DE10300427B4

DE10300427B4 - Solarsystem mit Wärmepumpe

Info

Publication number: DE10300427B4
Application number: DE10300427A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Leibfried; Siegfried Delzer
Original assignee: CONSOLAR SOLARE ENERGIESYSTEME; CONSOLAR SOLARE ENERGIESYSTEME GmbH
Current assignee: CONSOLAR SOLARE ENERGIESYSTEME GMBH, 60489 FRANKFU
Priority date: 2003-01-09
Filing date: 2003-01-09
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2023-01-10
Also published as: DE10300427A1

Abstract

Solaranlage mit Wärmepumpe, bestehend aus mindestens einem Sonnenkollektor (5) und einer Wärmepumpe (6), wobei das in dem Sonnenkollektor (5) erwärmte Medium einen Wärmetauscher (4) zur Erwärmung des Heizkreises (2) durchströmt oder über einen zweiten Leitungsstrang durch den Verdampfer (7a) der Wärmepumpe geleitet wird, wobei die Umschaltung zwischen den beiden Strängen durch das Umschaltventil (8) oder durch zwei in beiden Strängen montierte Pumpen erfolgen kann, dadurch gekennzeichnet, dass Solarwärme für den Heizkreis (2) zwischengespeichert werden kann in einem Wärmespeicher (1) für die Wärme- und Warmwasserversorgung eines Hauses, weiterhin dadurch, dass der Innenraum des Sonnenkollektors (5) mit der Außenluft verbindbar ist, um dieser Wärme zu entziehen, und dass das Medium, das durch den Verdampfer (7a) der Wärmepumpe (6) geleitet wird, einen mit Wasser bzw. Eis gefüllten Speicher (7) durchströmt, wodurch in Perioden mit geringem Wärmeangebot die durch den Phasenwechsel frei werdende Latentwärme nutzbar wird, und dass das Medium optional weiteren Wärmequellen wie...

Description

Die Erfindung betrifft Solaranlagen zur Bereitstellung von Warmwasser und Heizenergie.

Solaranlagen zur kombinierten solaren Warmwassererwärmung und Heizungsunterstützung sind Stand der Technik. Hierfür werden heutzutage meist sogenannte Kombispeicher eingesetzt. Kombispeicher sind mit Heizungswasser gefüllte Pufferspeicher, innerhalb derer ein Wärmetauscher oder ein weiterer Behälter für die Warmwassererwärmung angebracht sind. Die Solaranlage erwärmt über einen im unteren Bereich des Speichers angebrachten Wärmetauscher das Pufferwasser. Mit diesen Anlagen werden typisch Energieeinsparungen von ca. 25% erreicht. Der Großteil der Energieversorgung wird nach wie vor in der Regel durch Öl- oder Gaskessel bereitgestellt.

Eine andere Technik zur Einsparung fossiler Energieträger sind Wärmepumpen. Wärmepumpen nutzen Umweltwärme bei niedrigen Temperaturen, insbesondere aus dem Erdreich, um sie mithilfe eines thermodynamischen Kreisprozesses auf ein für Heizzwecke nutzbares Temperaturniveau anzuheben. Hierfür wird zusätzlich eine höherwertige Energieform, i. d. R. elektrischer Strom, eingesetzt. Mit Wärmepumpen werden heutzutage Jahresarbeitszahlen von ca. 4 erreicht. Das heißt, mit einer kWh Strom werden 4 kWh Heizwärme bereitgestellt. Im Vergleich zur Heizung mit einem Öl- oder Gaskessel mit einem Jahreswirkungsgrad von 90% spart man damit unter Berücksichtigung eines Kraftwerkswirkungsgrades von 1/3 für die Stromerzeugung 1 – 3/(4/0,9) = 32,5 Primärenergie ein. Allerdings wird die Jahreszahl 4 in der Praxis oft nicht erreicht. Die Nutzung von Erdwärme über Erdsonden oder Erdkollektoren ist oftmals nicht möglich oder wird aufgrund der hohen Kosten nicht realisiert. Wesentlich kostengünstiger sind Luft-Wasser-Wärmepumpen, die die Außenluft als Wärmequelle nutzen. Allerdings ist an den kältesten Tagen im Winter, wenn der Heizbedarf am größten ist, der Stromverbrauch der WP sehr groß, da die Leistungszahl bei tiefen Temperaturen stark sinkt.

Oft wird sowohl von Solartechnikern als auch bei Verfretern der Wärmepumpentechnik eine Kombination der beiden Techniken abgelehnt: Solartechniker verweisen auf Wärmepumpenanlagen mit einer Jahresarbeitszahl kleiner 3, wodurch unter Berücksichtigung des Kraftwerkswirkungsgrades effektiv keine Primärenergieeinsparung erfolgt. Wärmepumpenhersteller dagegen lehnen mit Wärmepumpen gekoppelte Solaranlagen ab, weil hierdurch die Rücklauftemperatur der Wärmepumpe steigt und die Arbeitszahl sinkt.

Eine dritte praktizierte Form der Energieeinsparung ist die drastische Reduzierung der Wärmeverluste durch Lüftung: Stand der Technik sind Wärmerückgewinnungsgeräte, über die Wärme der verbrauchten Abluft an die Frischluft abgegeben wird. Dabei sind Wärmerückgewinnungsgrade über 90% möglich. Eine andere praktizierte Möglichkeit ist, der Abluft über eine Wärmepumpe die Wärme zu entziehen und damit z. B. einen Warmwasserspeicher zu beheizen.

Folgende Kombinationen aus Solaranlage und Wärmepumpe, bei der sich beide Techniken gut ergänzen sind bekannt: Es gibt z. B. Anlagen, bei denen im Sommer die Überschusswärme der Solaranlage in den Erdreichwärmetauscher der Wärmepumpe geleitet wird. Dadurch wird die winterliche Auskühlung des Erdreichs schneller regeneriert und die möglichen Kältekreistemperaturen der Wärmepumpe steigen. Nachteilhaft hierbei ist der hohe Aufwand: es werden sowohl eine Erdsonde bzw. Erdreichkollektor als auch Sonnenkollektoren benötigt. Nachteilhaft ist auch die geringe Effizienz bei der Zwischenspeicherung: Zunächst gibt es einen Temperaturabfall bei der Wärmeübertragung vom Solarkreis in die Erde, dann gibt es dort eine Wärmediffusion und schließlich nochmals einen Temperaturabfall von der Erde zum Solekreis der Wärmepumpe.

Außerdem gibt es Konzepte, bei denen die Wärmepumpe die Wärme einem Wasserspeicher entzieht, der durch die Solaranlage aufgeheizt wird. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Solaranlage gesteigert, weil sie durch den gekühlten Speicher immer bei tiefen Temperaturen und hohem Wirkungsgrad arbeiten kann. Der Nachteil dieser Kombination ist auch hier der Temperaturabfall bei dem zweifachen Wärmeübergang (Solarkreis – Speichermedium – Sole- oder Verdampferkreis der Wärmepumpe). Auch ist die Abkühlung des Speichers begrenzt auf etwas über 0 °C. Damit liegen auch die Temperaturen des Solarkreises immer über 5-10 °C.

Bekannt sind auch Wärmepumpen, bei denen der Solekreis durch Solarabsorber gepumpt wird. Die Solarabsorber sind in der Regel schwarze Kunststoffmatten- oder Rohrregister ohne Glasabdeckung. Dadurch wird bei Sonnenschein die Sole durch die absorbierte Strahlung erwärmt, bei Nichtsonnenschein kann der Absorber der Umgebungsluft Wärme entziehen. Der Nachteil dieser Systeme ist, dass der Wirkungsgrad dieser Absorber recht schlecht ist, so dass eine Wärmeversorgung ohne Wärmepumpe i. d. R. nicht möglich ist. Der Solekreis wird immer durch die Wärmepumpe gepumpt, die das ganze Jahr über betrieben werden muss.

In der DE 101 18 572 A1 wird eine Solaranlage mit Wärmepumpe beschrieben, bei der das im Sonnenkollektor erwärmte Medium wahlweise über einen Wärmeübertrager den Heizkreis direkt erwärmen kann oder einen Speicher zur Wassererwärmung oder durch den Verdampfer der Wärmepumpe geleitet werden. Ein Speicher, der ggf. mit Latentspeichermaterial gefüllt ist, ist der Wärmepumpe nachgeschaltet. In einer Variante kann parallel zum Medium des Solarkreises der Verdampfer der Wärmepumpe über einen Lüfter direkt mit Luftwärme versorgt werden.

Die beschriebene Anordnung hat folgende Nachteile:
Der Latentspeicher wird erst, nachdem die Sole die Wärmepumpe durchströmt hat, durchlaufen. Hierdurch werden schnelle Temperaturwechsel, die in dem Kollektor auftreten können, nicht abgepuffert, und die Wärmepumpe kann vermehrt ab- und anschalten, was für einen effizienten Betrieb schädlich ist.

Der optionale Wärmeentzug aus der Luft über einen Lüfter direkt am Verdampfer hat den Nachteil, dass der Aufstellungsort der Lüftereinheit für die Außenluftzufuhr direkt an den Aufstellungsort der Wärmepumpe gebunden ist, oder großvolumige, schwer zu installierende Zu- und Abluftleitungen erforderlich sind. Hinzu kommt, dass die Regelung der beiden unterschiedlichen Wärmequellen (Sonnenkollektor und Luft-Verdampfer) schwierig und aufwändig ist.

Von Nachteil ist auch, dass es keinen Wärmespeicher für die Heizung gibt. Eine direkte Speicherung von Solarwärme zur Heizung ohne Wärmepumpe (z. B. nachts) ist mit dem System nicht möglich. Dies führt zu einer deutlich geringeren Solarnutzung und Energieeinsparung als optimal möglich wäre.

In der DE 101 02 041 A1 wird eine andere Kombination von Solaranlage und Wärmepumpe beschrieben, die mit einer Erdsonde kombiniert ist. Nachteil dieser Anordnung ist die Notwendigkeit sowohl aufwändiger Erdsonden als auch der Solaranlage, also der Installation zweier Systeme.

In der DE 100 08 404 A1 wird eine Solaranlage mit Wärmepumpe und großem Speicher zur heterogenen Verdampfung beschrieben. Die Kollektor-Abdeckung ist mit PV-Zellen zur parallelen Stromerzeugung belegt. Dies ist ungünstig, da hierdurch nur ein Teil der Strahlung durch die Abdeckung tritt und das Medium, das durch den Absorber strömt, erwärmt. Die Abwärme der PV-Zellen wird zu mehr als die Hälfte an die Umgebung abgegeben und ist damit verloren.

Die DE 100 04 180 A1 zeigt eine „Wärmetauscherzelle", in der Flüssigkeit sowohl durch Solarstrahlung als auch durch Luft aufgeheizt werden kann. Die Wärmetauscherzelle dient zur Wärmeversorgung der Verdampferseite einer Wärmepumpe (vergl. Spalte 1, Zeile 1 ff). Die direkte Raumheizung über Solarstrahlung kann über in den Wärmetauscherzellen erwärmte Luft erfolgen. Für den Fall ungenügender Wärmeversorgung der Wärmepumpe über die Wärmetauscherzellen ist ein Erdwärmespeicher vorgesehen.

Nachteilhaft ist auch hier, dass das System zweifachen Aufwand verursacht: erstens für die Solaranlage, zweitens für den Erdwärmespeicher. Es wird auch eine Anlagenvariante beschrieben, bei der durch Abluftkühlung in kalten Winternächten die Wärmepumpe soweit versorgt werden soll, dass auf einen Erdwärmespeicher verzichtet werden kann: Diese Art der Wärmeversorgung ist jedoch nur bei sehr gut isolierten Häusern, z. B. so genannten Passivhäusern möglich, und damit in der Anwendung sehr beschränkt.

Außerdem erfordert das System in allen Varianten eine Lüftungsanlage mit den entsprechenden großvolumigen Lüftungsrohren im Haus. Nur mit dieser Lüftungsanlage ist die direkte Raumheizung mit Solarenergie und ohne Wärmepumpe möglich. Damit ist die Anwendung des Systems aber wesentlich begrenzt: die Luftheizung und Abluftwärmerückgewinnung erfordert eine speziell dafür installierte Gebäudetechnik, nur sehr gut gedämmt Häuser können damit versorgt werden, und der Erdwärmespeicher erfordert aufwändige Erdarbeiten, die nicht überall möglich sind.

Von Nachteil ist auch hier, dass es keinen Wärmespeicher für die Heizung gibt, nur einen Warmwasserspeicher. Eine direkte Speicherung von Solarwärme zur Heizung ohne Wärmepumpe ist mit dem System nicht möglich. Dies führt zu einer deutlich geringeren Solarnutzung und Energieeinsparung als optimal möglich wäre.

Aufgabenstellung der Erfindung ist eine Anlage, bei der die Energieeinsparung wesentlich größer ist als bei Solaranlagen zur Heizungsunterstützung oder Wärmepumpenanlagen alleine. Auf den Einsatz der fossilen Energieträger Öl oder Gas soll verzichtet werden, aufgrund der bekannten begrenzten Verfügbarkeit und negativen Auswirkungen auf das Klima. Die zur thermisch genutzten Sonnenenergie in geringem Maße zusätzlich nötige Energie soll in sehr effizienter Weise über elektrischen Strom bereit gestellt werden. Dadurch besteht das Potential, bei Erzeugung dieser Energiemenge über regenerative Energieträger, eine vollständig CO₂ neutrale Energieversorgung nutzen zu können. Die Anlage soll ohne Erdsonden oder Erdkollektoren betrieben werden können, um in breitem Umfang und zu günstigen Kosten eingesetzt werden zu können.

Die Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß folgendermaßen gelöst:
In dem System werden eine Solaranlage sowie eine Wärmepumpe so kombiniert, dass beide Komponenten besonders effizient betrieben werden:
Die Erträge eines Sonnenkollktors werden umso höher, je tiefer die mittlere Temperatur des Solarkreises ist, da die thermischen Verluste des Kollektors sinken. Entspricht die mittlere Absorbertemperatur des Kollektors der Umgebungstemperatur, so entstehen nur noch optische Verluste, d. h., der Kollektor hat einen Wirkungsgrad von ca. 80% und mehr. Wird ein Sonnenkollektor z. B. bei 10 °C betrieben, steigt in Südbaden der Ertrag im Januar gegenüber einer mittleren Absorbertemperatur von 50 °C um ca. 90%.

Daher sieht das System vor, dass im Winter der Solarkreis (Wasser mit Frostschutzmittel) direkt durch den Verdampfer der Wärmepumpe geleitet wird, so dass die vom Kollektor aufgefangene Wärme bei tiefen Temperaturen und maximalem Wirkungsgrad genutzt wird.

Umgekehrt können mit Kollektoren wesentlich höhere Vorlauftemperaturen erreicht werden als bei Nutzung der Umgebungswärme, was bessere Leistungszahlen zur Folge hat. Sobald die Einstrahlung und damit der Energieertrag der Kollektoren groß genug ist, um die Wärmeversorgung ganz ohne Wärmepumpe zu sichern, wird der Solarkreis wie bei einer herkömmlichen Solaranlage durch den Speicher geleitet.

Rechnungen zeigen, dass bei dieser Verschaltung trotz der hohen Effizienz vergleichsweise große Kollektorflächen nötig sind, um den kompletten Wärmebedarf im Winter zu decken. Daher sieht die Erfindung die kombinierte Nutzung der in Luft gespeicherten Umgebungswärme vor. In der Regel scheint bei sehr tiefen Temperaturen die Sonne und der Energieertrag der Sonnenkollektoren ist gut. Bei bedecktem Himmel dagegen sind i. d. R. auch die Lufttemperaturen nicht sehr tief, so dass die Wärmepumpe bei Wärmeentzug aus der Luft mit guten Leistungszahlen laufen kann.

Die Wärme der beiden Quellen (Solarstrahlung und Luft) soll durch das gleiche Medium zum Verdampfer der Wärmepumpe gebracht werden. Optional sollen an diesen Kreis weitere Wärmequellen, wie Abluft-Wärmerückgewinnung oder Abwasser-Wärmerückgewinnung angeschlossen werden können. Dadurch ist die flexible Nutzung der Quellen mit den jeweils höchsten Temperaturen möglich.

Diese Verschaltung von Solarkreis und Wärmepumpe bringt folgende Vorteile:

• Die Kollektoren können im Vergleich zu den oben beschriebenen bekannten Konzepten mit tiefstmöglichen Solarkreistemperaturen (bis < 0 °C) betrieben werden.
• Die im Kollektor entstehenden Solarkreistemperaturen kommen der Wärmepumpe direkt zu Gute, ohne zusätzlichen Wärmeübergang. Sobald die Sonne scheint, werden höhere Temperaturen erreicht, als der Wärmepumpe bei reiner Nutzung der Umgebungswärme zur Verfügung stünden.
• Grundsätzlich hat man mehr Energiegewinne, wenn der Kollektorkreis möglichst kalt ist und der Speicher warm. Die Speicherverluste kommen dem Haus zu Gute. Ist der Speicher kalt und der Solarkreis wärmer (siehe oben beschriebenes Konzept), wärmt sich der Speicher durch Wärmeentzug aus dem Haus auf, während der Kollektor mehr Verluste hat.
• Das Wärmeangebot von Solarstrahlung und Luftwärme ergänzen sich gut.
• Der Solarkreis (mit Frostschutzmittel) kann für weitere Wärmequellen, insbesondere Wärmerückgewinnung genutzt werden.

Rechnungen zeigen, dass zur vollständigen Deckung des Energiebedarfs eines Niedrigenergiehauses (ca. 9000 kWh Jahresverbrauch für Heizung und 3000 kWh für Warmwasser) in Süddeutschland eine Kollektorfläche von 20 m² ausreicht, um mit der beschriebenen Solar-Luft-Kombination den Bedarf vollständig zu decken. Dabei wird unter Berücksichtigung eines Kraftwerkswirkungsgrades von 1/3 eine Primärenergieeinsparung von weit über 50% erreicht.

Die Erfindung kann in den im folgenden beschriebenen Ausgestaltungen weiter optimiert werden:

1. Kostengünstiger Sonnenkollektor für alternativen Betrieb als Luft-Sole-Wärmetauscher:

Um im Sommer eine solare Vollversorgung ohne Wärmepumpeneinsatz zu erreichen, genügen vergleichsweise geringe Wärmedämmwerte des Kollektors. Grundsätzlich ist es daher möglich, den Kollektor ohne Wärmedämmung auf der Rückseite zu gestalten, so dass der Absorber nach vorne (transparente Abdeckung) und hinten (Rückwand) nur durch einen Luftraum isoliert ist. Ein derartig aufgebauter Kollektor kann durch natürliche Belüftung oder ein Gebläse als Luft-Wärmetauscher arbeiten.

Ein natürlich belüfteter Kollektor mit passiver Umschaltung vom Solar- zum Wärmetauschermodus wird dadurch erreicht, dass das Kollektorgehäuse nach unten offen ist. Ist der Absorber wärmer als die Umgebungsluft, so bildet sich eine stabile Luftschicht im Kollekor. Wird der Absorber aber auf tiefere Temperaturen als die der Umgebungsluft gekühlt, so sinkt die Luft auf der kühleren Seite des Absorbers ab, während sie auf der anderen Seite von außen eingesaugt wird. Es ergibt sich damit eine thermosiphonische Luftströmung.

Eine andere Möglichkeit der Doppelnutzung des Kollektors besteht darin, dass das Gehäuse an gegenüberliegenden Stellen jeweils mindestens eine Öffnung aufweist. Die im oberen Bereich des Gehäuses angebrachte Öffnung kann verschlossen und geöffnet werden, so dass bei Bedarf Außenluft am Absorber vorbeiströmen kann und das Medium im Absorber erwärmen oder – bei Bedarf – auch abkühlen kann. Die Luft kann entweder frei oder mittels eines Gebläses durch den Sonnenkollektor strömen.

Dies hat den Vorteil, dass der Kollektor z. B. im Sommer auch zum Kühlen des Solekreises verwendet werden kann. Dies ermöglicht, das System nicht nur zum Heizen, sondern im Sommer auch zur Raumkühlung zu nutzen.

Alternativ zu dem bisher beschriebenen flüssigen Medium kann der Sonnenkollektor auch mit Luft als Wärmeträger zu Wärmepumpe oder Speicher betrieben werden. Dies hat den Vorteil, dass kein Frostschutzmittel verwendet werden muss und die im Sonnenkollektor erwärmte Luft bei Bedarf auch direkt zum Heizen oder Lüften verwendet werden kann.

2. Hybridkollektor:

Da die thermischen Anforderungen an den Kollektor vergleichsweise gering sind, bietet sich eine Kombination des oben beschriebenen Kollektors mit Photovoltaikmodulen an: Die Oberfläche des Absorbers ist mit Photovoltaikelementen belegt oder beschichtet. Im Winter wird der Kollektor durch die Wärmepumpe gekühlt, wodurch sich ein hoher PV-Wirkungsgrad ergibt. Auch im Sommer kann bei Überschusswärme eine Kühlung durch Luft zugelassen bzw. vorgesehen werden. Mit solchen Hybridkollektoren (und Netzkopplung) ist dann eine CO₂ neutrale Energieversorgung möglich.

3. Direktverdampfung

Wenn statt des Solekreises das Kältemittel direkt verdampft wird, erhöht sich durch den Wegfall eines Wärmeübergangs die Effizienz des Systems. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Solarkreis als Direktverdampfer betrieben: dies führt zu einer hohen Effizienz durch sehr guten Wärmeübergang. Dies ist insbesondere dann interessant, wenn auch die Luftkühlung über den Kollektor erfolgt, d. h., wenn keine Verzweigung zu weiteren Wärmequellen notwendig ist. Die Abluft-Wärmerückgewinnung kann in diesem Fall über einen Wärmetauscher (kontrollierte Belüftung) erfolgen.

4. Integration eines Kältespeichers:

In den Kältekreis der Wärmepumpe kann ein Kältespeicher integriert werden. Dies ermöglicht einen gleichmäßigeren Lauf der Wärmepumpe und die Überbrückung von Perioden mit geringem Wärmeangebot, sowohl von den Kollektoren als auch über die Luft. Der Kältespeicher kann erfindungsgemäß mit Wasser als Latentspeichermaterial betrieben werden, wodurch auf sehr kostengünstige Weise eine sehr hohe Speicherkapazität erreicht wird.

Im folgenden wird anhand 1 eine konkrete Ausgestaltung der Erfindung beschrieben. 1 zeigt eine Solaranlage bestehend aus einem Kombispeicher 1 (zur kombinierten Warmwasser- und Wärmeversorgung), an den der Heizkreis 2 angeschlossen ist, und in dem das Warmwasser (WW) über den integrierten Wärmetauscher 3 erwärmt wird. Im unteren Bereich des Kombispeichers ist der Solarwärmetauscher 4 angebracht, an den Sonnenkollektoren 5 angeschlossen sind. Weiterhin ist an den Speicher eine Wärmepumpe 6 angeschlossen, die den Speicher ebenfalls nachheizen kann.
Es besteht die Möglichkeit, den Solarkreis entweder, wie bei einer herkömmlichen Solaranlage, durch den Speicher zu leiten, oder durch den Verdampfer 7a der Wärmepumpe. Die Umschaltung erfolgt durch ein Umschaltventil 8 im Rücklauf des Solarkreises. Alternativ ist für die Umschaltung auch eine zweite Pumpe möglich.
Die Außenluftabkühlung erfolgt ebenfalls über den Solekreis (Luft-Sole-Wärmetauscher, 9). Über den gleichen Wärmetauscher wird sowohl die Außenluft 10 als auch die Raumabluft 11 gekühlt. Durch die Mischung beider Luftströme wird die Vereisung des Wärmetauschers vermindert.
Optional kann auch die Wärme im Abwasser 12 über den Abwasserwärmetauscher 13 rückgewonnen werden.
Der Solekreis wird zur Vergleichmäßigung der Wärmezufuhr durch einen mit Wasser bzw. Eis gefüllten Speicher 7 geleitet, wobei die durch den Phasenwechsel frei werdende Latentwärme genutzt wird.
Im Kondensator 7b wird der Heizkreis 14 der Wärmepumpe erwärmt. Der Heizkreis 14 arbeitet in diesem Beispiel immer auf den Kombispeicher 1. Der Speicher wird in zwei Temperaturzonen betrieben: Der obere Bereich mit ca. 55 °C für die WW-Bereitung und der untere Bereich mit gleitend an den Heizbedarf angepassten tieferen Temperaturen. Bei Nachheizung des oberen WW-Bereichs 15 schaltet ein Ventil 16 im Rücklauf der Wärmepumpe auf eine Entnahmestelle 17 an der unteren Grenze des WW-Bereichs um, damit nur dieser Bereich schnell auf die gewünschte Temperatur gebracht wird. Der Heizkreisvorlauf wird dabei in diesem Beispiel durch eine im Speicher integrierte Umlenkeinrichtung automatisch nach oben geleitet, während er im Heizbetrieb im mittleren Speicherbereich austritt.
2 zeigt das Ausführungsbeispiel eines Sonnenkollektors für alternativen Betrieb als Luft-Sole-Wärmetauscher.
Der Kollektor 5 besteht aus dem Gehäuse 18 mit einer Glasscheibe 19 und dem Absorber 20, der hier aus einem die Solarstrahlung gut absorbierenden Blech aufgebaut ist, das gut wärmeleitend mit einer Rohrleitung 21 für das zu erwärmende Medium verbunden ist. Zwischen Absorber und Glas sowie Rückwand ist jeweils ein Luftspalt 22. Seitlich sind die Luftspalte zum Gehäuse 18 gegeneinander abgedichtet, am oberen Rand des Gehäuses stehen sie miteinander in Verbindung.
3 zeigt ein Anlageschema mit dem oben beschriebenen Kollektor.
4 zeigt das Ausführungsbeispiel zweier miteinander verbundener Sonnenkollektoren, die ebenfalls für alternativen Betrieb als Luft-Sole-Wärmetauscher geeignet sind. Das Gehäuse 18 ist an den gegenüberliegenden Seiten jeweils mit einer Öffnung versehen. Die Öffnungen der Kollektoren sind miteinander verbunden. Die oberste Öffnung kann durch eine Klappe 23 verschlossen und geöffnet werden, so dass bei Bedarf Außenluft am Absorber vorbeiströmen kann.
5 zeigt das Ausführungsbeispiel einer Anlage, die mit Luft als Wärmeträger zwischen Sonnenkollektor 5, Wärmepumpe 6 oder Speicher 1 betrieben wird. Über die Stellklappe 24 wird die Luft wahlweise in einen Wärmetauscher zur direkten Erwärmung des Speichers geleitet oder direkt zum Heizen oder Lüften in den Wohnraum oder in die Wärmepumpe. Über die Klappen 25 und 26 kann Außenluft zugemischt werden und abgekühlte Luft nach außen geleitet werden.
Statt der beschriebenen Ausführung sind erfindungsgemäß eine Vielzahl anderer Ausführungen möglich: z. B. können für die Sonnenkollektoren andere Bauformen eingesetzt werden, beispielsweise mit Kissenabsorbern. Andere Verschaltungsarten sind ebenfalls möglich. Z. B. kann statt des Wasser-Heizkreises 2 die Luft über einen Wärmetauscher vom Speicherwasser erwärmt werden.

Claims

Solaranlage mit Wärmepumpe, bestehend aus mindestens einem Sonnenkollektor (5) und einer Wärmepumpe (6), wobei das in dem Sonnenkollektor (5) erwärmte Medium einen Wärmetauscher (4) zur Erwärmung des Heizkreises (2) durchströmt oder über einen zweiten Leitungsstrang durch den Verdampfer (7a) der Wärmepumpe geleitet wird, wobei die Umschaltung zwischen den beiden Strängen durch das Umschaltventil (8) oder durch zwei in beiden Strängen montierte Pumpen erfolgen kann, dadurch gekennzeichnet, dass Solarwärme für den Heizkreis (2) zwischengespeichert werden kann in einem Wärmespeicher (1) für die Wärme- und Warmwasserversorgung eines Hauses, weiterhin dadurch, dass der Innenraum des Sonnenkollektors (5) mit der Außenluft verbindbar ist, um dieser Wärme zu entziehen, und dass das Medium, das durch den Verdampfer (7a) der Wärmepumpe (6) geleitet wird, einen mit Wasser bzw. Eis gefüllten Speicher (7) durchströmt, wodurch in Perioden mit geringem Wärmeangebot die durch den Phasenwechsel frei werdende Latentwärme nutzbar wird, und dass das Medium optional weiteren Wärmequellen wie Abluft und Abwasser Wärme entziehen kann, wobei die Solaranlage so geregelt wird, dass der Sonnenkollektor (5) nur dann den Wärmespeicher (1) direkt erwärmt, wenn dabei der gesamte Wärmebedarf gedeckt werden kann.
Solaranlage mit Wärmepumpe nach Anspruch 1, wobei der Sonnenkollektor (5) aus einem innerhalb eines Gehäuses (18) angebrachten vom zu erwärmenden Medium durchströmten Absorber (20) besteht und das Gehäuse (18) auf der zur Sonne gewandten Seite mit einer transparenten Abdeckung (19) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden Seiten des Absorbers (20), zur transparenten Abdeckung (19) und zur Rückwand hin, jeweils ein Luftspalt (22) vorgesehen ist, wobei die Luftspalte (22) seitlich zum Gehäuse (18) gegeneinander abgedichtet sind, am oberen Rand des Gehäuses (18) jedoch miteinander in Verbindung stehen und das Gehäuse (18) unten mindestens eine Öffnung aufweist, so dass sowohl der Luftspalt (22) oberhalb des Absorbers (20) als auch der Luftspalt (22) unterhalb des Absorbers (20) mit der Außenluft verbunden ist, wodurch, wenn der Absorber (20) kälter ist als die Außenluft, die Luft an dem Absorber (20) abgekühlt wird und auf der kälteren Seite des Absorbers (20) abströmt und zu der Öffnung des Gehäuses (18) austritt, und gleichzeitig frische Außenluft in den Luftspalt (22) auf der anderen Seite des Absorbers (20) nachgesaugt wird.
Solaranlage mit Wärmepumpe nach Anspruch 1, wobei der Sonnenkollektor (5) aus einem innerhalb eines Gehäuses (18) angebrachten vom zu erwärmenden Medium durchströmten Absorber (20) besteht und das Gehäuse (18) auf der zur Sonne gewandten Seite mit einer transparenten Abdeckung (19) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (18) an gegenüberliegenden Stellen jeweils mindestens eine Öffnung aufweist, und dass zumindest die im oberen Bereich des Gehäuses (18) angebrachte(n) Öffnung(en) verschlossen und geöffnet werden können, so dass bei Bedarf Außenluft am Absorber (20) vorbeiströmen und das Medium im Absorber (20) erwärmen oder abkühlen kann.
Solaranlage mit Wärmepumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenluft durch ein Gebläse durch den Sonnenkollektor (5) geblasen wird.
Solaranlage mit Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium, das durch Absorber (20), Wärmepumpe (6) und Speicher-Wärmetauscher geleitet wird, Luft ist.
Solaranlage mit Wärmepumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Außenluft angesaugt werden kann, die im Sonnenkollektor erwärmte Luft auch direkt zum Heizen und Lüften in die Räume strömen kann und in der Wärmepumpe abgekühlte Luft nach außen geleitet werden kann.
Solaranlage mit Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberfläche des Sonnenkollektors (5) mit Photovoltaikelementen belegt oder beschichtet ist.
Solaranlage mit Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel der Wärmepumpe (6) selbst durch den Sonnenkollektor (5) und die weiteren Wärmequellen strömt und dort verdampft.