DE10313097B4

DE10313097B4 - Wärmepumpenanlage mit einer Wärmepumpe und einem Wärmequellenkreis

Info

Publication number: DE10313097B4
Application number: DE10313097.7A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schiefelbein Kai; Lutz Grünig; Michael Kruckenberg
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2020-02-06
Anticipated expiration: 2023-03-25
Also published as: DE10313097A1

Abstract

Wärmepumpenanlage (1) mit einer Wärmepumpe (2) mit mindestens einem Kältemittelkreis, wobei der Verdampfer vom Kältemittel des Kältemittelkreises und einem Fluid durchflossen ist, welches als Wärmequelle für die Wärmepumpe (2) dient, wobei das Fluid einen Wärmequellenkreis (4) mit einem Erdspieß, Rohre und Armaturen (6) durchfließt oder einem anderen Wärmetauscher, Rohre und Armaturen (6) durchfließt, und dass das Fluid unter Volumenzunahme einfriert,dadurch gekennzeichnet,dass das Fluid bei einer Außenlufttemperatur von +7°C oder bei einer darunterliegenden Außenlufttemperatur oder bei einer Fluidtemperatur von +3°C oder bei einer darunterliegenden Fluidtemperatur durch Inbetriebnahme einer Pumpe (18) oder das Öffnen eines Ventils (22) eines Bypasses (21) bewegt ist,wobei die Pumpe (18) unabhängig vom Betrieb der Wärmepumpe (2) auch bei ausgeschalteter Wärmepumpe (2) oder außerhalb von festgelegten Betriebszeiten bei Unterschreiten einer festgelegten Außentemperatur oder Fluidtemperatur eingeschaltet ist,wobei das Fluid eine anorganische Kühlsole darstellt, deren Bestandteile im Grundwasser vorkommen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanlage mit einer Wärmepumpe mit mindestens einem Kältekreis, wobei ein Verdampfer vom Kältemittel des Kältemittelkreises und einem Fluid durchflossen ist, welches als Wärmequelle für die Wärmepumpe dient, wobei das Fluid einen Wärmequellenkreis mit einem Erdspieß oder einem anderen Wärmetauscher, Rohre und/oder Armaturen durchfließt, und dass das Fluid unter Volumenzunahme einfriert.
Aus der DE 195 18 977 A1 ist eine Wärmepumpe mit einer Einfrierschutzschaltung bekannt, bei der die Wärmepumpe abgeschaltet wird, wenn die Gefahr des Einfrierens des Wassers im Verdampfer besteht. Ein Temperaturfühler der Einfrierschutzschaltung erfasst dazu die Temperatur des Kältemittels am Ausgang des Verdampfers. Die Einfrierschutzschaltung schaltet den Verdichter der Wärmepumpe bei Unterschreiten eines unteren Temperaturgrenzwertes des Kältemittels ab.
Die DE 40 18 936 C2 zeigt einen Einrohrwärmespeicher, mit einem horizontal im Erdreich angeordneten, in einen Solarkreislauf einschaltbaren, geschlossenen Wärmespeicherrohr. Dieses ist nur zum Teil mit dem Wasser des Solarkreislaufes gefüllt ist und taucht mit einem Ende in den Pumpensumpf einer über Thermostaten gesteuertes Dreiwegeventil in den Solarkreislauf geschalteten Pumpe. Hierbei münden der eine Ausgang des Dreiwegeventils und der Rücklauf des Solarkreislaufes in den oberen, wasserfreien Bereich des Wärmespeicherrohres, und mit einer Wärmepumpe, deren Verdampfer im unteren, wasserführenden Bereich des Wärmespeicherrohres angeordnet ist.
In der DE 27 04 215 A1 wird eine Wärmepumpe mit einem Kühlmittelkreislauf, der in Reihe ein Expansionsventil, einen ersten Verdampfer, einen Kompressor, einen Kondensator aufweist gezeigt, welcher zur Überführung von Kondensationswärme des Kühlmittelmediums auf ein Medium angeordnet ist, wie z.B. Heizwasser. Der Verdampfer ist im Wärmeaustausch mit einem Sekundärkreislauf angeordnet, der mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, die eine niedrige Gefriertemperatur hat, und der eine Umwälzpumpe für die Flüssigkeit aufweist. Mindestens ein Erdwärmeabsorber ist in dem Sekundärkreislauf eingeschlossen und ein Luftwärmeabsorber, der sich außen befindet, ist im Sekundärkreislauf parallel zu dem Erdwärmeabsorber angeordnet. Das Ventil für die Wärmeabsorber für die Steuerung der Strömungsverteilung ist zwischen diesen angeordnet.
Als weiterer Stand der Technik ist die AT 394 199 B bekannt welche Gefrierschutz- und Eislösemittel mit einem Gehalt an wasserlöslichen Alkali- oder Ammoniumsalzen der Ameisensäure und/oder Essigsäure und gegebenenfalls weiteren für die derartige Mittel üblichen Zusätzen, zeigt. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass organische wasserlösliche, gegebenenfalls durch Hydroxygruppen substituierte Polycarbonsäuren sowie wasserlösliche Alkali- oder Ammoniumsilikate und/oder Alkali- oder Ammoniumcarbonate enthalten sind.
Bei marktbekannten Wärmepumpenanlagen werden organische Wärmeträger oder Kühlsolen, wie z.B. Ethylenglykol-Wassergemische oder Propylenglykol-Wassergemische eingesetzt. Diese haben den Vorteil, beim Einfrieren keine Sprengwirkung bzw. keine Volumenvergrößerung aufzuweisen. Insbesondere bei Erdsonden-Anlagen, die vom Wärmeträger oder von der Kühlsole durchflossen sind, besteht bei Undichtigkeiten die Gefahr des Eintrags von organischen Substanzen ins Grundwasser. Damit verbunden ist die Gefahr einer Umwelt- bzw. Grundwasserverschmutzung.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmepumpenanlage derart auszurüsten, dass eine Zerstörung des Wärmequellenkreises durch Volumenvergrößerung der Kühlsole beim Einfrieren vermieden ist und der potentielle Eintrag von Schadstoffen in das Erdreich oder Grundwasser vermieden ist.
Gelöst ist die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs 1. Anstelle einer organischen Kühlsubstanz, die im Wärmequellenkreis umläuft, werden anorganische Kühlsolen verwendet, deren Bestandteile im Grundwasser - wenn auch natürlich in geringer Konzentration - ohnehin vorkommen. Durch das Einschalten einer Pumpe, die das Fluid im Wärmequellenkreis umwälzt, gelangt Fluid aus der/den Erdsonde(n) in die Armaturen und Rohrleitungen, die im frostgefährdeten Bereich liegen.
Die üblicherweise bei Wärmequellenkreisen mit Erdspießen verwendeten Sammlerrohre oder Armaturen sowie Fluidleitungen und -rohre sind zumindest teilweise der Außenlufttemperatur ausgesetzt oder im frostgefährdeten Bereich angeordnet. Die Wärmequellen-Temperatur bei einem Erdspieß liegt üblicherweise auch im Winter bei über -5°C. Die Einfriertemperatur oder die obere Temperatur des Eutektikums des Fluids, wie z.B. einer anorganischen Salzlösung bzw. einem Fluid mit mindestens 15% einer Kaliumkarbonat- oder eine Kaliumcarbonat-/Kaliumhydrogencarbonatlösung und einem Rest Wasser liegt bei ca. -10 bis -15°C, so dass ein Einfrieren aufgrund der höheren Wärmequellentemperatur nicht möglich ist.
Sind die Armaturen und Rohrleitungen der Außentemperatur ausgesetzt, die beispielsweise unter dem Gefrierpunkt des Fluids liegt, so besteht die Gefahr, dass das Fluid in den Armaturen und Rohrleitungen einfriert. Durch das Einschalten der Wärmequellenpumpe unterhalb einer festgelegten Fluidtemperatur in den betroffenen Armaturen oder Rohrleitungen oder unterhalb einer festgelegten Außentemperatur wird das Fluid durch den Erdwärmetauscher durch die Armaturen und Rohrleitungen gedrückt, wodurch wärmeres Fluid aus der Erdsonde in die Armaturen und Rohrleitungen gedrückt wird und ein Einfrieren und eine Zerstörung der Armaturen und Rohrleitungen vermieden ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Einschaltung der Wärmequellenpumpe unterhalb einer festgelegten Außentemperatur, die von einem Außentemperaturfühler gesteuert wird, oder unterhalb einer festgelegten Fluidtemperatur, die in dem gefährdeten Bereich der Armaturen und Rohrleitungen gemessen ist.
Bei dem Fluid handelt es sich in vorteilhafter Weise um eine anorganische Salzlösung oder um ein Fluid, welches aus mindestens 15% einer Kaliumcarbonat- oder einer Kaliumcarbonat-/Kaliumhydrogencarbonatlösung und einem Rest Wasser besteht. Besonders vorteilhaft hat sich ein Fluid mit einer solchen Zusammensetzung von 20-35% aus Kaliumcarbonat- oder Kaliumcarbonat-/Kaliumhydrogencarbonatlösung und einem Rest Wasser erwiesen.
Das Einschalten der Pumpe erfolgt in vorteilhafter Weise bei Außentemperaturen, die unterhalb einer Temperatur liegen, die 2 bis 10 K höher ist als der Gefrierpunkt des Fluids, oder dass die Pumpe unterhalb einer Fluidtemperatur eingeschaltet wird, die 1 bis 5 K oberhalb des Gefrierpunkts des Fluids oder oberhalb 1 bis 5 K des Eutektikums des Fluids liegt. Die Fluidtemperatur wird dabei in vorteilhafter Weise von einem Temperatursensor im frostgefährdeten Bereich gemessen.
In der Zeichnung ist eine Wärmepumpenanlage mit Erdwärmetauschern einer Wärmepumpe, einer Heizungs- und einer Warmwasseranlage gezeigt.
Die Wärmepumpenanlage 1 weist eine Wärmepumpe 2 mit einem Regler 3 auf. An die Wärmepumpe 2 ist ein Wärmequellenkreis 4 mit mindestens einem Erdwärmetauscher 5 oder anderen Wärmetauscher, Armaturen 6 und Rohrleitungen 7 verbunden. Weiterhin an den Wärmequellenkreis 4 ist ein Ausgleichsgefäß 8 und ein Sicherheitsventil 9 angeschlossen. Das Fluid, welches den Wärmequellenkreis 4 durchläuft, durchläuft in der Wärmepumpe 2 einen nicht dargestellten Verdampfer, der die Wärme des Erdwärmetauschers 5 aufnimmt. Das im Verdampfer verdampfende Kältemittel der Wärmepumpe 2 nimmt die durch das Fluid aus dem Wärmetauscher 5 in den Verdampfer geleitete Wärme auf. Über das Kältemittel der Wärmepumpe 2 wird die Wärme auf einen nicht dargestellten Kondensator in einen Heizungspufferspeicher 10 und/oder einen Warmwasserspeicher 11 als Nutzwärme abgegeben. Die Wärmepumpe 2 ist ebenfalls mit einem Sicherheitsventil 12 und einem Ausgleichsgefäß 13 ausgerüstet. Der Regler 3 steuert und regelt in einer vorteilhaften Ausgestaltung die Wärmepumpenanlage 1. Als Eingangsgrößen gehen in den Regler 3 in vorteilhafter Weise ein Wert für die Außentemperatur, gemessen durch den Außentemperaturfühler 14, ein Temperaturwert, gemessen durch den Fluidtemperaturfühler 15 und weitere Temperaturen, gemessen durch den Temperaturfühler 16 des Heizungspufferspeichers 10 und den Temperaturfühler 17 des Warmwasserspeichers 11 ein. Entweder außentemperatur-gesteuert oder fluidtemperatur-gesteuert oder auch von beiden Temperaturen gesteuert wird die Fluidpumpe 18, die ebenfalls im Wärmequellenkreis 4 eingebunden ist, eingeschaltet oder taktend betrieben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt der Betrieb der Fluidpumpe 18 unabhängig von einer ausgestalteten Wärmepumpe 2 und/oder Wärmepumpenanlage 1, d.h. auch wenn die Wärmepumpe 2 und/oder Wärmepumpenanlage 1 außer Betrieb sind oder aufgrund mangelnden Wärmebedarfs der Verdichter nicht läuft, wird die Fluidpumpe 18 je nach Bedarf bei Unterschreiten der Außen- und/oder der Fluidtemperatur eingeschaltet. Das durch den Wärmequellenkreis 4 mit dem Erdwärmetauscher 5, den Armaturen 6, der Rohrleitungen 7 und der Fluidpumpe 18 fließende Fluid beinhaltet anorganische Bestandteile, welche auch im Grundwasser 19 vorkommen.
Bei Undichtigkeit der im Boden 20 befindlichen Erdwärmetauscher 5 oder auch der Armaturen 6 oder Rohrleitungen 7 gelangt freiwerdendes Fluid zwangsläufig in das Grundwasser 19. Die anorganischen Substanzen des Fluids führen bei einer Undichtigkeit lediglich zu einer Erhöhung der Anteile der anorganischen Substanzen im Grundwasser 19. Damit ist eine Gefährdung und Umweltverschmutzung des Grundwassers 19 vermieden.
Durch die Ansteuerung der Fluidpumpe 18 wird bei für das Fluid bestehender Einfriergefahr wärmeres Fluid aus dem Erdwärmetauscher 5 in die Armaturen 6 und die Rohrleitungen 7 gepumpt bzw. bewegt. Es ist auch denkbar, dass durch einen Bypass 21 mit einem Ventil 22 durch Öffnen des Ventils 22 eine Bewegung des Fluids durch natürliche Konvektion entsteht und wärmeres Fluid aus den Erdwärmetauschern 5 durch die Armaturen 6 und Rohrleitungen 7 fließt.

Claims

Wärmepumpenanlage (1) mit einer Wärmepumpe (2) mit mindestens einem Kältemittelkreis, wobei der Verdampfer vom Kältemittel des Kältemittelkreises und einem Fluid durchflossen ist, welches als Wärmequelle für die Wärmepumpe (2) dient, wobei das Fluid einen Wärmequellenkreis (4) mit einem Erdspieß, Rohre und Armaturen (6) durchfließt oder einem anderen Wärmetauscher, Rohre und Armaturen (6) durchfließt, und dass das Fluid unter Volumenzunahme einfriert, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid bei einer Außenlufttemperatur von +7°C oder bei einer darunterliegenden Außenlufttemperatur oder bei einer Fluidtemperatur von +3°C oder bei einer darunterliegenden Fluidtemperatur durch Inbetriebnahme einer Pumpe (18) oder das Öffnen eines Ventils (22) eines Bypasses (21) bewegt ist, wobei die Pumpe (18) unabhängig vom Betrieb der Wärmepumpe (2) auch bei ausgeschalteter Wärmepumpe (2) oder außerhalb von festgelegten Betriebszeiten bei Unterschreiten einer festgelegten Außentemperatur oder Fluidtemperatur eingeschaltet ist, wobei das Fluid eine anorganische Kühlsole darstellt, deren Bestandteile im Grundwasser vorkommen.
Wärmepumpenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid aus einer anorganischen Salzlösung besteht.
Wärmepumpenanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid mindestens 15% einer Kaliumcarbonat oder aus einer Kaliumcarbonat-Kaliumhydrogencarbonatlösung und einem Rest Wasser besteht.
Wärmepumpenanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid zu 20% bis 35% aus Kaliumcarbonat oder aus einer Kaliumcarbonat-Kaliumhydrogencarbonatlösung und einem Rest Wasser besteht.
Wärmepumpenanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid zu 25% bis 30% aus Kaliumcarbonat oder aus einer Kaliumcarbonat-Kaliumhydrogencarbonatlösung und einem Rest Wasser besteht.
Wärmepumpenanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (18) bei Aussentemperaturen eingeschaltet ist, die unterhalb einer Temperatur liegen, die 2 bis 10 K höher ist als der Gefrierpunkt des Fluids.
Wärmepumpenanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (18) bei einer Aussentemperatur unterhalb von -10°C eingeschaltet wird.
Wärmepumpenanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (18) unterhalb einer Fluidtemperatur eingeschaltet wird, die 1 bis 5 K oberhalb des Gefrierpunktes des Fluids oder 1 bis 5 K oberhalb des Eutektikums des Fluids liegt.
Wärmepumpenanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außentemperatur oder die Fluidtemperatur von einem Regler (3) oder einer Steuerung verarbeitet wird und bei Unterschreiten einer festgelegten Außen- und/oder Fluidtemperatur die Pumpe (18) dauerhaft oder zeitweise eingeschaltet ist.