DE19827511A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Lüftung und Wärmeenergieversorgung für Niedrig-Energie-Gebäude oder Passivhäuser - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Lüftung und Wärmeenergieversorgung für Niedrig-Energie-Gebäude oder Passivhäuser

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DE19827511A1
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Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur geregelten Lüftung und Wärmee­ nergieversorgung von Niedrig-Energie- oder Passivhäusern mit einem Wärmespei­ cher und einem Wärmepumpen-Kompaktaggregat, das einen Wärmetauscher und eine nachgeschaltete Wärmepumpe aufweist und in das Frischluft und Gebäude­ abluft einströmen.
Stand der Technik
Vorrichtungen der vorstehend beschriebenen Gattung dienen einer geregelten Lüf­ tung mit Wärmerückgewinnung, der Brauchwassererwärmung und der Heizung von Niedrig-Energie-Gebäuden insbesondere Passivhäusern.
In Deutschland wird ein Drittel der Primärenergie für die Bereitstellung von Raum­ wärme und Warmwasser in den privaten Haushalten eingesetzt. Die Ressourcen der überwiegend eingesetzten fossilen Energieträger sind begrenzt. Die Aufnahmefähig­ keit der Atmosphäre für das bei Verbrennungsprozessen freiwerdende CO2 zeigt Grenzen. Die Bundesregierung hat sich infolgedessen ein Ziel zur Senkung des CO2-Aus­ stoßes um ein Viertel bis zum Jahre 2005 gesetzt. Zur Umsetzung dieses Vorha­ bens ist es von großer Bedeutung, die nachgewiesenermaßen hohen Einsparpoten­ tiale im Wohnbereich zu erschließen.
Auf der anderen Seite liegt der Heizenergiebedarf im deutschen Wohnungsbestand bei Werten von 250 bis 300 kWh/(m2a), Werte, die bis zum Ende des Jahrzehnts im Rahmen der Energieeinsparverordnung EnEV'99 bei Neubauten auf 40 bis 70 kWh/(m2a) gesenkt werden sollen. Darüber hinaus gehende Maßnahmen zur Sen­ kung des Heizenergiebedarfs lassen sich meist nicht mehr aus den eingesparten Energiebezugskosten refinanzieren. Hierfür ist eine Einsparung im Bereich der Inve­ stitionskosten notwendig.
Mit dem Konzept von Passivhäusern wird dieser Weg der Einsparung von Heizener­ gie seit einiger Zeit erfolgreich eingeschlagen. Derartige Häuser zeichnen sich durch sehr gute Wärmedämmungseigenschaften und hohe passive Solargewinne aus und sehen eine kontrollierte Lüftung mit Wärmerückgewinnung vor. Der Heizenergiebe­ darf wird hierbei bis zu dem Punkt gesenkt, an dem deutliche Vereinfachungen in der Haustechnik der Gebäude möglich werden. So kann für die Verteilung der Rest­ heizwärme das bereits vorgesehene Lüftungssystem verwendet werden. Eine sepa­ rate Heizwärmeverteilung mit Radiatoren oder Fußbodenheizung wird überflüssig
Ferner stellen derartige Gebäude stark veränderte Anforderungen an das System zur Restwärmebereitstellung, wobei die benötigten Jahresenergiemengen ebenso wie die Heizleistung vergleichsweise gering sind. Hierbei führen gute Wärmedämmungs­ eigenschaften des Gebäudes zu einem trägen thermischen Verhalten. Auch wird die Auslegung des Heizsystems durch den Leistungsbedarf für die Brauchwassererwär­ mung und durch ein eventuelles Aufheizvermögen des Gebäudes nach einer Ab­ kühlphase bestimmt. So ist es möglich bei einem Restheizwärmebedarf unter 15 kWh/m2a und einer maximalen Heizlast von 10 W/m2 auf ein konventionelles Heizsy­ stem zu verzichten.
Im Rahmen von Forschungsprojekten wurde gezeigt daß unter mitteleuropäischen Rahmenbedingungen mit dem zur Verfügung stehenden Know-How und vorhandener Technik Gebäude gebaut werden können, die einen Reszheizwärmebedarf von 10 bis 20 kWh/(m2a) besitzen. 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 Wärmerückgewin­ nung nutzen, um bspw. die Gebäudezuluft zu heizen, das Brauchwasser zu erwär­ men 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 zu machen.
Durch die Entwicklung hierauf abgestimmter, kostengünstiger Systeme können Inve­ stitionskosten aus dem Bereich der Haustechnik in die Verbesserung der Gebäude­ hülle verlagert werden, wodurch die investiven Mehrkosten für einen verbesserten Baustandard zum Teil ausgeglichen werden können. Damit ergibt sich ein kostengün­ stiges Gesamtkonzept bei hoher Primärenergieeinsparung.
Aktuell werden Lüftungs- und Heizsysteme für Passivhäuser entwickelt, die aus ei­ nem Kompaktaggregat bestehen, das der Lüftung des Gebäudes, der Brauchwas­ sererwärmung sowie der Gebäudeheizung dient. Dem, aus einem Wärmetauscher sowie einer Wärmepumpe bestehenden Kompaktaggregat wird zum einen die Ge­ bäudeabluft sowie frische Außenluft, die vorzugsweise über einen Erdwärmetauscher geleitet wird, zugeführt. Der Erdwärmetauscher dient der Vorwärmung der Frischluft in der Heizperiode und glättet darüber hinaus extreme Kältespitzen. Der Wärmetau­ scher, der eine hohe Rückwärmzahl aufweisen sollte, überträgt einen Teil der Wär­ meenergie der Gebäudeabluft auf die zugeführte Frischluft. Die auf diese Weise er­ wärmte Frischluft verläßt als Gebäudezuluft das Kompaktaggregat. Die dem Wärme­ tauscher im Luftströmungsfluß nachgeschaltete Wärmepumpe nutzt die, in der Ge­ bäudeabluft nach Verlassen des Wärmetauschers noch enthaltene Restwärmeener­ gie durch Entwärmung bis hin zur Vereisungsgrenze des Verdampfers um Brauch­ wasser innerhalb des Wärmespeichers zu erwärmen oder die Zuluft weiter nachzuer­ wärmen.
Wie Untersuchungen zeigen, werden bei guten Niedrig-Energie- oder Passivhäusern bis zu 70% des Gesamt-Jahresenergiebedarfs durch die Brauchwassererwärmung verursacht. Durch den Einsatz von Solarkollektoren läßt sich der Restwärmebedarf der Brauchwasserbereitung auf etwa ein Drittel des üblichen Wertes senken. Es lie­ gen Beispiele vor, die bis zur solaren Volldeckung des gesamten Wärmebedarfs für Raumheizung und Warmwasser reichen. Aus wirtschaftlichen Gründen wird eine der­ artige Volldeckung jedoch nur in wenigen Fällen realisiert werden. Eine Restbedarfs­ deckung ist somit durch ein zusätzliches Wärmeversorgungssystem zu gewährlei­ sten.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß durch Nutzung von Solarenergie die Energieeffizienz des Lüftungs- und Heizungssystems gesteigert sowie der Pri­ märenergieaufwand für Heizung und Brauchwassererwärmung verringert wird, um die damit zusammenhängenden Kosten zu reduzieren. Insbesondere soll der Wir­ kungsgrad der Vorrichtung durch flexible und optimierte Verschaltung der Kompo­ nenten, abhängig von der eingestrahlten Solarenergie verbessert werden.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist Gegenstand des An­ spruchs 1. Gegenstand des Anspruchs 13 ist ein Verfahren zum Betrieb der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Un­ teransprüche.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur geregelten Lüftung und Wärmeenergiever­ sorgung von Niedrig-Energie- oder Passivhäusern mit einem Wärmespeicher und einem Wärmepumpen-Kompaktaggregat, das einen Wärmetauscher und eine im Luftstrom nachgeschaltete Wärmepumpe aufweist und in das Frischluft und Gebäu­ deabluft einströmen, derart ausgebildet, daß ein Solar-Luft-Kollektor vorgesehen ist, der mit dem Wärmepumpen-Kompaktaggregat sowie dem Wärmespeicher über Ventileinheiten in Abhängigkeit von der auf den Solar-Luft-Kollektor eingestrahlten Sonnenstrahlungsstärke derart verschaltbar ist, daß der Solar-Luft-Kollektor bei ge­ ringer Sonnenstrahlungsstärke (ca. 200 W/m2) im Gebäudezuluftstrom dem Wärme­ pumpen-Kompaktgerät nachgeschaltet ist und die Gebäudezuluft erwärmt, daß bei mittlerer Sonnenstrahlungsstärke (ca. 400 W/m2) Außenluft in den Solar-Luft-Kol­ lektor einbringbar ist, die im Solar-Luft-Kollektor erwärmt und zu dem Gebäude­ abluftstrom im Wärmepumpen-Kompaktgerät zwischen dem Wärmetauscher und der Wärmepumpe eingemischt wird und daß bei hoher Solarenergieeinstrahlung (ca. 800 W/m2) der Solar-Luft-Kollektor in einem geschlossenen Luftkreislauf betreibbar ist und über einen Luft-Wasser-Wärmetauscher der Brauchwassererwärmung dient.
Durch die flexible, im Hinblick auf die Nutzung der eingestrahlten Solarenergie opti­ mierte Verschaltung eines Wärmepumpen-Kompaktaggregats, eines Wärmespei­ chers mit einem Solar-Luft-Kollektor, sind folgende Vorteile verbunden:
  • - Die Nutzung von Solarenergie durch einfache und kostengünstige Konstruktionen von Solar-Luft-Kollektoren im Verbund mit einem Wärmepumpen­ kompaktaggregat und einem Wärmespeicher führt zu deutlichen Einsparungen beim Primärenergieaufwand für Restheizung und/oder Brauchwassererwärmung und somit zu Kosteneinsparungen.
  • - Der Wirkungsgrad der Lüftungs- und Heizungsanlage wird durch die flexible Ver­ schaltung von Wärmepumpen-Kompaktaggregat, Wärmespeicher und Solar-Luft-Kol­ lektor in Abhängigkeit der Solarenergieeinstrahlung erheblich gesteigert.
  • - Durch die Einleitung der vom Solar-Luft-Kollektor erwärmten Außenluft in die Ge­ bäudeabluftströmung zwischen Wärmepumpe und Wärmetauscher des Wärme­ pumpen-Kompaktaggregats wird die Energieeffizienz der Lüftungs-Hei­ zungsanlage deutlich erhöht.
  • - Die Sicherheitsanforderungen an den Solar-Luft-Kollektor sind im Vergleich zu Solar-Wasser-Kollektoren vereinfacht, da im Fall von Leckagen keine flüssigen Medien austreten können. Zudem besteht beim Solar-Luft-Kollektor keine Gefahr der Kontamination durch Abgase, wie bei Wärmeüberträgern die Primärener­ giebrenner verwenden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsge­ dankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Verschaltung des Solar-Luft-Kol­ lektors mit dem Wärmepumpen-Kompaktaggregat und dem Wärmespei­ cher,
Fig. 2 Betriebszustand des gesamten Lüftungs- und Heizungssystems bei tiefen Temperaturen und ohne Solareinstrahlung,
Fig. 3 Betriebszustand des gesamten Lüftungs- und Heizungssystems bei geringer Solareinstrahlung (ca. 200 W/m2),
Fig. 4 Betriebszustand des gesamten Lüftungs- und Heizungssystems bei mittlerer Solareinstrahlung (ca. 400 W/m2),
Fig. 5 Betriebszustand des gesamten Lüftungs- und Heizungssystems bei hoher Solareinstrahlung (ca. 800 W/m2).
In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch dargestellt. Die Vor­ richtung dient der Lüftung, der Heizung und der Brauchwasserversorgung eines Niedrig-Energie- oder Passivhauses 7. Sie besteht aus einem Wärmepumpen-Kom­ paktaggregat 1 mit integriertem Wärmetauscher 3 und im Luftstrom nachge­ schalteter elektrischer Wärmepumpe 4, einem Wärmespeicher 2, einem Erdwärme­ tauscher 6 und einem Solar-Luft-Kollektor 5.
In das Wärmepumpen-Kompaktaggregat wird ein Gebäudeabluft- 10 sowie ein Frischluftstrom 9 eingeleitet. Die Gebäudeabluft 10 weist typischerweise eine Tem­ peratur von +20°C auf. In Abhängigkeit von der Außenlufttemperatur wird in das Wärmepumpen-Kompaktaggregat 1 Außenluft 8 entweder direkt über ein Ein-Wege-Ven­ til 24 oder über einen Erdwärmetauscher 6 als Frischluft 9 eingeleitet. Der Erd­ wärmetauscher 6 vergleichsmäßig das Temperaturniveau der Frischluft 9 und ist vor­ zugsweise derart ausgelegt, daß bei Normaußenlufttemperatur von -12°C eine Er­ wärmung der Frischluft 9 auf +8°C erreichbar ist.
Im Wärmepumpen-Kompaktaggregat 1 wird ein großer Teil der in der Gebäudeabluft 10 enthaltenen sensiblen Wärmeenergie im Wärmetauscher 3 zur Erwärmung der einströmenden kälteren Frischluft 9 genutzt, die als Gebäudezuluft 11 das Wärme­ pumpen-Kompaktaggregat 1 verläßt. Der Wärmetauscher 3 besteht vorzugsweise aus zwei in Reihe geschalteten Kreuzstromwärmetauschern, oder einem Gegen­ stromwärmetauscher mit einer Rückwärmzahl von 80%. Die in der Gebäudeabluft 12 nach Verlassen des Wärmetauschers 3 noch enthaltene Restwärmeenergie wird durch eine im Strömungsfluß nachgeschaltete, elektrische Wärmepumpe 4, vor­ zugsweise mit einem drehzahlgeregelten Arbeitsmittelverdichter, der eine Entwär­ mung der Gebäudeabluft bis zur Vereisungsgrenze des Verdampfers erreicht, für die Erwärmung des Wärmespeichers 2 genutzt. Hierbei wird für den Wärmetransfer zum Wärmespeicher 2 dem Wärmespeicher 2 im unteren Bereich kaltes Speichermedium über eine Pumpe 21 entnommen, der Wärmepumpe 4 zugeführt, dort erwärmt und dem Wärmespeicher 2 im oberen Bereich wieder zugeführt.
Die im Wärmespeicher 2 gespeicherte Wärmeenergie wird zum größten Teil - im Passivhaus bis zu 75% - für die Brauchwasserbereitung benötigt. Hierfür sind kurz­ zeitig hohe Leistungen gefordert. Diese können vom Wärmespeicher 2 über einen weiteren Wärmetauscher für die Brauchwasserbereitung 27 bereitgestellt werden.
Für die optimierte Nutzung von Solarenergie zur Heizungsunterstützung und Brauchwassererwärmung ist ein Solar-Luft-Kollektor 5 derart mit dem Wärmepum­ pen-Kompaktaggregat 1 und dem Wärmespeicher 2 über steuerbare Ventileinheiten 14, 16 und 17 verschaltet, daß abhängig von der eingestrahlten Solarenergieleistung, die im Solar-Luft-Kollektor 5 auf die jeweilige Luftströmung übertragene Wärmeener­ gie
  • - zur weiteren Erwärmung der Gebäudezuluft 11 nach Verlassen des Wär­ mepumpen-Kompaktaggregats 1 genutzt wird, um anschließend dem Pas­ sivhaus 7 als erwärmte Hauszuluft 26 zugeführt zu werden. Eine erste Ventileinheit 14 ist in diesem Fall derart geschaltet, daß die Gebäudezuluft 11 nach Verlassen des Wärmepumpen-Kompaktaggregats 1 dem Solar- Luft-Kollektoreingang 22 zugeführt wird. Eine dritte Ventileinheit 16 ist der­ art geschaltet, daß die durch den Solar-Luft-Kollektor erwärmte Gebäude­ zuluft 11 dem Haus-Zuluftkanal 25 zugeführt wird und als Hauszuluft 26 in das Passivhaus 7 gelangt. Eine zweite und vierte Ventileinheit 15 und 17 sind hierbei in Strömungsrichtung zum Solar-Luft-Kollektoreingang 22 ge­ schlossen.
  • - zur Erwärmung von Außenluft 8 genutzt wird, um anschließend der Ge­ bäudeabluft 12 im Wärmepumpen-Kompaktaggregat 1 zwischen Wärme­ tauscher 3 und Wärmepumpe 4 übertragen zu werden. Die erste Ventilein­ heit 14 verbindet in diesem Fall den Gebäudezuluftausgang des Wärme­ pumpen-Kompaktaggregats 1 mit dem Haus-Zuluftkanal 25 und ist daher in Richtung des Solar-Luft-Kollektoreingangs 22 gesperrt. Die Außenluft 8 wird über die zweite Ventileinheit 15 dem Solar-Luft-Kollektoreingang 22 zugeführt. Die dritte Ventileinheit 16 ist derart geschaltet, daß der Solar- Luft-Kollektorausgang 23 über einen Wärmetauscher 18 und einen Venti­ lator 19 mit der vierten Ventileinheit 17 verbunden ist. Die vierte Ventilein­ heit ist derart geschaltet, daß der Solar-Luft-Kollektorausgang 23 mit der Gebäudeabluftleitung 12 zwischen dem Wärmetauscher 3 und Wärme­ pumpe 4 im Wärmepumpen-Kompaktaggregat 1 verbunden ist.
  • - zur Erwärmung von Luft in einem geschlossenen Kreislauf genutzt wird, um über einen im Kreislauf befindlichen Luft-Wasser-Wärmetauscher 18 dem Wärmespeicher 2 zugeführt zu werden. Die erste Ventileinheit 14 verbindet in diesem Fall den Gebäudezuluftausgang des Wärmepumpen-Kom­ paktaggregats 1 mit dem Haus-Zuluftkanal 25 und ist daher in Rich­ tung des Solar-Luft-Kollektoreingangs 22 gesperrt. Die zweite Ventileinheit 15 ist in Richtung des Solar-Luft-Kollektoreingangs 22 ebenfalls gesperrt. Die dritte 16 und vierte 17 Ventileinheit sind jeweils so geschaltet, daß der Solar-Luft-Kollektorausgang 23 in einem geschlossenen Luftkreislauf über den Luft-Wasser-Wärmetauscher 18 und der Luftförderpumpe 19 mit dem Solar-Luft-Kollektoreingang verbunden ist.
Die Regelung des gesamten Lüftungs- und Heizungssystems erfolgt vorzugsweise durch ein automatisches Steuersystem.
Die nachfolgend genannten Kennwerte beziehen sich beispielhaft auf ein typisches Wohnhaus in Passivhausbauweise. Der Volumenstrom für den Luftwechsel ist im Passivhaus 7 zu 150 m3/h angenommen.
Fig. 2 zeigt den Betriebszustand des gesamten Lüftungs- und Heizungssystems bei tiefen Außentemperaturen und ohne jegliche Solarstrahlung.
Dieser Betriebszustand charakterisiert die Leistungsauslegung des Heizsystems bspw. in der Winterzeit. Passivhäuser haben unter diesen Voraussetzungen einen maximalen Restheizenergiebedarf ohne Solargewinne von ca. 10 W/m2, wobei die in diesem Fall dargestellte Luftführung über einen ausreichend dimensionierten Erd­ wärmetauscher 8 und eine Lüftungswärmerückgewinnung mit einer Rückwärmzahl von ca. 80% erfolgt. Die Wärmeversorgung erfolgt in diesem Fall mit Hilfe einer Wärmepumpe 4 sowie des Wärmetauschers 3, ferner dient zur weiteren Erwärmung der Haus-Zuluft 26 der Wärmespeicher 2.
Neben einem zu deckenden Heizenergiebedarf besteht bei einem Vier-Personen-Haus­ halt ein täglicher Wärmebedarf zur Brauchwasserbereitung von ca. 6 kWh. Zu­ sammen mit den Verlusten des Wärmeverteilsystems und den Speicherverlusten kann der Wärmespeicher diese Wärme nur ca. 2 bis 4 Tage aufbringen. Anschlie­ ßend muß ein Backup-System die benötigte Wärme bereitstellen. Hierfür ist vor­ zugsweise ein Elektroheizstab im Wärmespeicher vorgesehen.
Bei einer angenommenen Normaußenlufttemperatur von -12°C wird die Außenluft 8 durch den Erdwärmetauscher 6 geleitet, dadurch auf ca. +8°C erwärmt und als Frischluft 9 dem Wärmetauscher 3 des Wärmepumpen-Kompaktaggregats 1 zuge­ führt. Dem Wärmetauscher 3 wird zudem die ca. +20°C warme Gebäudeabluft 10 zugeführt. Im Wärmetauscher 3 wird ein großer Teil der sensiblen Wärmeenergie der Gebäudeabluft 10 auf die Frischluft 9 übertagen, die als Gebäudezuluft 11 das Wär­ mepumpen-Kompaktaggregat 1 verläßt. Im Wärmetauscher 3 wird die eingeströmte Frischluft 9 auf ca. +17°C erwärmt, dadurch wird die Gebäudeabluft 12 auf ca. +11°C abgekühlt und anschließend zur weiteren Gewinnung der noch enthalte­ nen sensiblen und latenten Restwärmeenergie der Wärmepumpe 4 zugeführt.
Der Gebäudezuluftausgang des Wärmepumpen-Kompaktaggregats 1 ist mit der als 2-Wege-Ventil ausgestalteten ersten Ventileinheit 14 verbunden. Da keine durch den Solar-Luft-Kollektor verwertbare Solarenergie vorhanden ist, ist die erste Ventileinheit 14 so geschaltet, daß die +17°C warme Gebäudezuluft 11 in den Haus-Zuluftkanal 25 geleitet wird. Zur weiteren Erwärmung der Gebäudezuluft 11 ist im Haus-Zuluftkanal 25 ein Wärmetauscher 20 mit einer Auslegungsleistung von 1200 W vorgesehen, dem als Wärmequelle der Wärmespeicher 2 dient und der die Haus-Zuluft 26 er­ wärmt.
Fig. 3 zeigt den Betriebszustand des gesamten Lüftungs- und Heizungssystems bei geringer Solarenergieeinstrahlung von ca. 200 W/m2 und moderaten Außenlufttem­ peraturen von ca. +5°C.
Die Außenluft 8 wird über den Erdwärmetauscher 6 auf +10°C erwärmt und dem Wärmepumpen-Kompaktaggregat 1 als Frischluft 9 zugeführt. Durch Wärmerückge­ winnung aus der ca. +20°C warmen Gebäudeabluft 10, analog wie für Fig. 2 be­ schrieben, wird die Frischluft 9 im Wärmepumpen-Kompaktgerät 1 auf + 18°C er­ wärmt und verläßt dieses als Gebäudezuluft 11. Die erste Ventileinheit 14 verbindet in diesem Fall den Gebäudezuluftausgang am Wärmepumpen-Kompaktaggregat 1 mit dem Solar-Luft-Kollektoreingang 22. Bei einer angenommenen Solar-Luft-Kol­ lektorfläche von 7,5 m2 und einem Volumenstrom von 150 m3/h im Solar-Luft-Kol­ lektor 5 ergibt sich eine Kollektorheizleistung von ca. 300 W. Dadurch wird die in den Solar-Luft-Kollektor 5 einströmende Gebäudezuluft 11 auf ca. 24°C erwärmt und anschließend dem Haus-Zuluftkanal 25 zugeführt. Der im Haus-Zuluftkanal inte­ grierte Wärmetauscher ist dabei nicht aktiviert.
Bei diesen Bedingungen sinkt der Heizbedarf eines Passivhauses 7 unter 3 W/m2. Damit reicht die im Beispiel dargestellte Haus-Zulufterwärmung um zusätzliche 6°C im Solar-Luft-Kollektor 5 als Restheizung aus. Die durch die Wärmepumpe 4 gewon­ nene Wärme dient analog der Beschreibung zu Fig. 2 der Temperaturerhöhung des Wärmespeichers und damit der Brauchwasserbereitung.
Fig. 4 zeigt den Betriebszustand des gesamten Lüftungs- und Heizungssystems bei mittlerer Solarenergieeinstrahlung von ca. 400 W/m2 und Außenlufttemperaturen von ca. +10°C.
Bei einer Solarstrahlung von 400 W/m2 besteht im Passivhaus 7 kein Heizenergiebe­ darf mehr. Die passiven Solargewinne und die inneren Wärmequellen reichen zur Wärmebedarfsdeckung aus. Gleichzeitig reicht die Solarstrahlung noch nicht für eine Warmwasserbereitung durch den Solar-Luft-Kollektor 5.
Zur Lüftung und Heizung des Hauses wird Außenluft 8 durch den Erdwärmetauscher 6 geleitet, dadurch auf ca. 12°C erwärmt und dem Wärmepumpen-Kompaktaggregat 1 als Frischluft zugeführt. Analog der Beschreibungen zu den Fig. 1-3 wird im Wärmepumpen-Kompaktaggregat 1 durch Wärmerückgewinnung aus der ca. +20°C warmen Gebäudeabluft 10 die einströmende Fischluft 9 erwärmt. In diesem Fall ver­ läßt die erwärmte Frischluft 9 als Gebäudezuluft 11 das Wärmepumpen­ kompaktaggregat 1 mit einer Temperatur von ca. +19°C und wird ohne weitere Nacherwärmung über die erste Ventileinheit 14 dem Passivhaus 7 als Haus-Zuluft 26 zugeführt. Der im Haus-Zuluftkanal integrierte Wärmetauscher ist in diesem Fall nicht aktiv.
Die eingestrahlte Solarenergie (400 W/m2) wird zur Erwärmung der +10°C warmen Außenluft 8, die über die zweite Ventileinheit 15 in den Solar-Luft-Kollektor 5 strömt, genutzt. Bei der angenommenen Solar-Luft-Kollektorfläche von 7,5 m2 und einem Volumenstrom von 60 m3/h ergibt sich dabei eine Heizleistung von 980 W. Die im Solar-Luft-Kollektor 5 erwärmte Außenluft 8 wird dadurch auf ca. + 60°C erwärmt und über die dritte und vierte Ventileinheit 16 und 17 dem Gebäudeabluftstrom 12 im Wärmepumpen-Kompaktaggregat 1 zwischen dem Wärmetauscher 3 und der Wär­ mepumpe 4 zugeführt. Der in der Leitung zwischen der dritten und vierten Ventilein­ heit integrierte Luft-Wasser-Wärmetauscher ist in diesem Fall nicht aktiv. Hierdurch wird die Temperatur der Wärmequelle der Wärmepumpe 4 erhöht. Da­ durch besteht die Möglichkeit, den Saugdruck und damit die Verdampfungstempe­ ratur anzuheben. Hierdurch ergibt sich eine Steigerung der Leistungszahl und damit eine Senkung des Strombedarfs. Alternativ kann bei ausgekühltem Wärmespeicher in dieser Betriebsweise der Ertrag der Wärmepumpe 4 gesteigert werden. Der Ein­ satz eines Heizstabes im Wärmespeicher kann somit weitgehend vermieden werden.
Fig. 5 zeigt den Betriebszustand des gesamten Lüftungs- und Heizungssystems bei hoher Solarenergieeinstrahlung von ca. 800 W/m2 und Außenlufttemperaturen von ca. +20°C.
Zur Minderung des Ventilatorstromes für die Wohnungslüftung wird bei hohen Au­ ßenlufttemperaturen die Außenluft 8 nicht über den Erdwärmetauscher mit den dort entstehenden Druckverlusten angesaugt, sondern dem Wärmepumpen­ kompaktaggregat 1 über die Ventileinheit 24 direkt als Frischluft 9 zugeführt. Im Normalfall bleibt bei diesen Bedingungen die Wärmepumpe 4 außer Betrieb. Sie kann jedoch in Betrieb genommen werden, wenn das Temperaturniveau im Wärme­ speicher nicht mehr zur Brauchwasserbereitung ausreicht. Somit ist kein weiteres Heizsystem zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit erforderlich.
Die Frischluft 9 wird durch den Wärmetauscher 3 vermittels der Gebäudeabluft 10 auf ca. 23°C erwärmt und als Gebäudezuluft 11 direkt, ohne weitere Erwärmung dem Passivhaus 7 über die erste Ventileinheit 14 und den Haus-Zuluftkanal 25 zu­ geführt. Der im Haus-Zuluftkanal 25 befindliche Wärmetauscher 20 ist in diesem Fall nicht aktiv.
Der Solar-Luft-Kollektor 5 wird bei starker Solareinstrahlung in einem geschlossenen Luftkreislauf betrieben und zur Energiespeicherung im Wärmespeicher 2 genutzt. Die dritte und vierte Ventileinheit 16 und 17 sind in diesem Fall derart geschaltet, daß der Solar-Kollektorausgang 23 über den Luft-Wasser-Wärmetauscher 18 und die Luft-För­ derpumpe 19 mit dem Solar-Luft-Kollektoreingang 22 verbunden ist. Bei der be­ trachteten Solar-Luft-Kollektorfläche von 7,5 m2, einem Volumenstrom von 100 m3/h durch den Kollektor ergibt sich eine Heizleistung des Solar-Luft-Kollektors 5 von 1500 W. Im Gleichgewichtszustand tritt ca. +50°C warme Luft in den Solar-Luft-Kol­ lektor 5 ein und wird darin auf ca. +95°C erwärmt. Im Luft-Wasser-Wär­ metauscher 18 wird ein Teil der Wärmeenergie auf das Speichermedium über­ tragen, was eine Abkühlung der Luft auf +50°C bewirkt.
Bezugszeichenliste
1
Wärmepumpen-Kompaktaggregat
2
Wärmespeicher
3
Wärmetauscher
4
Wärmepumpe
5
Solar-Luft-Kollektor
6
Erdwärmetauscher
7
Niedrig-Energie- oder Passivhaus
8
Außenluft
9
Frischluft
10
Gebäudeabluft
11
Gebäudezuluft
12
Gebäudeabluft
13
Fortluft
14
erste Ventileinheit
15
zweite Ventileinheit
16
dritte Ventileinheit
17
vierte Ventileinheit
18
Luft-Wasser-Wärmetauscher
19
Luft-Förderpumpe
20
Wärmetauscher
21
Pumpe
22
Solar-Luft-Kollektoreingang
23
Solar-Luft-Kollektorausgang
24
Ventileinheit
25
Haus-Zuluftkanal
26
Haus-Zuluft
27
Wärmetauscher für Brauchwasserbereitung

Claims (13)

1. Vorrichtung zur geregelten Lüftung und Wärmeenergieversorgung von Nied­ rig-Energie- oder Passivhäusern (7) mit einem Wärmespeicher (2) und einem Wär­ mepumpen-Kompaktaggregat (1), das einen Wärmetauscher (3) und eine nachge­ schaltete Wärmepumpe (4) aufweist und in das Frischluft (9) und Gebäudeabluft (10) einströmen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Solar-Luft-Kollektor (5) vorgesehen ist, der mit dem Wärmepumpen-Kompaktaggregat (1) sowie dem Wärmespeicher (2) über Ven­ tileinheiten in Abhängigkeit von der auf den Solar-Luft-Kollektor (5) eingestrahlten Sonnenstrahlungsstärke derart verschaltbar ist,
daß der Solar-Luft-Kollektor (5) bei geringer Sonnenstrahlungsstärke (ca. 200 W/m2) im Gebäudezuluftstrom dem Wärmepumpen-Kompaktgerät (1) nachge­ schaltet ist und die Gebäudezuluft (11) erwärmt,
daß bei mittlerer Sonnenstrahlungsstärke (ca. 400 W/m2) Außenluft (8) in den Solar-Luft-Kollektor (5) einbringbar ist, die im Solar-Luft-Kollektor (5) erwärmt und zu dem Gebäudeabluftstrom im Wärmepumpen-Kompaktgerät (1) zwischen dem Wärmetauscher (3) und der Wärmepumpe (4) eingemischt wird und
daß bei hoher Solarenergieeinstrahlung (ca. 800 W/m2) der Solar-Luft-Kollektor (5) in einem geschlossenen Luftkreislauf betreibbar ist und über einen Luft- Wasser-Wärmetauscher (18) der Brauchwassererwärmung dient.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der das Wärmepumpen-Kompaktaggregat (1) verlas­ sende Gebäudezuluftstrom über eine erste Ventileinheit (14) entweder mit dem So­ lar-Luft-Kollektoreingang (22) oder mit dem Haus-Zuluftkanal (25) verbindbar ist,
daß in dem Haus-Zuluftkanal (25) ein zweiter Wärmetauscher (20) vorgesehen ist und
daß Außenluft (8) in den Solar-Luft-Kollektoreingang (22) über eine zweite Ventilein­ heit (15) einleitbar ist und
daß der Solar-Luft-Kollektorausgang (23) über eine dritte Ventileinheit (16) entweder mit dem Haus-Zuluftkanal (25) oder über einen Luft-Wasser-Wärmetauscher (18) und einer diesem nachgeschalteten Luft-Förderpumpe (19) mit einer vierten Venti­ leinheit (17) verbindbar ist,
daß der Solar-Luft-Kollektorausgang (23) über die vierte Ventileinheit (17) entweder mit dem Solar-Luft-Kollektoreingang (22) oder mit der Gebäudeabluftleitung (12) im Wärmepumpen-Kompaktgerät (1) vor der Wärmepumpe (4), nach dem Wärmetau­ scher (3) verbindbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Erdwärmetauscher (6) vorgesehen ist, über den dem Wärmepumpen-Kompaktgerät (1) Außenluft (8) als Frischluft (9) zuführbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (3) des Wärmepumpen-Kom­ paktaggregats (1) ein Plattenwärmetauscher ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Ventileinheit (14) ein 2-Wege-Ventil vorge­ sehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als zweite Ventileinheit (15) ein 1-Wege-Ventil vorge­ sehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als dritte Ventileinheit (16) ein 2-Wege-Ventil vorge­ sehen ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als vierte Ventileinheit (17) ein 2-Wege-Ventil vorge­ sehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinheiten als steuerbare Ventile ausgebildet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinheiten in Abhängigkeit von der einge­ strahlten Sonnenenergieleistung steuerbar sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wärmetauscher (20) mit dem Wärmespei­ cher (2) verbindbar ist und die Gebäudezuluft (11) im Haus-Zuluftkanal (25) erwärmt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (2) einen Elektroheizstab als zu­ sätzliche Wärmequelle vorsieht.
13. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur geregelten Lüftung und Wärmeenergieversorgung von Niedrig-Energie- oder Passivhäusern nach dem An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Solar-Luft-Kollektor (5) den Gebäudeabluftstrom (12) vor Eintritt in den Verdampfer der Wärmepumpe (4) erwärmt.
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