DE10253650B3

DE10253650B3 - Verfahren zur Pufferung von Wärmepumpenleistung in einem Trinkwasserspeicher und Anlage zu dessen Durchführung

Info

Publication number: DE10253650B3
Application number: DE2002153650
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. Hafner; Reinhard Osterloh; Holger Bode
Original assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2002-11-16
Filing date: 2002-11-16
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2022-11-17

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Pufferung von Wärmepumpenleistung in einem Trinkwasserspeicher (1), wobei die Wärmepumpe (2) über ein Dreiwegeventil (3) mit einem ersten (4) und einem zweiten Wärmetauscher (5) verschaltet ist und mit dem unten im Trinkwasserspeicher (1) angeordneten Wärmetauscher (5) Wärme in den Trinkwasserspeicher (1) eingetragen wird und die Rückläufe beider Wärmetauscher (4, 5) der Wärmepumpe (2) wieder zugeführt werden. Nach der Erfindung wird dabei so vorgegangen, daß während der Wärmeabgabe am ersten Wärmetauscher (4) die Vorlauftemperatur des von der Wärmepumpe (2) kommenden Wärmeträgermediums im Vorlaufstrang (6) des ersten Wärmetauschers (4) durch Mischung der Rückläufe beider Wärmetauscher (4, 5) abgesenkt und der Absenksollwert durch thermosensorgesteuerte Einstellung des Dreiwegeventils (3) konstant gehalten und die Überschußleistung der Wärmepumpe (2) via zweitem Wärmetauscher (5) auf den Trinkwasserspeicher (1) gegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Pufferung von Wärmepumpenleistung in einem Trinkwasserspeicher, wobei die Wärmepumpe über ein Dreiwegeventil mit einem ersten, zu einem Heizkreis gehörenden und einem zweiten Wärmetauscher verschaltet ist und mit dem unten im Trinkwasserspeicher angeordneten zweiten Wärmetauscher Wärme in den Trinkwasserspeicher eingetragen wird und die Rückläufe der Wärmepumpe wieder zugeführt werden. Die Erfindung betrifft außerdem eine wärmetechnische Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

Wärmepumpen werden in der Regel mit nur einer Leistungsstufe gefahren, da eine mehrere Leistungsstufen zulassende Drehzahlregelung für den Antrieb einer Wärmepumpe kostenträchtig ist. Um allen Anforderungen zu genügen, wird dabei die Leistungsstufe der Wärmepumpe relativ hoch angesetzt, wobei man je nach Gestaltung der zur Pumpe gehörenden wärmetechnischen Anlage ein mehr oder weniger häufiges Takten der Wärmepumpe in Kauf nehmen muß. Um dieses Takten bei Anlagen zu reduzieren, bei denen der eine zu einem Heizkreis gehörende Wärmetauscher also bspw. ein Luftheizregister oder ein kleinvolumiger Anlagenteil ist, also auf dieser Seite nur eine geringe Wärmespeicherkapazität zur Verfügung steht, begegnet man dem für die Lebensdauer des Wärmepumpenantriebes (Verdichter mit Motor) nachteiligen Taktproblem dadurch, daß man dem ersten zu einem Heizkreis gehörenden Wärmetauscher eine ausreichend große Kapazität bspw. in Form eines Pufferspeichers mit etwa dem gleichen Volumen, wie es ein üblicher Trinkwasserspeicher hat, zur Verfügung stellt. Ein solcher zusätzlicher Pufferspeicher, der im übrigen ohne besonderen Wärmetauscher auch unmittelbar selbst das Wärmeträgermedium führen kann, stellt natürlich ebenfalls einen beträchtlichen Aufwand dar.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, diesen im Interesse einer Taktzahlreduzierung an der Wärmepumpe bislang betriebenen Aufwand eines für eine ausreichende Kapazität sorgenden besonderen Pufferspeichers zu vermeiden und dabei den Wirkungsgrad der Wärmepumpe zu verbessern.

Diese Aufgabe ist mit einem Verfahren der eingangsgenannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß während der Wärmeabgabe am ersten, zu einem Heizkreis gehörenden Wärmetauscher die Vorlauftemperatur des von der Wärmepumpe kommenden Wärmeträgermediums im Zulaufstrang des ersten Wärmetauschers durch Mischung mit dem Rücklauf des zum Trinkwasserspeicher gehörenden Wärmetauschers abgesenkt und der Absenkwert durch thermosensorgesteuerte Einstellung des Dreiwegeventiles konstant gehalten und die Überschußleistung der Wärmepumpe via zweitem Wärmetauscher auf den Trinkwasserspeicher gegeben wird.

Durch den Vergleich der Vorlauf- oder der Rücklauftemperatur mit der Solltemperatur ermittelt ein Regler das Stellsignal für das Dreiwegeventil. Der konstant zu haltende Sollwert wird dabei zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Wärmepumpe auf einem möglichst niedrigen Wert (bspw. 35°C) gehalten.

Diese Konstanthaltung auf eine in Bezug auf die bisher übliche Vorlauftemperatur abgesenkte Temperatur bedeutet aber nichts anderes als eine Abzweigung eines Teiles der eigentlichen Wärmepumpenleistung in den Trinkwasserspeicher, der hierbei also gleichzeitig die Funktion eines Pufferspeicher mit übernimmt und dadurch vorteilhaft einen zusätzlichen Pufferspeicher entbehrlich macht. Die auch den Wirkungsgrad der Wärmepumpe verbessernde Absenkung der Vorlauftemperatur kann deshalb in Betracht gezogen werden, weil eine hohe Vorlauftemperatur in Verbindung mit einer hohen Leistung der Wärmepumpe nur äußerst selten benötigt wird. Die Wärmepumpe schaltet erst dann ab, wenn durch die Mischung der Rückläufe aus den beiden Wärme tauschern am Vorlauf der Wärmepumpe eine Temperatur über dem vorgegebenen Sollwert auftritt, d.h., wenn die Aufnahmekapazität des Trinkwasserspeichers erschöpft ist. Anschließend bleibt die Heizkreispumpe weiter in Betrieb und entnimmt die vom Heizkreis benötigte Leistung aus dem Trinkwasserspeicher, wobei auch hier durch die Einstellung des Dreiwegevcentils die Vorlauftemperatur konstant gehalten wird.

Vorteilhaft wird die Temperatur des Trinkwasserspeichers auf eine Minimaltemperatur begrenzt. Ist diese erreicht oder der Sollwert der Vorlauftemperatur wird hysteresebedingt unterschritten, schaltet sich die Wärmepumpe wieder zu.

Die Anlage zur Durchführung des Verfahrens, und zwar bestehend aus einer mit zwei Wärmetauschern via Dreiwegeventil in Verbindung stehenden Wärmepumpe mit einer dieser zugeschalteten Umwälzpumpe, von denen der eine Wärmetauscher im unteren Bereich eines Trinkwasserspeichers angeordnet und der Wärmetauscher Teil eines Heizkreises ist, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß die beiden Wärmetauscher durch Verbindungsstränge parallel geschaltet und dabei der Vorlaufstrang der Wärmepumpe und das Dreiwegeventil am einen oder anderen Verbindungsstrang der beiden Wärmetauscher angeschlossen sind und daß im Zulaufstrang zum zu einem Heizkreis gehörenden Wärmetauscher ein Thermosensor angeordnet und dieser mit dem Stellglied des Dreiwegeventils verschaltet ist.

Was dabei die der Wärmepumpe zugeschaltete Umwälzpumpe betrifft, so kann diese im Vorlaufstrang der Wärmepumpe oder im Rücklaufstrang zur Wärmepumpe angeordnet sein.

Durch die Ausnutzung des Trinkwasserspeichers auch als Puffer ist die Anlage besonders geeignet für Kompaktheizgeräte genutzt zu werden, egal ob diese mit einem Heizkreis verschaltet sind, der erste Wärmetauscher Teil eines Zuluftheizregisters ist oder die Wärmepumpe als Abluftwärmepumpe als Teil einer zentralen Lüftungsanlage in Kombination mit einem Zuluftheizregister betrieben wird.

Nach der DE 41 03 647 A1 ist zwar ein Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage bekannt, bei dem überschüssige Wärme einem Brauchwasserspeicher zugeführt wird. Bei der Wärmequelle handelt es sich jedoch nicht um eine Wärmepumpe sondern um eine brennerbetriebene und außerdem liegt kein zeitgleicher Betrieb vor, sondern Heizkreis und Trinkwasserkreis werden in Folge betrieben, und es liegt auch keine Regelung auf Solltemperatur vor.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die zu dessen Durchführung bestimmte Anlage werden nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispieles der Anlage näher erläutert.
Es zeigt
1 das Schaltschema der Anlage;
2 das gleiche Schema bei Aufteilung der Wärmepumleistung auf den Lufterhitzer und den Trinkwasserspeicher;
3 das Schaltschema gemäß 1 aber mit alternativer Anordnung des Dreiwegeventils und
4 schematisch das Schaltschema gemäß 1, 2 in Ausbildung eines Kompaktheizgerätes.
Gemäß Darstellung des Ausführungsbeispieles besteht die Anlage nach wie vor aus einer mit zwei Wärmetauschern 4, 5 via Dreiwegeventil 3 in Verbindung stehenden Wärmepumpe 2. Die beiden Wärmetauscher 4, 5, von denen einer, d.h., der zweite den Wärmetauscher 5 des Trinkwasserspeichers 1 bildet und der erste WT 4 den Heizkreis symbolisiert, sind, wie dargestellt, im Verbund, d.h., durch Verbindungsstränge 8, 8' parallel geschaltet, und der pumpenbestückte Vorlaufstrang 6 der Wärmepumpe 2 und das Dreiwegeventil 3 sind jeweils am anderen Verbindungsstrang 8, 8' der beiden Wärmetauscher 4, 5 angeschlossen (hierzu siehe 1 und 3). Im Zulauflaufstrang 6' zum Wärmetauscher 4 des Luftheizregisters 7 ist ein Thermosensor 9 angeordnet, der über eine entsprechende Regelung 11 mit dem Stellglied 10 des Dreiwegeventils 3 verschaltet ist.
Im der 1 entsprechenden Schaltschema gemäß 2 ist strichpunktiert die Strömung des Wärmeträgermediums bei Aufteilung der Leistung einer bspw. 6 KW Wärmepumpe auf beide Wärmetauscher 4,5 verdeutlicht. Bei entsprechender und gängiger Auslegung der beteiligten Anlagekomponenten führt dies zu einem der Wärmepumpe 2 zuströmenden und an der bspw. als T-Stück ausgebildeten Mischstelle 12 im Strang 8' gemischten, gestrichelt dargestellten Rücklauf in der Rücklaufleitung 6'' mit einer Mischtemperatur in der Größenordnung von 35°C, die dann in der Wärmepumpe 2 auf 40°C hochgepumpt wird.
Diese abgesenkte Vorlauftemperatur wird mittels des Sensors 9 via Regelung 11 und Stellglied 10 des Dreiwegeventiles 3 konstant gehalten, d.h., bei detektiertem Temperaturabfall wird das Dreiwegeventil so verstellt, daß dem Wärmetauscher 4 mehr Leistung zugeführt wird. Besteht keine Wärmeanforderung am Lufterhitzer 7 (Heizkreis) durch dessen Abschaltung, so wird die gesamte Leistung der Wärmepumpe an den Wärmetauscher 5 abgegeben und der Trinkwasserspeicher 1 aufgeladen, und zwar solange bis dessen Aufnahmekapazität erschöpft bzw. solange bis sich wieder eine Wärmeanforderung am Zulufterhitzer 7 einstellt.
Zur Verdeutlichung der apparativen Maßgabe, daß das Dreiwegeventil 3 und der Vorlaufstrang 6 der Wärmepumpe 2 am jeweils anderen Verbindungsstrang 8, 8' anzuordnen ist, wird auf 3 verwiesen, die eine entsprechende Alternative zur Schaltung gemäß 2 zeigt, wobei hier die Umwälzpumpe 13, wie dargestellt, im Rücklaufstrang zur Wärmepumpe 2 sitzt.
In 4 ist schließlich schematisch dargestellt die Dank der Ausnutzung des Trinkwasserspeichers 1 als Pufferspeicher ermöglichte Umsetzung einer solchen Anlage zu einem Kompaktheizgerät, bei dem auf engsten Raum innerhalb eines spintartigen Umschließungsgeäuses UG bis auf den Speicherwärmetauscher 5 alle beschriebenen Komponenten über dem Speicher 1 angeordnet sind.

Claims

Verfahren zur Pufferung von Wärmepumpenleistung in einem Trinkwasserspeicher (1), wobei die Wärmepumpe (2) über ein Dreiwegeventil (3) mit einem ersten (4) und einem zweiten Wärmetauscher (5) verschaltet ist und mit dem unten im Trinkwasserspeicher (1) angeordneten Wärmetauscher (5) Wärme in den Trinkwasserspeicher (1) eingetragen wird und die Rückläufe beider Wärmetauscher (4, 5) der Wärmepumpe (2) wieder zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß während der Wärmeabgabe am ersten Wärmetauscher (4) die Vorlauftemperatur des von der Wärmepumpe (2) kommenden Wärmeträgermediums im Vorlaufstrang (6) des ersten Wärmetauschers (4) durch Mischung der Rückläufe beider Wärmetauscher (4,5) abgesenkt und der Absenkwert durch thermosensorgesteuerte Einstellung des Dreiwegeventiles (3) konstant gehalten und die Überschußleistung der Wärmepumpe (2) via zweitem Wärmetauscher (5) auf den Trinkwasserspeicher (1) gegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der konstant zu haltende Absenkwert zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Wärmepumpe auf einem niedrigen Wert gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der konstant zu haltende Absenkwert auf 35°C gehalten wird.
Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer mit zwei Wärmetauschern (4, 5) via Dreiwegeventil (3) in Verbindung stehenden Wärmepumpe (2) mit einer dieser zugeschalteten Umwälzpumpe (13), von denen der eine Wärmetauscher (5) im unteren Bereich eines Trinkwasserspeichers (1) angeordnet und der Wärmetauscher (4) Teil eines Heizkreises ist, dadurch gekennzeichnet daß die beiden Wärmetauscher (4, 5) durch Verbindungsstränge (8, 8') parallel geschaltet und dabei der Vorlaufstrang (6) der Wärmepumpe (2) und das Dreiwegeventil (3) am einen oder anderen Verbindungsstrang (8, 8') der beiden Wärmetauscher (4, 5) angeschlossen sind und daß im Zulaufstrang (6') zum zu einem Heizkreis gehörenden Wärmetauscher (4) ein Thermosensor (9) angeordnet und dieser mit dem Stellglied (10) des Dreiwegeventils (3) verschaltet ist.
Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung des Dreiwegeventils (3) im Verbindungsstrang (8) die Umwälzpumpe (13) im Vorlaufstrang (6) der Wärmepumpe angeordnet ist.
Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung des Dreiwegeventils (3) im anderen Verbindungsstrang (8') die Umwälzpumpe (13) im Rücklaufstrang (6'') zur Wärmepumpe (2) angeordnet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bis auf den Wärmetauscher (5) von den anderen Anlagekomponenten mindestens die Wärmepumpe (2) und der Wärmetauscher (4) über dem Trinkwasserspeicher (1) angeordnet sind.