DE19642702A1 - Wärmepumpenanlage - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanlage, insbesondere zum Beheizen und zur Warmwasserversorgung von Gebäuden, bestehend aus einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe, einem Wärmereservoir und einem Wärmeverbraucher, wobei die Wasser/Wasser-Wärmepumpe einen Wärme­ pumpenkreislauf aufweist mit einem Verdampfer, der die Verbindungsstelle zu einem Niedertemperaturkreislauf darstellt, und einem Kondensator, der die Verbindungsstelle zu einem Hochtemperaturkreislauf darstellt, wobei aus der Wärmeenergie des Wärmereservoirs im Niedertemperaturkreislauf durch die Wasser/Wasser-Wärmepumpe im Hochtemperaturkreislauf ein hö­ heres Wärmeenergieniveau erzeugt wird und diese Wärmeenergiedifferenz als Nutzwärme über den Wärmeverbraucher im Hochtemperaturkreislauf abgegeben wird.

Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, als Wärmespeicher im Nieder­ temperaturkreislauf beispielsweise Grundwasser einzusetzen. Dabei wird das Grundwasser aus großen Tiefen, wo im allgemeinen ein höheres Tem­ peraturniveau als an der Erdoberfläche herrscht, gefördert und dem Ver­ dampfer der Wärmepumpe zugeführt, wo dem Grundwasser Wärme entzo­ gen, und es dann wieder ins Erdreich zurückgeleitet wird. Hierzu ist ein um­ fangreiches Rohrleitungssystem notwendig, welches aufwendig und kost­ spielig in der Planung und der Verlegung ist. Außerdem werden, bedingt durch die meist geringe Temperaturdifferenz zwischen Grundwasser und Erdoberfläche, große Mengen an Grundwasser benötigt, um diesem die nötige Wärmeenergie zu entziehen, um in dem Hochtemperaturkreislauf die gewünschte Temperatur zu erzielen. Dies hat zur Folge, daß sich das Rohr­ system des Niedertemperaturkreislaufes relativ schnell mit Kalk oder ande­ ren im Grundwasser enthaltenen Verunreinigungen zusetzt. Ein Reinigen oder sogar Erneuern des Rohrsystems ist zwangsläufig die Folge, was je­ doch sehr aufwendig und teuer ist.

Als Wärmespeicher kann die Erdwärme auch indirekt genutzt werden. Dazu wird ein weit verzweigtes Rohrleitungssystem im Erdreich verlegt, in wel­ chem in einem geschlossenen Flüssigkeitskreislauf, dem Niedertemperatur­ kreislauf die Erdwärme über einen Verdampfer an den Wärmepumpenkreis­ lauf abgegeben wird. Dies hat zwar den Vorteil, daß sich das Rohrsystem des Niedertemperaturkreislaufes nicht mehr mit Kalk oder anderen im Grundwasser enthaltenen Verunreinigungen zusetzen kann, es setzt aber ein äußerst weit verzweigtes Rohrleitungssystem im Erdreich voraus. In der Planung und Konstruktion ist dieses sehr aufwendig und teuer. Darüber hinaus kühlt sich nach einem langen kontinuierlichen Einsatz der Wärme­ pumpe das Erdreich im Bereich des Rohrsystems ab. Die Temperaturdiffe­ renz zwischen Erdoberfläche und Erdwärme sinkt und damit auch der Wir­ kungsgrad der Wärmepumpe.

Es sind außerdem Wärmepumpenanlagen bekannt, die die Sonnenenergie über Sonnenkollektoren als Wärmespeicher nutzen. Diese Sonnenkollekto­ ren sind meist auf Gebäudedächern angeordnet. Dort sind sie den Witte­ rungen, Hitze und Kälte, Sonne und Schnee ausgesetzt. Eine hohe War­ tungsanfälligkeit ist die Folge.

Meistens wird beim Betrieb einer Wärmepumpenanlage nur ein Teil der im Hochtemperaturkreislauf enthaltenen Wärmeenergie für Warmwasser oder zum Beheizen von Gebäuden verwendet. Nach dem Stand der Technik verbleibt die nicht als Nutzwärme verbrauchte Wärmeenergie als Restwärme ungenutzt im Hochtemperaturkreislauf.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepum­ penanlage der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß sie räumlich begrenzt in einem Gebäude angeordnet werden kann, daß sie eine lange Lebensdauer hat, kostengünstig in Herstellung und Betrieb ist und ei­ nen hohen Wirkungsgrad aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von der Wär­ mepumpenanlage der eingangs genannten Art vor, daß das Wärmereservoir als ein im Bereich der Wasser/Wasser-Wärmepumpe angeordneter Wärme­ speicher ausgebildet ist und daß im Hochtemperaturkreislauf ein Wärme­ tauscher angeordnet ist, welcher über einen Kopplungskreislauf die nach der Abgabe der Nutzwärme über den Wärmeverbraucher im Hochtempera­ turkreislauf verbliebene Restwärme an den Wärmespeicher im Niedertem­ peraturkreislauf abgibt.

Die Wärmepumpenanlage gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß die ge­ samte Wärmepumpenanlage nur wenig Raum in Anspruch nimmt. Das bei den herkömmlichen Wärmepumpenanlagen dezentral von der Wärmepumpe angeordnete und mit dieser über lange Rohrleitungssysteme verbundene Wärmereservoir ist bei der erfindungsgemäßen Wärmepumpenanlage als zentral neben der Wasser/Wasser-Wärmepumpe angeordneter Wärmespei­ cher ausgebildet.

Durch den geschlossenen Niedertemperaturkreislauf der Wasser/Wasser-Wär­ mepumpe kann sich das Rohrsystem dieses Kreislaufes nicht mit Kalk oder anderen Verunreinigungen, wie sie beispielsweise im Grundwasser enthalten sind, zusetzen. Das führt zu einer sehr hohen Lebensdauer der erfindungsgemäßen Wärmepumpenanlage.

Durch die Anordnung des Wärmespeichers zentral zur Wasser/Wasser-Wär­ mepumpe und den damit verbundenen sehr kurzen Rohrlängen, werden zudem die Wärmeverluste in den Rohrleitungen auf ein Minimum reduziert. Da auf dezentral angeordnete Wärmereservoirs verzichtet werden kann, entfallen die aufwendigen und teuren Verbindungsrohrleitungen von der Wasser/Wasser-Wärmepumpe zu dem Wärmereservoir.

Insgesamt weist die erfindungsgemäße Wärmepumpenanlage eine sehr ho­ he Lebensdauer, geringe Herstellungs- und Betriebskosten und einen sehr hohen Wirkungsgrad auf.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß an dem Wärmespeicher des Niedertemperaturkreislaufes über einen zweiten Wärme­ tauscher der Hochtemperaturkreislauf einer zweiten Wärmepumpe ange­ schlossen ist, welche der Umgebungsluft über einen im Niedertemperatur­ kreislauf angeordneten Kollektor Wärmeenergie entzieht.

Dies hat den Vorteil, daß der Wirkungsgrad der Wasser/Wasser-Wärme­ pumpe weiter gesteigert wird. Besonders bei extrem niedrigen Temperatu­ ren wird dadurch weiterhin die Funktionsfähigkeit der Wärmepumpenanlage sichergestellt. Damit kann ihr Einsatz das ganze Jahr über erfolgen und ist nicht mehr auf einige wenige wärmere Monate des Jahres beschränkt.

Als Umgebungsluft, der die nötige Wärmeenergie entzogen wird, kommt beispielsweise die Außenluft in Betracht. Durch die Nutzung der Umge­ bungsluft sind keine zusätzlichen Installationen, beispielsweise lange Rohr­ leitungen zu den Sonnenkollektoren oder ein unterirdisch verlegtes Rohrsy­ stem als Erdwärmekollektor, notwendig. Besonders in den kälteren Win­ termonaten wäre es aber auch denkbar, der Abwärme der Antriebe der Pumpen- und Verdichtervorrichtungen die nötige Wärmeenergie zu entzie­ hen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an­ hand der Figur näher erläutert. Es ist eine erfindungsgemäße Wärmepum­ penanlage dargestellt. Sie weist eine mit dem Bezugszeichen 1 gekenn­ zeichnete Wasser/Wasser-Wärmepumpe auf. Ein Wärmepumpenkreislauf 2 in der Wasser/Wasser-Wärmepumpe 1 verbindet einen Verdampfer 3 und einen Kondensator 5 wärmetechnisch miteinander. Der Verdampfer 3 liegt in einem Niedertemperaturkreislauf 4, der auch einen Wärmespeicher 7 als Wärmereservoir aufweist. Diesem Wärmespeicher 7 wird Wärmeenergie entzogen, die im Verdampfer 3 ein Kältemittel im Wärmepumpenkreislauf 2 zum Verdampfen bringt. Dieses Kältemittel wird in dem Wärmepumpenkreislauf der Wasser/Wasser-Wärmepumpe 1 komprimiert und damit auf ein höheres Wärmeenergieniveau gebracht. Im Kondensator 5 wird diese Wärmeenergiedifferenz an einen Hochtemperaturkreislauf 6, der auch einen Heizkörper 8 als Wärmeverbraucher aufweist, abgegeben.

Über den Heizkörper 8 wird ein Teil der im Hochtemperaturkreislauf 6 ent­ haltenen Wärmeenergiedifferenz als Nutzwärme an die Umgebung abgege­ ben. Die im Hochtemperaturkreislauf 6 verbleibende Restwärme wird erfin­ dungsgemäß über einen Wärmetauscher 9 an einen Kopplungskreislauf 10 abgegeben, über welchen sie in den Wärmespeicher 7 eingespeist wird.

Um den Wirkungsgrad der Wärmepumpenanlage zusätzlich zu verbessern, wird der Wärmespeicher 7 zusätzlich über eine zweite Wärmepumpe 16 von der Umgebungsluft erwärmt. Ein Wärmepumpenkreislauf 17 verbindet einen Verdampfer 18 und einen Kondensator 19 in der zweiten Wärmepumpe 16 wärmetechnisch miteinander. Der Verdampfer 18 liegt in einem Niedertem­ peraturkreislauf 14, in dem sich auch ein Kollektor 15 befindet, über den der Umgebungsluft Wärmeenergie entzogen wird. Diese Wärmeenergie wird in dem Wärmepumpenkreislauf 17 der zweiten Wärmepumpe 16 auf ein höheres Wärmeenergieniveau gebracht und über den Kondensator 19 einem Hochtemperaturkreislauf 12 zugeführt. Über einen zweiten Wärmetauscher 11 in diesem Hochtemperaturkreislauf 12 wird die Wärmeenergiedifferenz über einen zweiten Kopplungskreislauf 13 in den Wärmespeicher 7 eingespeist.

Claims (2)

1. Wärmepumpenanlage, insbesondere zum Beheizen und zur Warmwasserversorgung von Gebäuden, bestehend aus einer Was­ ser/Wasser-Wärmepumpe (1), einem Wärmereservoir und einem Wärmever­ braucher (8), wobei die Wasser/Wasser-Wärmepumpe (1) einen Wärme­ pumpenkreislauf (2) aufweist mit einem Verdampfer (3), der die Verbin­ dungsstelle zu einem Niedertemperaturkreislauf (4) darstellt, und einem Kondensator (5), der die Verbindungsstelle zu einem Hochtemperatur­ kreislauf (6) darstellt, wobei aus der Wärmeenergie des Wärmereservoirs im Niedertemperaturkreislauf (4) durch die Wasser/Wasser-Wärmepumpe (1) im Hochtemperaturkreislauf (6) ein höheres Wärmeenergieniveau erzeugt wird und diese Wärmeenergiedifferenz als Nutzwärme über den Wär­ meverbraucher (8) im Hochtemperaturkreislauf (6) abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmereservoir als ein im Bereich der Wasser/Wasser-Wär­ mepumpe (1) angeordneter Wärmespeicher (7) ausgebildet ist und daß im Hochtemperaturkreislauf (6) ein Wärmetauscher (9) angeordnet ist, wel­ cher über einen Kopplungskreislauf (10) die nach der Abgabe der Nutzwärme über den Wärmeverbraucher (8) im Hochtemperaturkreislauf (6) verbliebene Restwärme an den Wärmespeicher (7) im Nieder­ temperaturkreislauf (4) abgibt.

2. Wärmepumpenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Wärmespeicher (7) des Niedertemperaturkreislaufes (4) über einen zweiten Wärmetauscher (11) der Hochtemperaturkreislauf (12) einer zweiten Wärmepumpe (16) angeschlossen ist, welche der Umgebungsluft über einen im Niedertemperaturkreislauf (14) angeordneten Kollektor (15) Wärmeenergie entzieht.