DE19824315B4 - Wärmepumpen-Kompaktvorrichtung mit integrierter Primärenergie-Wärmequelle zur kontrollierten Lüftung und Wärmeenergieversorgung von Niedrig-Energie-Gebäuden oder Passivhäusern - Google Patents

Abstract

Wärmepumpen-Kompaktvorrichtung (16) zur geregelten Lüftung und Wärmeenergieversorgung von Gebäuden (15), vorzugsweise von Niedrig-Energie-Gebäuden oder Passivhäusern, mit
– mindestens einem Wärmetauscher (5),
– mindestens einer dem Wärmetauscher (5) nachgeschalteten Wärmepumpe (6),
– einem Außenluft- (1) sowie einem Gebäudeabluftstrom (2), die in den Wärmetauscher (5) einströmen,
– einem Gebäudeabluft- (2) sowie einem Zuluftstrom (3'), die aus dem Wärmetauscher (5) austreten und in die Wärmepumpe (6) einmünden, aus der ein Gebäudezuluftstrom (3), der in das Gebäude (15) mündet, sowie der Fortluftstrom (17) austreten
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Primärenergie-Wärmequelle vorgesehen ist, die den Gebäudeabluftstrom (2) vor Eintritt in den Wärmetauscher (5) und/oder die den Zuluftstrom (3') vor Eintritt in die Wärmepumpe (6) erwärmt.

Description

• Technisches Gebiet
• Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpen-Kompaktvorrichtung zur geregelten Lüftung und Wärmeenergieversorgung von Niedrig-Energie-Gebäuden oder Passivhäusern, in die ein Außenluft- und ein Gebäudeabluftstrom einströmt und vermittels Wärmerückgewinnung aus dem zugeführten Gebäudeabluftstrom die eingeströmte Außenluft erwärmt und als ausströmende Gebäudezuluft dem Gebäude zugeführt wird, mit mindestens einem Wärmetauscher, der der Gebäudeabluft Wärme energie entzieht und an die Gebäudezuluft abgibt und mindestens einer dem Wärmetauscher nachgeschalteten Wärmepumpe, die durch weitere Entwärmung der den Wärmetauscher durchströmten Gebäudeabluft eine zusätzliche Erwärmung der Gebäudezuluft bewirkt oder einer Brauchwassererwärmung oder beidem dient.
• Vorrichtungen der vorstehend beschriebenen Gattung dienen einer geregelten Lüftung mit Wärmerückgewinnung, der Brauchwassererwärmung und der Heizung von Niedrig-Energie-Gebäuden oder Passivhäusern.
• In Deutschland wird ein Drittel der Primärenergie für die Bereitstellung von Raumwärme und Warmwasser in den privaten Haushalten eingesetzt. Die Ressourcen der überwiegend eingesetzten fossilen Energieträger sind begrenzt. Die Aufnahmefähigkeit der Atmosphäre für das bei Verbrennungsprozessen freiwerdende CO₂ zeigt Grenzen. Die Bundesregierung hat das Ziel der Senkung des CO₂-Ausstoßes um ein Viertel bis zum Jahre 2005 gesetzt. Zur Umsetzung dieses Vorhabens ist es von großer Bedeutung, die nachgewiesenermaßen hohen Einsparpotentiale im Wohnbereich zu erschließen.
• Der Heizenergiebedarf liegt im Wohnungsbestand bei Werten von 250 bis 300 kWh/(m²a). Dieser Wert soll zum Ende des Jahrzehnts im Rahmen der Energiesparverordnung auf 40 bis 70 kWh/(m²a) gesenkt werden. Darüber hinaus gehende Maßnahmen zur Senkung des Heizenergiebedarfs lassen sich meist nicht mehr aus den eingesparten Energiebezugskosten refinanzieren. Hierfür ist eine Einsparung im Bereich der Investitionskosten notwendig.
• Mit dem Konzept der Passivhäuser wird dieser Weg eingeschlagen. Sie zeichnen sich durch eine sehr gute Dämmung und hohe passive Solargewinne aus. Sie haben stets eine kontrollierte Lüftung mit Wärmerückgewinnung. Der Heizenergiebedarf wird bis zu dem Punkt gesenkt, an dem deutliche Vereinfachungen in der Haustechnik der Gebäude möglich werden. Diese Gebäude stellen stark veränderte Anforderungen an das System zur Restwärmebereitstellung. Die benötigten Jahres energiemengen sind ebenso wie die Heizleistung für den Auslegungsfall gering. Gute Wärmedämmung des Gebäudes führt zu einem trägen thermischen Verhalten. Der Leistungsbedarf für die Brauchwassererwärmung und ein eventuelles Aufheizen des Gebäudes nach einer Abkühlphase bestimmen das Heizsystem. Bei einem Jahrerestheizwärmebedarf unter 15 kWh/m² und einer maximalen Heizlast von 10 W/m² kann auf ein konventionelles Heizsystem verzichtet werden. Solarsysteme mit Pufferspeichern bieten gute Möglichkeiten zur Kopplung leistungsschwacher Wärmequellen mit höheren Bereitstellungsleistungen.
• Durch die Entwicklung hierauf abgestimmter, kostengünstiger Systeme können Investitionskosten aus dem Bereich der Haustechnik in die Verbesserung der Gebäudehülle verlagert werden. Dadurch werden die investiven Mehrkosten des verbesserten Baustandards zum Teil ausgeglichen. Damit ergibt sich ein kostengünstiges Gesamtkonzept bei hoher Primärenergieeinsparung.
• Im Rahmen von Forschungsprojekten wurde gezeigt, dass unter mitteleuropäischen Rahmenbedingungen mit vorhandener Technik Gebäude gebaut werden können, die einen Restheizwärmebedarf von 10 bis 20 kWh/(m²a) haben. Aufgrund dieses, gegenüber mit konventioneller Bauweise errichteten Gebäuden, deutlich reduzierten Energiebedarfs von Passivhäusern oder Niedrig-Energie-Gebäuden werden erfolgreich Lüftungs- und Heizsysteme eingesetzt, die die in der Gebäudeabluft gespeicherte Wärmeenergie durch Wärmerückgewinnung nutzen, um bspw. die Gebäudezuluft zu heizen, das Brauchwasser zu erwärmen und darüber hinaus durch Verwendung und Integration von Solaranlagen in den Wärmekreislauf des Gebäudes und/oder durch zusätzliche Nutzung von Erdwärme weitere natürliche Wärmequellen zur Wärmeversorgung nutzbar machen.
• Mit diesen Maßnahmen kann ein konventionelles Heizsystem, das im wesentlichen auf der Basis von Primär- und Sekundärenergie arbeitet, weitgehend überflüssig gemacht werden.
• Maßgeblich für die Auslegung derartiger Lüftungs- und Heizsysteme für Gebäude ist der Leistungsbedarf, der für die Brauchwassererwärmung-sowie für die Gebäudeheizung nach einer Abkühlphase erforderlich ist.
• Die heute bekannten Lüftungs- und Heizsysteme für Passivhäuser bestehen aus einem Kompaktgerät, das der Lüftung des Gebäudes, der Brauchwassererwärmung sowie der Gebäudeheizung dient. Dem Kompaktgerät ist in der Regel ein Erdreichwärmetauscher vorgeschaltet. Überdies weisen Lüftungs- und Heizsysteme einen Brauchwasserwärmespeicher und vorzugsweise eine thermische Solaranlage auf, wodurch die Energieeffizienz der Systeme weiter gesteigert werden kann.
• Dem aus einem Plattenwärmetauscher sowie einer Wärmepumpe bestehenden Kompaktgerät wird zum einen die Gebäudeabluft sowie frische Außenluft, die vorzugsweise über eine Erdwärmetauscher geleitet wird, zugeführt. Der Erdwärmetauscher dient der Vorwärmung der Frischluft in der Heizperiode und glättet darüber hinaus extreme Kältespitzen. Der Plattenwärmetauscher, der eine hohe Rückwärmezahl aufweisen sollte, überträgt einen Teil der Wärmeenergie der Gebäudeabluft auf die zugeführte Frischluft. Die dem Plattenwärmetauscher nachgeschaltete Wärmepumpe nutzt die in der, den Wärmetauscher verlassene Gebäudeabluft noch enthaltene sensible sowie einen großen Teil der latenten Restwärmeenergie durch Entwärmung dieser Abluft bis hin zur Vereisungsgrenze des Verdampfers, um die den Wärmetauscher bereits durchströmte frische Zuluft und gegebenenfalls Brauchwasser innerhalb des Brauchwasserwärmespeicher weiter zu erwärmen. Vorzugsweise weist die Wärmepumpe zwei Kondensatoren auf, von denen der erste der Gebäudezulufterwärmung und der zweite der Brauchwassererwärmung dient.
• Die auf diese Weise erwärmte frische Zuluft verläßt als Gebäudezuluft das Kompaktgerät und gelangt direkt in das Gebäude.
• Die thermische Solaranlage erwärmt das im Brauchwasserwärmespeicher enthaltene Brauchwasser und vermag im Sommer den Betrieb der Wärmepumpe vollständig zu ersetzen. Der Brauchwasserwärmespeicher dient dabei der Speicherung von Wär meenergie, die von der Wärmepumpe und zusätzlich von der Solaranlage geliefert wird und besitzt darüber hinaus einen Heizstab, mit dem eine elektrische Wärmeaufbereitung des Speichermediums möglich ist. Das beschriebene Lüftungs- und Heizsystem ermöglicht eine automatisch geregelte Lüftung der Gebäude typischerweise mit 0.4 bis 0.5 Luftwechseln pro Stunde.
• Am Frauenhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE wurden mit dem Simulationsprogramm TRNSYS Untersuchungen zur Jahreswärmebilanz am Beispiel eines als Passivhaus ausgeführten Reihenmittelhauses unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Lüftungs- und Heizungssystems und unter Zugrundelegung eines bestimmten Nutzerverhaltens, das während der Heizperiode nach Möglichkeit keine oder nur seltene Lüftungen bei offenem Fenster vorsehen sollte, durchgeführt. Dabei gelten folgende Rahmenbedingungen. Das betrachtete Reihenmittelhaus weist eine Wohnfläche von 121 m² auf und wird von 4 Personen bewohnt. Die inneren Wärmequellen betragen 3.35 W/m². Die Feuchteproduktion beträgt 120 g/(h Person). Die Lüftungsanlage ist auf einen Volumenstrom von 125 m³/h eingestellt. Die Infiltration verursacht einen Luftwechsel von 0.05 pro Stunde.
• 2 veranschaulicht in einer Diagrammdarstellung diesbezügliche Untersuchungsergebnisse. Entlang der Ordinate ist der Energiebedarf des betrachteten Hauses für Lüften, Warmwasserbereitung und für die Heizung inklusive aller Hilfsaggregate pro Woche in Einheiten kWh/w aufgetragen. Entlang der Abszisse ist die Monatsabfolge mit einer Diskretisierung von jeweils einer Woche aufgetragen.
• Die im Diagramm eingetragenen, unterschiedlich markierten Säulen pro Woche entsprechen dem wochenweisen Energiebedarf und setzen sich jeweils zusammen aus den entsprechend gekennzeichneten Beiträgen des Solareintrags (S), der Wärmepumpe (W) und des Heizstabs (N). Die Kurve (G) beschreibt die Einhüllende der Gesamt-Wochenenergiewerte. Dadurch wird deutlich, dass der wochenweise Energiebedarf in den Sommermonaten (Juni bis August) ca. 50 kWh/w beträgt, wohingegen in den Wintermonaten (Dezember bis Februar) ein im Vergleich zu den Sommermonaten dreifacher Wert, nämlich ca. 150 kWh/w angenommen wird. Während in den Sommermonaten der Energiebedarf ausschließlich aus dem Solareintrag (S) gedeckt werden kann, wird der Solarbeitrag in den Wintermonaten verschwindend gering. Der in der Winterszeit deutlich erhöhte Wärme wird zum überwiegenden Anteil durch die Wärmepumpe (W) gedeckt, der verbleibende Anteil durch den elektrischen Heizstab (H) im Brauchwasserspeicher. Das Integral der Kurve (G) über das ganze Jahr liefert den jährlichen Gesamtenergiebedarf für Rest-Heizung und Warmwasseraufbereitung und beträgt im untersuchten Fall 4.097 kWh/a. Das Integral über die Einzelenergiebeiträge S, W, N über das Jahr, liefert deren jeweiligen Beitrag zum jährlichen Gesamtenergiebedarf, diese liegen für den Solareintrag bei 1.494 kWh/a, für die Wärmepumpe bei 2.287 kWh/a und für den Heizstab bei 316 kWh/a.
• Die Kurve (B) stellt den jährlichen Verlauf des Energiebedarfs für die Brauchwassererwärmung sowie die Energieverluste dar, die über das gesamte Jahr einen annähernd konstanten Energiebedarf von ca. 50 kwh/w ausmachen. Bildet man das Integral der Kurve (B) über das Jahr, so beträgt der jährliche Gesamtenergiebedarf für Warmwasseraufbereitung und Verluste 2.757 kWh/a. Aus der Differenz der jeweiligen Integrale von G und B über das Jahr ergibt sich der jährliche Gesamtenergieaufwand für die Rest-Heizung, der 1.340 kWh/a beträgt.
• Weitergehende Auswertungen zeigen überdies, dass der jährliche Gesamtenergiebedarf inkl. Speicherverlusten zu 67 % von der Brauchwassererwärmung verursacht wird. Die Solaranlage trägt mit 36 %, die Wärmepumpe mit 56 % und der Heizstab im Brauchwasserwärmespeicher mit 8 % zur Deckung des jährlichen Gesamtwärmebedarfs bei. Der Jahresstrombedarf für Lüftung, Brauchwassererwärmung und Heizung liegt bei ca. 1 kWh/m² und unter 10 kWh/m². Dies entspricht mit dem Primärenergiefaktor für bundesdeutschen Netzmix für Haushaltskunden nach GEMIS 3.01 dem Einsatz von 29.7 kWh_PE/(m²a). Dies liegt deutlich unter der Anforderung von maximal 60 kWh_PE/(m²a) für Passivhäuser.
• Weicht das Nutzverhalten jedoch von dem vorgesehenen ab, kann der Gesamtwärmebedarf zum Beheizen von Passivhäusern stark ansteigen. Besonders kritisch ist dies beim Lüftungsverhalten. Während der Heizperiode sollte in einem Passivhaus nach Möglichkeit nicht oder nur selten über die Fenster gelüftet werden, da die durch die Fenster weggelüftete Abwärme nicht zurückgewonnen werden kann und die Frischluft mit Außentemperatur in die Wohnräume gerät und somit zu einem starken Ansteigen des Wärmebedarfs führt.
• 3 veranschaulicht die Simulationsergebnisse bei einem relativ starken zusätzlichen Luftwechsels von 0.6 h^-1 durch die Fensterlüftung des vorstehend betrachteten Reihenmittelhauses. Die Graphik ist analog der in 2 aufgebaut und beschriftet. Deutlich erkennbar ist der durch das zusätzliche Lüften hervorgerufene Mehrenergiebedarf für Heizung H. Der Gesamtenergiebedarf für Heizung und Warmwasser beträgt nun 8.172 kWh/a, während der Energieaufwand für die Brauchwassererwärmung sich annähernd unverändert zu 2.699 kWh/a bestimmt. Der Beitrag der verschiedenen Energiequellen zu dem jährlichen Gesamtenergiebedarf beträgt für den Solareintrag 1.531 kWh/a, für die Wärmepumpe 4.527 kWh/a und für den Heizstab 2.115 kWh/a. Der Gesamt-Jahresstrombedarf liegt bei 29.7 kWh/m².
• Der zusätzlich erforderliche Heizbedarf kann nur zu einem geringen Teil von der Wärmepumpe abgedeckt werden. Fast die gesamte zusätzliche Wärmeanforderung muß direktelektrisch abgedeckt werden. Der Strombedarf wie auch der Primärenergieeinsatz verdreifacht sich dadurch und liegt mit fast 90 kWh_PE/(m²a) deutlich über der Forderung für Passivhäuser.
• In einem Aufsatz in IKZ-HAUSTECHNIK 1990, Heft 22, wird auf Seite 68 der Einsatz eines Luft-Luft-Wärmetauschers in Verbindung mit einer Wärmepumpe zur Wärmerückgewinnung aus der Abluft von Gebäuden und die Verwendung der rückgewonnenen Wärme zur Erwärmung der Zuluft beschrieben. Ist die damit erzielbare Erwärmung der Zuluft nicht ausreichend, so ist eine zusätzliche Erwärmung der Zuluft erforderlich.
• In einem Aufsatz in TAB 5/87 wird auf den Seite 387–391 vorgeschlagen, die Zuluft mittels einer Primärenergie-Wärmequelle und Wärmetauscher auf die gewünschte Temperatur nachzuheizen.
• Aus der DE 26 34 449 C2 geht ein Regenerativ-Vorwärmer für temperaturgesteuerte Räume hervor, dessen Aufgabe es ist, Zuluft im Sinne von Frischluft vor Eintritt in ein Gebäude durch gezielten Wärmeaustausch mit Wärme der aus einem Gebäude austretenden Abluft thermisch in Kontakt zu bringen. Hierzu wird ein, wie in der Druckschrift näher erläutert wird, taktweise betriebener Wärmekoppler zwischen einem Abluftstrom und einer Frischluftzuleitung in ein Gebäude im Einzelnen dargestellt. Um den Wärmegehalt der Abluft weiter zu steigern, wird diese vor Eintritt in den Wärmekoppler beispielsweise durch direkte Befeuerung mit einem Gasbrenner erwärmt. Auf diese Weise kann der Wärmeübertrag von der erwärmten Abluft auf die Frischluft gesteigert werden.
• Darstellung der Erfindung
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass eine energetisch effizientere und kostengünstigere Deckung der erforderlichen Zusatzheizleistung möglich wird. Insbesondere soll das Heizsystem dem Nutzer eine direkte Möglichkeit bieten, die Auswirkungen unökonomischen Nutzerverhaltens unmittelbar zu erfahren. Ferner soll der Wirkungsgrad der Vorrichtung verbessert, der für die Zusatzheizleistung erforderliche Primärenergieeinsatz reduziert und eine unmittelbare Rückkoppelung zwischen Nutzerverhalten in Bezug auf Lüftung und Wärmeenergieverbrauch und den damit zusammenhängenden Kosten erreicht werden.
• Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist Gegenstand des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Erfindungsgemäß ist eine Wärmepumpen-Kompaktvorrichtung zur geregelten Lüftung und Wärmeenergieversorgung von Gebäuden, vorzugsweise von Niedrig-Energie-Gebäuden und Passivhäusern, in die ein Außenluft- und ein Gebäudeabluftstrom einströmt und vermittels Wärmerückgewinnung aus dem Gebäudeabluftstrom die eingeströmte Außenluft erwärmt und als Gebäudezuluft dem Gebäude wieder zugeführt wird und/oder zur Erwärmung einer Brauchwasserspeichereinheit dient, mit mindestens einem Wärmetauscher, der dem Gebäudeabluftstrom Wärmeenergie entzieht und an den Gebäudezuluftstrom abgibt und mindestens einer dem Wärmetauscher nachgeschalteten Wärmepumpe, die durch weitere Entwärmung der den Wärmetauscher verlassenden Gebäudeabluft eine zusätzliche Erwärmung der Gebäudezuluft bewirkt oder der Brauchwassererwärmung oder beidem dient, derart ausgebildet, dass wenigstens eine Primärenergie-Wärmequelle vorgesehen ist, die den Gebäudeabluftstrom vor Eintritt in den Wärmetauscher und/oder die den Zuluftstrom vor Eintritt in die Wärmepumpe erwärmt.
• Durch die Integration einer Primärenergie-Wärmequelle, vorzugsweise eines Flüssiggasbrenners in die Wärmepumpen-Kompaktvorrichtung vorzugsweise derart, dass der Flüssiggasbrenner im Gebäudeabluftstrom dem Wärmetauscher vorgeschaltet ist, ist eine Reihe von Vorteilen verbunden:
• • Es steht eine leistungsstarke, kurzfristig verfügbare Wärmequelle zur Verfügung, die über den Plattenwärmetauscher einen großen Teil der Brennstoffenergie an die Gebäudezuluft abgeben kann und durch die Erhöhung des Temperaturniveaus und des Feuchtegehalts das sensible und latente Wärmepotential der Wärmequelle der Wärmepumpe erhöht und so eine effektive Brennwertnutzung des Flüssiggases ermöglicht.
• • Durch diese Wärmequelle kann die Spitzenanforderung des Wärmebedarfs im Winter bei weitgehendem Ersatz des elektrischen Heizbedarfs gedeckt werden. Dies steigert die Energieeffizienz des Gesamtsystems.
• • Es vereinfachen sich die Sicherheitsanforderungen an den Brenner, da entstehendes Abgas nicht in die Wohnräume gelangen kann.
• • Die Wärmeenergie der Flüssiggasbrennersabgase können auch für das Abtauen des Verdampfers der Wärmepumpe verwendet werden, wodurch der große energetische Aufwand für die Heißgasabtauung überflüssig wird.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll insbesondere mit handelsüblichen Flüssiggasflaschen zur Versorgung des Brenners betrieben werden, zumal bei dem projektierten Wärmeverbrauch eines Passivhauses zur Deckung der Spitzenlast der Wärmeenergie der Energieinhalt einer handelsüblichen 33 kg Flasche Flüssiggas ausreicht. Damit wird eine unmittelbare Rückkoppelung zwischen dem Nutzverhalten in Bezug auf Lüftung und Wärmeenergieverbrauch und der Notwendigkeit der Bestellung einer neuen Flasche bzw. den damit verbundenen Kosten erreicht.
• Es ist auch vorteilhaft den Küchenherd an die Flüssiggasversorgung anzuschließen um so eine weitere Energiedienstleistung im Haushalt primärenergetisch effizient zu erbringen.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
• 1 Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Integration eines Flüssiggasbrenners in das Wärmepumpen-Kompaktgerät,
• 2 Jahreswärmebilanz in Wochenwerten für ein typisches Passivhaus mit Kompaktgerät und Solaranlage bei vorteilhaftem Nutzerverhalten und
• 3 Jahreswärmebilanz in Wochenwerten für ein typisches Passivhaus mit Kompaktgerät und Solaranlage bei zusätzlicher Fensterlüftung mit 0.6-fachem Luftwechsel pro Stunde.
• Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
• In 1 ist das erfindungsgemäße Prinzip der Integration einer Primärenergie-Wärmequelle in das Wärmepumpen-Kompaktgerät (16) am Beispiel eines Flüssiggasbrenners (7) dargestellt.
• Das Wärmepumpen-Kompaktgerät mit Flüssiggasbrenner (16) dient der geregelten Lüftung und Heizung des dargestellten Passivhauses (15), indem es die in der Gebäudeabluft (2) enthaltene Wärmeenergie sowie die durch den Flüssiggasbrenner (7) erzeugte Wärmeenergie einerseits zur Erwärmung der einströmenden Außenluft (1 ), die das Gerät als Gebäudezuluft (3) wieder verläßt und andererseits zur Brauchwassererwärmung (4) nutzt. Das dargestellte Wärmepumpen-Kompaktgerät (16) besteht aus einem Wärmetauscher (5), einer Wärmepumpe (6) sowie dem Flüssiggasbrenner (7).
• Die Gebäudeabluft (2) wird zunächst durch den Flüssiggasbrenner (7) stark erwärmt, indem die Verbrennungsabgase des Flüssiggasbrenners in die Gebäudeabluft eingespeist werde, wodurch die sensible Wärmeenergie der Gebäudeabluft (2) stark erhöht wird. Durch die Verbrennungsabgase wird der Feuchtegehalt ebenfalls erhöht, was zu einer Erhöhung der latenten Wärmeenergie im Gebäudeabluftstrom nach dem Flüssiggasbrenner (7) führt. In dem nachfolgend durchströmten Wärmetauscher (5) wird ein großer Anteil der sensiblen Wärmeenergie auf die dem Wärmepumpen-Kompaktgerät (16) zugeführte Außenluft übertragen. Nach Verlassen des Wärmetauschers (5) wird die Gebäudeabluft (2) zur Nutzung der darin noch enthaltenen Restwärmeenergie als Wärmequelle einer Wärmepumpe (6) zugeführt, bevor sie als Fortluft (17) in die freie Atmosphäre strömt. Das sensible und latente Wärmepotential der Gebäudeabluft (2) vor der Wärmepumpe (6) ist, im Vergleich zum Wärmepumpen-Kompaktgerät ohne Flüssiggasbrenner deutlich größer. Dies bewirkt eine effizientere Energieumsetzung in der Wärmepumpe (6) und eine zusätzliche Wärmerückgewinnung mit Brennwertnutzung aus dem Abgas des Flüssiggasbrenners (7). Die Wärmepumpe (6) kann eine Entwärmung der Gebäudeabluft (2) bzw. Fortluft (17) bis zur Vereisungsgrenze des integrierten Verdampfers erreichen. Die Wärmepumpe (6) weist zwei Kondensatoren auf, von denen einer für die Gebäudezulufterwärmung bei Heizbedarf sorgt und der zweite der Brauchwassererwärmung (4) dient. Zwischen beiden Kondensatoren kann mit Hilfe von Magnetventilen entsprechend umgeschaltet werden.
• Dem Wärmepumpen-Kompaktgerät (16) ist ein Erdwärmetauscher (9) vorgeschaltet durch den die Außenluft während der Heizperiode erwärmt wird und der so extreme Kältespitzen der Außenluft glättet.
• Zur Speicherung von Wärmeenergie und zur Aufbereitung des Brauchwassers ist eine Brauchwasserspeichereinheit (10) vorgesehen. Das Brauchwasserspeichervolumen wird an der tiefsten Stelle mit einströmenden Kaltwasser (13) versorgt. Über die Brauchwassererwärmung (4) der Wärmepumpe (6) wird das Kaltwasser im Brauchwasserspeicher erwärmt. Als weitere Wärmequelle ist ein Elektroheizstab (12) im Brauchwasserspeicher (10) vorgesehen. Die Warmwasserversorgung (14) des Hauses wird im oberen Teil des Brauchwasserspeichers abgenommen.
• Die Energieeffizienz des Systems kann durch die Kombination mit einer thermischen Solaranlage (11) weiter gesteigert werden. Dieses System nutzt die direkte Solarenergie und dient ebenfalls der Brauchwassererwärmung (4). Durch entsprechende Auslegung kann im Sommer dadurch der Betrieb der Wärmepumpe (6) überflüssig gemacht werden.
• Grundsätzlich läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zur geregelten Lüftung und Wärmeenergieversorgung in allen Gebäuden zur Reduzierung des Primärenergiebedarfs einsetzten. Besonders hohe Einsparungen an Primärenergie werden jedoch in Gebäuden mit guter Wärmedämmung und hohen Solarenergiegewinnen, sogenannten Passiv- oder Niedrig-Energie-Häusern erreicht. Für Passivhäuser und sehr gute Niedrigenergiehäuser kann mit dem Gerät die gesamte Wärmeversorgung gedeckt werden.
• Die erfindungsgemäße Integration einer Primärenergie-Wärmequelle in ein Wärmepumpen-Kompaktgerät, vorzugsweise eines Flüssiggasbrenners, der mit konventionellen Flüssiggasflaschen betrieben wird, eignet sich zur unmittelbaren Rückkoppelung zwischen Nutzerverhalten in Bezug auf Gebäudelüftung und Wärmeenergieverbrauch und den damit in Zusammenhang stehenden Aufwendungen.

1

Außenluftstrom

2

Gebäudeabluftstrom

3

Gebäudezuluftstrom

3'

Zuluftstrom

4

Brauchwassererwärmung

5

Wärmetauscher

6

Wärmepumpe

7

Flüssiggasbrenner

8

Flüssiggasflasche

9

Erdwärmetauscher

10

Brauchwasserspeichereinheit

11

Thermische Solaranlage

12

Elektroheizstab

13

Kaltwasserzufluß

14

Warmwasserabfluß

15

Passivhaus

16

Wärmepumpen-Kompaktgerät

17

Fortluft

S

Energiebeitrag durch thermische Solarenergie

W

Energiebeitrag durch die Wärmepumpe

H

Energiebeitrag durch den Elektroheizstab

G

Gesamtenergiebedarf für Heizung und Warmwasseraufbereitung

B

Gesamtenergiebedarf für Warmwasseraufbereitung inklusive der Verluste

Claims (6)

1. Wärmepumpen-Kompaktvorrichtung (16) zur geregelten Lüftung und Wärmeenergieversorgung von Gebäuden (15), vorzugsweise von Niedrig-Energie-Gebäuden oder Passivhäusern, mit – mindestens einem Wärmetauscher (5), – mindestens einer dem Wärmetauscher (5) nachgeschalteten Wärmepumpe (6), – einem Außenluft- (1) sowie einem Gebäudeabluftstrom (2), die in den Wärmetauscher (5) einströmen, – einem Gebäudeabluft- (2) sowie einem Zuluftstrom (3'), die aus dem Wärmetauscher (5) austreten und in die Wärmepumpe (6) einmünden, aus der ein Gebäudezuluftstrom (3), der in das Gebäude (15) mündet, sowie der Fortluftstrom (17) austreten dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Primärenergie-Wärmequelle vorgesehen ist, die den Gebäudeabluftstrom (2) vor Eintritt in den Wärmetauscher (5) und/oder die den Zuluftstrom (3') vor Eintritt in die Wärmepumpe (6) erwärmt.
2. Wärmepumpen-Kompaktvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärenergie-Wärmequelle ein Gasbrenner (7), vorzugsweise ein Flüssiggasbrenner ist, der mit handelsüblichen Flüssiggasflaschen (8) betreibbar ist.
3. Wärmepumpen-Kompaktvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (5) ein Plattenwärmetauscher ist.
4. Wärmepumpen-Kompaktvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenluftstrom (1) über einen Erdwärmertauscher (9) dem Wärmetauscher (5) zuführbar ist.
5. Wärmepumpen-Kompaktvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Speicherung thermischer Energie eine Brauchwasserspeichereinheit (10) vorgesehen ist, zu deren Erwärmung Verbindungsleitungen zur Wärmepumpe (6) vorgesehen sind.
6. Wärmepumpen-Kompaktvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsabgase des Gasbrenners (7) in den Gebäudeabluftstrom einmünden.