 3, das einen zweiten Wärmeträgerkreislauf bildet, in Wärmeaustausch steht.
Auf einem oder jedem Gebäude 1 kann weiter eine Photovoltaikanlage 17 vorgesehen sein, mit der die für den Betrieb der Wärmepumpe 11 erforderliche elektrische Energie ganz oder teilweise erzeugt werden kann. Der in der Photovoltaikanlage 17 gewonnene Strom kann zudem in ein durch Bezugsziffer 18 angedeutetes öffentliches Stromnetz eingespeist werden und/oder für Verbraucher, beispielsweise zum Aufladen eines Elektrofahrzeugs 19, verwendet werden. In gleicher Weise ist es auch möglich, die für den Betrieb der Wärmepumpe 11 erforderliche elektrische Energie ganz oder teilweise aus dem öffentlichen Stromnetz 18 zu beziehen.
Grundsätzlich ist es auch möglich, auf einem oder jedem Gebäude 1 eine Solarthermieanlage (nicht dargestellt) vorzusehen, die die Wärmeversorgung durch den Betrieb der Wärmepumpe 11 unterstützt oder zeitweise ersetzt.
Nach der Erfindung ist das Wärmepumpensystem derart konzipiert und/oder ausgelegt, dass der Energiebedarf in den Gebäuden 1 zum Heizen und zur Warmwassererzeugung vollständig durch den Betrieb der jeweiligen Wärmepumpe 11 abgedeckt wird, so dass zusätzliche Heizeinrichtungen, die mittels elektrischer Energie oder durch Verbrennung beispielsweise fossiler Brennstoffe Wärme erzeugen, nicht erforderlich sind. Gleichwohl kann es aus Gründen der Ausfallsicherheit sinnvoll sein, eine oder mehrere solcher Zusatzheizungen zentral oder dezentral vorzusehen.
Das erfindungsgemäße Wärmepumpensystem kann zusätzlich auch zur Kühlung der Gebäude 1 einsetzbar sein. Hierzu ist es beispielsweise möglich, das Wärmeverteil- und Speichersystem 16 des jeweiligen Gebäudes 1, insbesondere unter Umgehung der Wärmepumpe 11, mit dem kalten Nahwärmenetz 3 in Wärmeaustausch zu bringen. Das Erdreich 4, das das kalte Nahwärmenetz 3 umgibt sowie das offene Gewässer 2 dienen dabei im Kühlbetrieb als Wärmesenke statt als Wärmequelle im Heizbetrieb. Im Kühlbetrieb kann es vorteilhaft sein, das aus dem offenen Gewässer 2 entnommene Wasser vor der Rückführung zu dem Einleitungsbauwerk 8 und/oder das in dem kalten Nahwärmenetz 3 zirkulierende Wärmeträgermedium zu kühlen. Hierzu kann beispielsweise in der Technikzentrale 9 ein Luftkühler 20 vorgesehen sein.
Das in den 1 und 2 dargestellte Wärmepumpensystem weist zudem wenigstens eine Steuerung (nicht dargestellt) auf, mit der der Betrieb der Pumpe 10, der Wärmepumpe(n) 11 und/oder des Luftkühlers 20 gesteuert und/oder geregelt werden kann. So kann beispielsweise die Leistung der Pumpe 10 erhöht werden, wenn die Wärmepumpe(n) 11 zur Warmwassererzeugung oder zum Beheizen der Gebäude 1 mehr Wärmeenergie erfordern. Umgekehrt kann die Leistung der Pumpe 10 reduziert oder die Pumpe 10 zeitweise abgeschaltet werden, wenn der Energiebedarf der Wärmepumpe(n) 11 aus dem kalten Nahwärmenetz 3 allein durch den Wärmeaustausch mit dem Erdreich 4 gedeckt werden kann. Weiter kann die wenigstens eine Steuerung dazu verwendet werden, die aus dem offenen Gewässer 2 entnommene Wärmemenge bzw. die in dieses abgegebene Wärmemenge zu begrenzen. Beispielsweise ist die wenigstens eine Steuerung dazu eingerichtet, die Leistung der Pumpe 10 derart auf die in dem Wärmetauscher 11 mit dem kalten Nahwärmenetz 3 ausgetauschte Energiemenge anzupassen, dass die maximale Temperaturänderung des offenen Gewässers 2 in einem Radius von über 20 m Entfernung von dem Einleitungsbauwerk 8 ± 2° C, insbesondere für die Wärmeentnahme - 1° C und/oder für die Wärmeeinleitung + 0,5° C, nicht übersteigt.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass offene Gewässer 2 natürliche Wärmespeicher sind, die im Sommerhalbjahr Wärme von der Atmosphäre aufnehmen und im Winter wieder abgeben. Durch den verzögerten Wärmeaustausch reagiert die Wassertemperatur saisonal und im Tagesverlauf gedämpfter auf meteorologische Schwankungen als die stark variierende Umgebungstemperatur. Dabei gilt es den Temperaturstress der aquatischen Lebewesen in dem offenen Gewässer 2 während des Betriebs des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems möglichst gering zu halten.
Die Auswirkungen des Betriebs des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems sind am Beispiel eines kleinen Sees mit einer Wasserfläche von 0,57 ha, einer mittleren Wassertiefe von 4,6 m, einer maximalen Wassertiefe von etwa 9,5 m und einem Seevolumen von etwa 26.500 m³ für ein Wohnquartier mit 47 Einfamilienhäuser, die als Einzel-, Doppel- und Reihenhäuser gestaltet werden, in den 3 und 4 dargestellt. Als Gesamtwärmebedarf wurde für das Wohnquartier 165.850 kWh angenommen, wobei sich bei angenommenen 252 Heiztagen im Jahr eine Laufzeit von 8,8 h pro Heiztag und ein Volumenstrom des entnommenen Seewassers von 0,004 m³/s ergibt. Bei dieser Größe des Sees bewirkt der Wind nur in der obersten Wasserschicht eine ganzjährige Durchmischung. In den unteren Wasserschichten stellt sich dagegen eine stabile Temperaturschichtung ein, die jeweils im Frühjahr und Spätherbst im gesamten Wasservolumen umgewälzt wird. 3 und 4 zeigen, dass eine ausreichende thermische Regeneration des Sees bei Betrieb des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems gegeben ist.
Für diese Untersuchung wird zunächst mit Hilfe der Messdaten und weiteren meteorologischen sowie hydrogeologischen Eingangsdaten ein numerisches Seemodell (GENERAL LAKE MODEL) mit guter Qualität kalibriert, also auf die Ist-Situation eingestellt. Mit dem kalibrierten GENERAL LAKE MODEL werden Wärmebilanzierungen des Sees für den natürlichen Zustand und für den gestörten Zustand mit der geplanten Wärmeentnahme erstellt. Zur Simulation der Wärmeentnahme wird dem modellierten See Wasser in einer Wassertiefe von 4,5 m oder 6,5 m entnommen und anschließend mit einer niedrigeren Temperatur zurückgegeben. Die Ergebnisse sind in dem Diagramm in 3 dargestellt. Je mehr Wärme im Modell vom Seewasser an das kalte Nahwärmenetz 3 abgegeben wird, desto größer ist die Temperaturdifferenz zwischen der Entnahme- und Rückgabetem peratur.
Durch die Wärmeentnahme wird mit dem Modell gegenüber dem Ist-Zustand im Jahresmittel eine Änderung der Gesamttemperatur von etwa -0,7° C prognostiziert, was noch innerhalb der natürlichen Schwankungen liegt. Auch das Durchmischungsverhalten des Wasservolumens wird durch die Wärmeentnahme gemäß den Simulationsergebnissen nicht signifikant beeinflusst, das bedeutet, dass die im Modell ermittelten Änderungen noch innerhalb der Schwankungsbereiche liegen, welche für den Ist-Zustand bekannt sind. In Abhängigkeit der simulierten Entnahmetiefe werden bei der Wärmeentnahme die größten temporären Temperaturänderungen entweder im Herbst mit -1,3° C oder im Sommer mit -1,9° C erwartet. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Art der Wärmeentnahme und die Wahl der Entnahmetiefe die Temperaturänderungen im See nicht signifikant beeinflusst werden.
Für die nahe Zukunft (bis 2050) und die mittlere Zukunft (2041-2070) prognostiziert das Modell für das Seewasser Temperaturzunahmen von 1,1° C ±0,3° C bis 1,5° C ±0,35° C aufgrund zu erwartender Klimaänderungen. Dies ist in 4 dargestellt, wobei der Ensemblemedian der projizierten Gesamttemperaturen als 10-jähriges gleitendes Mittel mit einer Volllinie und ein Vertrauensbereich mit Strichlinien dargestellt sind. Der Vertrauensbereich enthält die Bandbreite der wahrscheinlichen Klimaänderungen und wird von 2/3 der verwendeten Klimaprojektionen abgebildet.
Durch die Wärmeentnahme besteht die Chance, die Klimaänderungen auf den als Beispiel untersuchten See teilweise abzuschwächen und den Temperaturstress der aquatischen Lebewesen zu verringern.
In den 5 und 6 sind weitere Ausführungsbeispiele gezeigt, wobei 5 eine wie zuvor beschrieben dezentrale Wärmeerzeugung mit Wärmepumpen 11 in den einzelnen Gebäuden zeigt, wogegen 6 eine zentrale Wärmeerzeugung mit einer Wärmepumpe 11 zeigt, die zwischen dem Wärmetauscher 5 und dem Nahwärmenetz angeordnet ist, das in dieser Variante ein Niedertemperaturnetz 21 bildet. Mit anderen Worten zirkuliert in dem kalten Nahwärmenetz 3 ein vergleichsweise kühles Wärmeträgermedium, das erst in den Gebäuden 1 mittels der jeweiligen Wärmepumpen 11 auf eine Temperatur von beispielsweise etwa 45° C erwärmt wird, wogegen in dem Niedertemperaturnetz 21 ein vergleichsweise warmes Wärmeträgermedium (beispielsweise etwa 45° C Vorlauftemperatur) zu den Gebäuden 1 geleitet wird. Daher kann das kalte Nahwärmenetz 3 mit dem Erdreich 4 in Wärmeaustausch stehen, wogegen das Niedertemperaturnetz 21 vorzugsweise gegenüber dem Erdreich 4 gedämmt ist.
In dem Wärmepumpensystem kann aus Redundanzgründen und/oder zur Unterstützung der Wärmeversorgung wenigstens eine Luft-Wasser-Wärmepumpe 22 vorgesehen sein. Diese kann beispielsweise zwischen dem Wärmetauscher 5, der mit dem offenen Gewässer 2 in Wärmeaustausch steht, und dem die einzelnen Gebäude versorgenden Nahwärmenetz 3 bzw. 21 vorgesehen ist.
In dem Ausführungsbeispiel der 6 ist eine optionale elektrische Nachheizung 23 für die Warmwasserbereitung dargestellt, die z.B. ganz oder teilweise von der Photovoltaikanlage 17 mit Energie versorgt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Gebäude
2: offenes Gewässer (See)
3: kaltes Nahwärmenetz (zweiter Wärmeträgerkreislauf)
4: Erdreich
5: Wärmetauscher
6: Rohrleitung
7: Entnahmebauwerk
8: Einleitungsbauwerk
9: Technikzentrale
10: Pumpe
11: Wärmepumpe
12: Verdampfer
13: Verdichter
14: Verflüssiger
15: Drossel
16: Wärmeverteil- und Speichersystem
17: Photovoltaikanlage
18: (öffentliches) Stromnetz
19: Elektrofahrzeug
20: Luftkühler
21: Niedertemperaturnetz (zweiter Wärmeträgerkreislauf)
22: Luft-Wasser-Wärmepumpe
23: elektrische Nachheizung für die Warmwasserbereitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2837895 A2 [0002]

Claims

Wärmepumpensystem mit einer ersten Steuerung, wenigstens einem zu klimatisierenden Gebäude (1) mit einem Wärmeverteil- und Speichersystem (16), und wenigstens einer Wärmepumpe (11), die dazu eingerichtet ist, dass ein Wärmeträgermedium in einem ersten Wärmeträgerkreislauf nacheinander einen Verdampfer (12), einen Verdichter (13), einen Verflüssiger (14) und einen Drossel (15) durchströmt, wobei der Verdampfer (12) oder der Verflüssiger (14) zum Wärmeaustausch mit einem zweiten Wärmeträgerkreislauf (3) eingerichtet ist und der Verflüssiger (14) oder der Verdampfer (12) zum Wärmeaustausch mit dem Wärmeverteil- und Speichersystem (16) des jeweiligen Gebäudes (1) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmeträgerkreislauf (3) ein kaltes Nahwärmenetz (3), das mit dem Erdreich (4) außerhalb des jeweiligen Gebäudes (1) in Wärmeaustausch steht, oder ein gegenüber dem Erdreich (4) außerhalb des jeweiligen Gebäudes (1) gedämmtes Niedertemperaturnetz (21) ist, das entweder nur über einen Wärmetauscher (5) oder über einen Wärmetauscher und die Wärmepumpe (11) mit aus einem offenen Gewässer (2) entnommenen Wasserstrom in Wärmeaustausch steht.
Wärmepumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (5) von dem jeweiligen Gebäude (1) entfernt positioniert ist.
Wärmepumpensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wärmetauscher (5) wenigstens eine durch die erste Steuerung ansteuerbare Pumpe (10) zugeordnet ist, die dazu eingerichtet ist, aus dem offenen Gewässer (2) über eine mit einem Entnahmebauwerk (7) verbundene Rohrleitung (6) Wasser zu entnehmen, dieses durch den Wärmetauscher (5) zu fördern und über eine mit einem Einleitungsbauwerk (8) verbundene weitere Rohrleitung (6) in das offene Gewässer (2) beabstandet zum Entnahmebauwerk (7) abzugeben.
Wärmepumpensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Entnahmebauwerk (7) und das Einleitungsbauwerk (8) voneinander beabstandet unter der Wasseroberfläche des offenen Gewässers (2) angeordnet sind.
Wärmepumpensystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Steuerung dazu eingerichtet ist, die Leistung der Pumpe (10) derart auf die in dem Wärmetauscher (5) mit dem kalten Nahwärmenetz (3) oder dem Niedertemperaturnetz (21) ausgetauschte Energiemenge anzupassen, dass die maximale Temperaturänderung des offenen Gewässers (2) in einem von dem Einleitungsbauwerk (8) mindestens 20 m entfernten Bereich des offenen Gewässers (2) ± 2° C, insbesondere für die Wärmeentnahme - 1° C und/oder für die Wärmeeinleitung + 0,5° C, nicht übersteigt.
Wärmepumpensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine zu klimatisierende Gebäude (1) eine Photovoltaikanlage (17) aufweist.
Wärmepumpensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Gebäude (1) jeweils eine eigene Wärmepumpe (11) aufweisen, deren Verdampfer (12) mit dem gemeinsamen kalten Nahwärmenetz (3) in Wärmeaustausch stehen.
Wärmepumpensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Gebäude (1) jeweils eine zweite Steuerung zur Ansteuerung der Wärmepumpe (11) des jeweiligen Gebäudes (1) aufweist.
Wärmepumpensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Steuerung mit den zweiten Steuerungen verbunden ist.
Wärmepumpensystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaikanlage (17) direkt oder indirekt über einen Energiespeicher mit der Wärmepumpe (11) des jeweiligen Gebäudes (1) verbunden ist.
Wärmepumpensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wärmetauscher (5) und dem Niedertemperaturnetz (21) eine jeweils mehreren Gebäuden (1) gemeinsam zugeordnete Wärmepumpe (11) vorgesehen ist, deren Verdampfer (12) mit dem Wärmetauscher (5) und deren Verflüssiger (14) mit dem Niedertemperaturnetz (21) in Wärmeaustausch steht.
Wärmepumpensystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Gebäude (1) eine elektrische Nachheizung (23) für die Warmwasserbereitung zugeordnet ist.
Wärmepumpensystem nach Anspruch 6 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaikanlage (17) direkt oder indirekt über einen Energiespeicher mit der elektrischen Nachheizung (23) des jeweiligen Gebäudes (1) verbunden ist.
Wärmepumpensystem nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaikanlage (17) und/oder die Wärmepumpe (11) mit einem öffentlichen Stromnetz (18) verbunden ist.
Wärmepumpensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (5) mit einem Kühler, beispielsweise einem Luftkühler (20), in Wärmeaustausch steht.
Wärmepumpensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeverteil- und Speichersystem (16) des jeweiligen Gebäudes (1) oder ein in dem jeweiligen Gebäude (1) vorgesehenes zusätzliches Kälteverteil- und Speichersystem mit dem kalten Nahwärmenetz (3) oder dem Niedertemperaturnetz (21) in Wärmeaustausch steht.
Wärmepumpensystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeverteil- und Speichersystem (16) oder das Kälteverteil- und Speichersystem über wenigstens einen die Wärmepumpe (11) umgehenden Wärmetauscher mit dem kalten Nahwärmenetz (3) oder dem Niedertemperaturnetz (21) in Wärmeaustausch steht.
Wärmepumpensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Luft-Wasser-Wärmepumpe (22) vorgesehen ist, die dem Wärmetauscher (5) nachgeschaltet und dem kalten Nahwärmenetz (3) oder dem Niedertemperaturnetz (21) vorgeschaltet ist.
Quartier aus mehreren Gebäuden (1), insbesondere aus mehreren Wohngebäuden, und einem offenen Gewässer (2), wobei in wenigstens einem Gebäude ein Wärmetauscher und/oder eine Wärmepumpe (11) vorgesehen ist, der bzw. die mit einem kalten Nahwärmenetz (3) oder dem Niedertemperaturnetz (21) in Wärmeaustausch steht, das wiederum mit dem offenen Gewässer (2) und optional dem dieses umgebenden Erdreich (4) in Wärmeaustausch steht.