DE19702416A1 - Wärmepumpenanlage - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanlage, insbesondere zum Beheizen und zur Warmwasserversorgung von Gebäuden, bestehend aus einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe, zwei Wärmereservoirs, einem Hochtemperaturzwischenspeicher, einen Warm­ wasserspeicher und einen Wärmeverbraucher, wobei die Wasser/Wasser- Wärmepumpe einen Wärmepumpenkreislauf aufweist mit einem Ver­ dampfer, 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-/Was­ ser-Wärmepumpe im Hochtemperaturkreislauf ein höheres 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 Niedertemperaturkreislauf beispielsweise Grundwasser einzusetzen. Dabei wird das Grundwasser aus großen Tiefen, wo im allgemeinen ein höheres Temperaturniveau als an der Oberfläche herrscht, gefördert und dem Verdampfer der Wärmepumpe zugeführt, wo dem Grundwasser Wärme entzogen, und es dann wieder ins Erdreich zurückgeleitet wird. Hierzu ist ein umfangreiches Rohrleitungssystem notwendig, welches aufwendig und kostspielig in der Planung und der Verlegung ist. Außerdem werden, bedingt durch die meist geringe Temperaturdifferenz zwischen Grundwasser und Erdoberfläche, große Mengen an Grund­ wasser benötigt, um diesem die nötige Wärmeenergie zu entziehen, um in dem Hochtemperaturkreislauf die gewünschte Temperatur zu erzielen. Dies hat zur Folge, daß sich das Rohrsystem des Niedertemperaturkreis­ laufes relativ schnell mit Kalk oder anderen im Grundwasser enthaltenen Verunreinigungen zusetzt. Ein Reinigen oder sogar Erneuern des Rohrsystems ist zwangsläufig die Folge, was jedoch sehr aufwendig und teuer ist.

Als Wärmespeicher kann die Erdwärme auch indirekt genutzt werden. Dazu wird ein weit verzweigtes Rohrleitungssystem im Erdreich verlegt, in welchem in einem geschlossenen Flüssigkeitskreislauf, dem Nieder­ temperaturkreislauf die Erdwärme über einen Verdampfer an den Wärmepumpenkreislauf abgegeben wird. Dies hat zwar den Vorteil, daß sich das Rohrsystem des Niedertemperaturkreislaufes nicht mehr mit Kalk oder anderen im Grundwasser enthaltenen Verunreinigungen zu­ setzen kann, es setzt aber ein äußert weit verzweigtes Rohrleitungssystem im Erdreich voraus. In der Planung und Konstruktion ist dieses sehr aufwendig und teuer. Darüber hinaus kühlt sich nach einem langen konti­ nuierlichen Einsatz der Wärmepumpe das Erdreich im Bereich des Rohr­ systems ab. Die Temperaturdifferenz zwischen Erdoberfläche und Erd­ wärme sinkt und damit auch der Wirkungsgrad der Wärmepumpe.

Es sind außerdem Wärmepumpenanlagen bekannt, die, die Sonnen­ energie über Sonnenkollektoren als Wärmespeicher nutzen. Diese Sonnenkollektoren sind meist auf Gebäudedächern angeordnet. Dort sind sie den Witterungen, Hitze und Kälte, Sonne und Schnee ausgesetzt. Eine hohe Wartungsanfälligkeit 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 Wärme­ pumpenanlage der eingangs genannten Art dahin weiterzubilden, daß sie räumlich begrenzt in einem Gebäude angeordnet werden kann, daß sie eine lange Lebensdauer hat, kostengünstig in Herstellung und Betrieb ist und einen hohen Wirkungsgrad aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von der Wärmepumpenanlage der eingangs genannten Art vor, daß ein Wärme­ reservior als ein im Bereich der Wasser/Wasser-Wärmepumpe ange­ ordneter Wärmespeicher ausgebildet ist und daß im Hochtemperatur­ kreislauf ein Wärmetauscher angeordnet ist, welcher über einen Kopp­ lungskreis die nach Abgabe der Nutzwärme über den Wärmetauscher im Hochtemperaturkreislauf verbliebene Restwärme an den Wärmespeicher im Niedertemperaturkreislauf abgibt.

Das zweite Wärmereservoir ist im Bereich des Niedertemperaturspei­ cher als ein angeordneter Restwärme-Wasserspeicher ausgebildet und im Niedertemperaturkreislauf an einen zweiten Wärmetauscher angeordnet, welcher über den Kopplungskreis die verbliebene Restwärme an den Wärmespeicher im Niedertemperaturkreislauf abgibt.

Die Wärmepumpenanlage gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß die gesamte Wärmepumpenanlage nur wenig Raum in Anspruch nimmt. Das bei den herkömmlichen Wärmepumpenanlage dezentral von der Wär­ mepumpe angeordnete und mit dieser über lange Rohrleitungssysteme verbundene Wärmereservoir ist bei der erfindungsmäßigen Wärme­ pumpenanlage als zentral neben der Wasser/Wasser-Wärmepumpe angeordneter Wärmespeicher ausgebildet.

Der Wärmespeicher des Restwärme-Wasserreservoir ist zentral neben dem Wärmespeicher im Niedertemperaturbereich ausgebildet, der die Aufgabe erfüllt, das über Energieaufbereiter erwärmte Wasser, z. B. von Wasch- und Spülmaschinen, Badewasser etc., aufzunehmen und die vor­ handene Restwärme an dem Wärmespeicher im Niedertemperaturbereich abzugeben, und nicht wie üblich das erwärmte Wasser ungenutzt über den Abwasserkanal zu entsorgen.

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

Durch die Anordnung der Wärmespeicher zentral zur Wasser/Wasser- Wärmepumpe 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 Verbindungsrohr­ leitungen von der Wasser/Wasser-Wärmepumpe zu dem Wärmereser­ voir.

Insgesamt weist die erfindungsgemäße Wärmepumpenanlage eine sehr hohe 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 dritten Wärmetauscher der Hochtemperaturkreislauf einer zweiten Wärmepumpe angeschlossen ist, welche der Umgebungsluft über einen im Niedertem­ peraturkreislauf angeordneten Kollektor Wärmeenergie entzieht.

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

Durch die Nutzung der Umgebungsluft sind keine zusätzlichen Installa­ tionen, beispielsweise lange Rohrleitungen zu den Sonnerkollektoren oder ein unterirdisch verlegtes Rohrsystem als Erdwärmekollektor, notwendig. Besonders in den kälteren Wintermonaten wäre es aber denkbar, der Ab­ wärme der Antriebe der Pumpen- und Verdichtervorrichtungen die nötige Wärmeenergie zu entziehen.

Durch Wärmeentzug der Wärmeenergie aus der Restwärme der erwärmten Abwässer wird der Wirkungsgrad der Wärmepumpe weiter gesteigert und senkt die Betriebskosten der Wärmepumpenanlage.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. näher erläutert. Es ist eine erfindungsgemäße Wärme­ pumpenanlage dargestellt. Sie weist eine mit dem Bezugszeichen 1 ge­ kennzeichnete Wasser/Wasser-Wärmepumpe auf. Ein Wärmekreislauf 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 Wärme­ speicher 11 als Wärmereservoir aufweist. Dem Wärmespeicher 11 wird im Niedertemperaturkreislauf 4, Energie 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 Heizwärmevorratsspeicher 7 aufweist abgeben und gespeichert. Über den Heizwärmevorratsspeicher 7, der einen Hochtemperaturkreis­ lauf 10 und einen Heizkörper 8 als Wärmeverbraucher aufweist, wird Wärmeenergie abgegeben.

Über den Heizkörper 8 wird ein Teil der im Hochtemperaturkreislauf 10 enthaltene Wärmedifferenz als Nutzwärme an die Umgebung abgegeben. Die im Hochtemperaturkreislauf 10 verbliebene Restwärme wird er­ findungsgemäß über einen Wärmetauscher 9 an einen Kopplungskreislauf 12 abgegeben, über welchen sie in den Wärmespeicher 11 eingespeist wird.

Um den Wirkungsgrad der Wärmepumpenanlage zu verbessern, wird über einen Restwärmewasserspeicher 23, erfindungsgemäß die Wärme­ energie des erwärmten Abwassers aus dem Hause 22, wie beispielsweise A = Badewasser, B = Duschwasser, C = Spülmaschinenabwasser und D = Waschmaschinenabwasser, der auch einen Niedertemperaturkreislauf 24 aufweist über einen Wärmetauscher 25 entzogen und an den Kopplungskreislauf 26 abgegeben, über welchen sie in den Wärme­ speicher 11 eingespeist wird. Wärmeenergiearmes Abwasser im Nieder­ temperaturkreislauf 24 wird wieder über den Umschalter 27 in den Abwasserkanal 29 entsorgt. Ankommende wärmeenergiearme Abwässer aus dem Hause 22, werden über den Umschalter 28 direkt in den Ab­ wasserkanal 29 entsorgt.

Um den Wirkungsgrad der Wärmepumpenanlage zusätzlich zu steigern, wird der Wärmespeicher 11 zusätzlich über eine zweite Wärmepumpe 19 von der Umgebungsluft erwärmt. Ein Wärmepumpenkreislauf 20 ver­ bindet einen Verdampfer 17 und einen Kondensator 21 in der zweiten Wärmepumpe 19 wärmetechnisch miteinander. Der Verdampfer 17 liegt in einem Niedertemperaturkreislauf 18 in dem sich auch ein Kollektor 15 befindet, über den der Umgebungsluft Wärmeenergie entzogen wird. Diese Wärmeenergie wird in dem Wärmepumpenkreislauf 20 der zweiten Wärmepumpe 19 auf ein höheres Wärmeenergieniveau gebracht und über den Kondensator 21 einen Hochtemperaturkreislauf 16 zugeführt. Über einen dritten Wärmetauscher 13 in diesen Hochtemperaturkreislauf 16 wird die Wärmedifferenz über einen dritten Kopplungskreislauf 14 in den Wärmespeicher 11 eingespeist.

Claims (3)

1. Wärmepumpenanlage, insbesondere zum Beheizen und zur Warm­ wasserversorgung von Gebäuden, bestehend aus einer Wasser/Wasser- Wärmepumpe (1), einem Wärmereservoir, einem Heizwärmevorrats­ speicher (7) und einem Wärmeverbraucher (8), wobei die Wasser/Wasser-Wärmepumpe (1) einen Wärmepumpenkreislauf (2) aufweist mit einem Verdampfer (3), der die Verbindungsstelle zu einem Niedertemperaturkreislauf (4) darstellt, und einem Kondensator (5), der die Verbindungsstelle zu einem Hochtemperaturkreislauf (6) darstellt, wobei aus der Wärmeenergie des Wärmereservoirs im Niedertem­ peraturkreislauf (4) durch die Wasser/Wasser-Wärmepumpe (1) im Hochtemperaturkreislauf (6) ein höheres Wärmeenergieniveau erzeugt wird und über den Heizwärmevorratsspeicher (7) wird diese Wärmeenergiedifferenz als Nutzwärme über den Wärmeverbraucher (8) im Hochtemperanirkreislauf (10) abgegeben, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmereservoir als ein im Bereich der Wasser/Wasser- Wärmepumpe (1) angeordneter Wärmespeicher (11) ausgebildet ist und daß im Hochtemperaturkreislauf (10) ein Wärmetauscher (9) angeordnet ist, welcher über einen Kopplungskreislauf (12) die nach Abgabe der Nutzwärme über den Wärmeverbraucher (8) im Hochtemperaturkreislauf (10) verbliebene Restwärme an den Wärmespeicher (11) im Niedertem­ peraturkreislauf abgibt.

2. Wärmepumpenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erwärmte Abwasser über einen Umschalter (28) in einen Rest­ wärmewasserspeicher (23) eingeleitet wird, wobei der Restwärme aus dem Restwärmewasserspeicher (23) über den Niedertemperaturkreis­ lauf (24) dem ein zweiter Wärmetauscher (25) angeordnet ist über den Kopplungskreislauf (26) die Restwärmeenergie an den Wärmespeicher (11) im Niedertemperaturkreislauf abgibt. Energiearmes Wasser aus dem zweiten Niedertemperaturkreislauf (24) wird über einen Umschalter (27) in den Abwasserkanal (29) geleitet.

3. Wärmepumpenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Wärmespeicher (11) ein Kopplungskreislauf (14) über einen dritten Wärmetauscher (13) der Hochtemperaturkreislauf (16) einer zweiten Wärmepumpe (19) angeschlossen ist welche der Umgebungsluft über einen im Niedertemperaturkreislauf (18) angeordneten Kollektor (15) Wärmeenergie entzieht.