DE19836011A1

DE19836011A1 - Einrichtung zur Klimatisierung und Warmwasserbereitung

Info

Publication number: DE19836011A1
Application number: DE19836011A
Authority: DE
Inventors: Arndt Dipl Ing Brunner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-09-04
Filing date: 1998-08-08
Publication date: 1999-03-11
Also published as: DE29715834U1

Description

Die Neuerung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Klimatisierung und Warmwasserbereitung, insbesondere für Niedrigenergiehäuser. Die Neuerung ist sowohl im Einfamilienhäusern als auch in Mehrfamilienhäusern einsetzbar. Bei entsprechender Konzeption und Ausführung der Bauhülle nach Niedrigenergiehausstandard ist die Neuerung auch in anderen Bauten einsetzbar, wie z. B. Hotels, Wohnheime oder Krankenhäuser.

Üblicherweise wird bei der Konzeption von Niedrigenergiehäusern eine allseits gedämmte Bauhülle mit einer Lüftung des Bauwerkes und anderen Maßnahmen, wie z. B. Ausrichtung des Gebäudes, kombiniert. Daraus ergeben sich bekannte Lösungen, die einen Wärmeaustausch zwischen Abluft und Zuluft mit und ohne zusätzliche Heizung vorsehen. Dabei werden je nach eingesetzten Wärmetauscher Wirkungsgrade zwischen 50 und 95% erreicht. Nachteilig ist dabei, daß für die Warmwasserbereitung eine separate Bereitung vorgesehen werden muß. Es sind aber als Verbesserung auch schon Lösungen bekannt geworden, die die Restwärme der Abluft nach dem Wärmetauscher noch mittels nachgeschalteter Wärmepumpenanlage zur Warmwasserbereitung nutzen. Reine Luftheizungen bieten wegen fehlender Strahlungswärme nachteiligerweise nicht die gewünschte Behaglichkeit.

Derzeit verfügbare Wärmepumpenanlagen, welche die Abluftenergie nutzen und damit Heizung und Brauchwassererwärmung realisieren, sind effektive Lösungen. In der Regel wird bei derartigen Anlagen die Frischluft über Frischluftventile in die Wohn- und Schlafräume gesaugt. Dies ist jedoch nicht optimal, da dazu die extra gut gedämmte Bauhülle einfach mit "Löchern" versehen wird, durch welche dann die kalte Außenluft einströmt. Außerdem besteht dabei keine Möglichkeit der Klimatisierung.

Klimatisierungsanlagen kommen derzeit nur mit separatem Kälteaggregat und zwangsweiser Be- und Entlüftung des Bauwerkes auf den Markt. Dabei wird die Warmwasserbereitung, um die Regelmechanismen nicht zu kompliziert auszulegen, meist separat realisiert.

Alle vorgestellten Systeme lassen sich nur aufwendig mit Solaranlagen kombinieren. Eine komplette, einfache und kostengünstige Lösung für Heizung, Lüftung, Warmwasserbereitung, Wärmerückgewinnung und Klimatisierung bei Verwendung von Solaranlagen ist derzeit auf dem Markt nicht verfügbar.

Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Einrichtung zur Klimatisierung und Warmwasserbereitung, insbesondere für Niedrigenergiehäuser, zu schaffen, die unter Einsatz von Solaranlagen die Heizung, Lüftung, Warmwasserbereitung, Wärmerückgewinnung und Klimatisierung ermöglicht.

Dieses Problem wird durch den Schutzanspruch 1 dadurch gelöst, daß eine Wärmequelle, mit mehreren verschiedenen Erwärmungsarten, und eine Kältequelle für eine Klimatisierung zur Verfügung stehen und die Wärmequelle gleichzeitig für die Warmwasserbereitung und bei Wunsch oder Notwendigkeit als Heizmedium für ein Heizkörpernetz zur Verfügung steht.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine einfache und kostengünstige Kombination von Heizung, Lüftung, Warmwasserbereitung, Wärmerückgewinnung und Klimatisierung ermöglicht wird. Es sind Kombinationen mit allen alternativen Energieträgern möglich und bei Einbau in ein Niedrigenergiehaus, also mit besonders guter Wärmedämmung der Bauhülle und einen Jahreswärmebedarf von etwa 20 kWh/m² Wohnfläche, kann bei Anwendung aller Systemkomponenten kostenlos klimatisiert und Warmwasser bereit gestellt werden. Die Systemkomponenten sind auch in einzelnen Komponenten anwendbar und das System erweiterbar. Aus dem zweigeteilten Wärmespeicher steht im ersten Pufferspeicher kurzfristig Wärme zur Verfügung und der zweite Pufferspeicher steht für die Erwärmung durch einen Energieüberschuß zur Verfügung.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 Prinzipschaltbild.

Zur Erläuterung werden folgende Bezugszeichen verwendet:

Bezugszeichenliste

1

erster Pufferspeicher

1

' zweiter Pufferspeicher

2

unterirdischer Regenwasserspeicher

3

Solarluftkollektor

4

Luft-Wasser-Wärmetauscher

5

Bypassklappe

6

Wärmepumpe

7

Klimatisierungsgerät

8

Heizkörpernetz

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Klimatisierung und Warmwasserbereitung, insbesondere für Niedrigenergiehäuser, besteht aus

- einem Wärmespeicher,
- einem Kältespeicher
- Wärmequellen und
- einem Klimatisierungsgerät
- sowie bekannten Steuer- und Regeleinrichtungen mit Vorrangschaltungen.

Als Wärmespeicher dient ein Pufferspeicher, der aus wenigstens zwei miteinander absperrbar verbundenen und dadurch nacheinander aufheizbaren Pufferspeichern 1 und 1' besteht, wobei nur der erste Pufferspeicher 1 mit Wärmetauschereinrichtungen sowohl zum Aufwärmen des Pufferspeichermediums durch einen Wärmepumpenkreislauf und einen Solarkollektorkreislauf als auch zur Brauchwassererwärmung versehen ist. Bevorzugt wird das Volumen des ersten Pufferspeichers 1 und des zweiten Pufferspeichers 1' mit je 1000 Liter ausgelegt und nur das Medium im ersten Pufferspeicher 1 erwärmt. Nach Erreichen eines Sollwertes, aber nur bei vorhandenem solaren Energieüberschuß, wird mittels eines elektromotorisch betriebenen Kugelventiles der zweiten Pufferspeicher 1' zugeschaltet, um den solaren Energieüberschuß mittels der erweiterten Pufferspeicherkapazität zu speichern. Der solare Energieüberschuß kann sowohl über den Solarluftkollektor 3 als auch über die Wärmepumpe 6, z. B. aus der Abluft eines Wintergartens, zur Erwärmung des Speichermediums des zweiten Pufferspeicher 1' dienen.

Als Kältespeicher dient ein unterirdischer Regenwasserspeicher 2, dessen Volumen so groß ausgebildet ist, daß trotz Entnahme von Regenwasser für untergeordnete Haushaltszwecke, wie z. B. Toilettenspülung oder Waschmaschine, und Gartenzwecke die eingebauten Kältetauscher stets ausreichend von Wasser als Kältemittel bedeckt sind, und dessen unterster ständiger Entnahmestutzen mindestens 10 cm über dem Niveau der Kältetauscher liegt, wobei Sinnvollerweise ein Reinigungsstutzen bis in eine Bodenvertiefung oder wenigstens bis in Bodennähe reicht.

Als Wärmequelle dienen:

- ein Solarluftkollektor 3, der sowohl über eine temperaturabhängig verstellbare Bypassklappe 5 mit der zugeführten Frischluft diese erwärmend in Wirkverbindung steht als auch gemäß einer Vorrangschaltung danach über einen Luft-Wasser-Wärmetauscher 4 zunächst nur mit dem ersten Pufferspeicher 1 dessen Medium aufheizend in Wirkverbindung steht und nur bei solarem Energieüberschuß mit dem zweiten Pufferspeicher 1' dessen Medium aufheizend in Wirkverbindung steht,
- und eine der Abluft die Wärme entziehende Wärmepumpe 6, die zunächst nur mit dem ersten Pufferspeicher 1 dessen Medium aufheizend in Wirkverbindung steht, und nur bei solarem Energieüberschuß mit dem zweiten Pufferspeicher 1' dessen Medium aufheizend in Wirkverbindung steht.

Als Klimatisierungsgerät 7 dient ein temperaturabhängig entweder von Warmwasser oder Kaltwasser durchströmter weiterer Luft-Wasser-Wärmetauscher, wobei das Kaltwasser aus dem unterirdischen Regenwasserspeicher 2 und das Warmwasser entweder direkt aus dem Luft-Wasser-Wärmetauscher 4, der dem Solarluftkollektor 3 nachgeschaltet ist, oder aus dem ersten Pufferspeicher 1 zur Verfügung gestellt wird. Ist durch solaren Energieüberschuß auch das Speichermedium des zweiten Pufferspeichers 1' aufgeheizt, wird dieses durch Öffnen des Kugelventils zwischen beiden Pufferspeichern 1 und 1' nach dem Schwerkraftprinzip sich mit dem Speichermedium des ersten Pufferspeichers 1 umwälzend zu jedweder Erwärmung mit zur Verfügung gestellt.

Dabei ist über die Bypassklappe 5 die im Solarluftkollektor 3 erwärmte Luft über eine Vorrangschaltung zunächst auch direkt der Frischluft beimischbar. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn am Morgen die Erwärmung im Solarluftkollektor 3 beginnt und die Heizwärme sofort benötigt wird.

Besteht der Wunsch nach Strahlungswärme und/oder sind Schadstoffbelastungen der Außenluft vorhersehbar, wie z. B. in exponierten Lagen oder Katastrophensituationen, kann das Pufferspeichermedium im ersten Pufferspeicher 1 als Heizmedium für ein Heizkörpernetz 8 benutzt werden und/oder statt Luftaustausch im Umluftverfahren geheizt werden, bis die Schadstoffbelastung beendet ist oder ein die Schadstoffe oder Geruchsstoffe beseitigender Filter dem Frischlufteinlaß des weiteren Luft-Wasser-Wärmetauschers vorgeschaltet wurde.

Kernstück der Einrichtung ist ein zweigeteilter Wärmespeicher aus einem ersten Pufferspeicher 1 und einem zweiten Pufferspeicher 1' mit je vorzugsweise 1000 l Wasservorrat. Beheizt wird die Wassermenge des ersten Pufferspeichers 1 von einer kleinen Luft/Wasserwärmepumpe 6, vorzugsweise 1 kW Anschlußleistung, 4 kW Heizleistung, 700 m³/h Lüfterleistung und 55°C Vorlauftemperatur. Die Wärmepumpe 6 nutzt vollständig die Energie der Abluftanlage und gegebenenfalls des Wäschetrockners. Die Lüfterleistung des Abluftventilators liegt im Maximum bei 500 m³/h. Damit ist eine nahezu 100%ige Wärmerückgewinnung sichergestellt. Die Abluftanlage saugt in Küche, Bad, WC, Hauswirtschaftsraum und eventuell vorhandenem Wintergarten die verbrauchte, feuchte aber energiehaltige Luft ab. Die durch Unterdruck nachströmende zentrale Frischluft wird über ein einfaches Wickelfalzrohrsystem in die Wohn- und Schlafräume gebracht. Der Luftwechsel ist regulierbar von 0 bis 1-fach pro Stunde. Dadurch kann die Anlage auch abgeschaltet werden, wenn z. B. schlechte Außenluftqualität vorhanden ist. Die Frischluft kann durch eine Klimatisierungsanlage 7 mit einem weiteren Luft-Wasser-Wärmetauscher nach Wunsch vorgewärmt oder gekühlt werden. Zum Vorwärmen wird Warmwasser mit etwa 50°C aus dem ersten Pufferspeicher 1 verwendet und zum Kühlen kaltes Wasser aus dem unterirdischen Regenwasserspeicher 2. Damit ist eine einfache aber komfortable Klimatisierung der Wohn- und Schlafräume durch die zugeführte zentrale Frischluft möglich. Fenster können immer geschlossen bleiben, wodurch auch kostengünstige Festverglasungen angeordnet werden können. Die Frischluft wird durch eine Staub- und Pollenfilter, der auch in exponierten Lagen durch einen Absorptionsfilter ergänzt werden kann, gereinigt und bringt Allergikern eine erhebliche Entlastung ihrer Beschwerden. Zu diesem System wurde eine spezielle thermische Solaranalge entwickelt, die aus einem Solarluftkollektor 3 und einem Luft- Wasser-Wärmetauscher 4 besteht. Die bei Sonneneinstrahlung schnell erwärmte Kollektorluft wird der Frischluft beigemischt und heizt damit sofort die Wohnräume. Die konventionelle Heizung wird dann über Thermostate automatisch abgeschaltet. Ist die Raumlufttemperatur erreicht, schaltet eine elektromotorisch betriebene Bypassklappe 5 die Beimischung zur Frischluft ab und lenkt die Kollektorluft direkt durch den Luft-Wasser-Wärmetauscher 4. Das solar erwärmte Wasser wird dann in den Zentralspeicher, zunächst in den ersten Pufferspeicher 1, gepumpt. Steigt die Vorlauftemperatur aus der Solaranlage über 55°C an, schaltet automatisch die Wärmepumpe 6 ab. Erst bei solarem Energieüberschuß und nach Aufheizen des Pufferspeichermediums im ersten Pufferspeicher 1 bis zu einem Sollwert, wird über ein elektromotorisch betriebenes Kugelventil der zweite Pufferspeicher 1' zur Erweiterung der Speicherkapazität zugeschaltet und der solare Energieüberschuß im gesamten Wärmespeicher gespeichert. Um auch an trüben Tagen den solaren Energieüberschuß, z. B. eines Wintergartens, nutzen zu können, wird der solare Energieüberschuß sowohl über einen Solarluftkollektor 3 als auch über eine Wärmepumpe 6 zur Erwärmung des zugeschalteten Speichermediums des zweiten Pufferspeichers 1' bereitgestellt.

An den ersten Pufferspeicher 1 des Wärmespeichers ist die eigentliche Warmwasserheizung mit Thermostatventilen und die Warmwasserversorgung angeschlossen. Das Heizkörpernetz kann durch die mögliche Frischluftvorwärmung sehr klein ausgelegt werden. Bei Passivenergiehausniveau kann auf das Heizkörpernetz auch ganz verzichtet werden, wobei dann das Problem der fehlenden Strahlungswärme beachtet werden muß.

Als letzte Einsparungsmöglichkeit kann das System noch mit einer Photovoltaikanlage gekoppelt werden, die den geringen Aufwand an Elektroenergie noch kompensiert.

Die Systemkomponenten sind auch in einzelnen Komponenten anwendbar und erweiterbar, so daß einzelne Ausbaustufen realisiert werden können.

1. Stufe: Wärmespeicher (eventuell auch nur aus erstem Pufferspeicher 1) mit Nachtstromheizung, Heizung, Warmwasser, Abluftanlage.
2. Stufe: zuzüglich Wärmepumpe 6.
3. Stufe: zuzüglich klimatisierter zentraler Frischluft.
4. Stufe: zuzüglich thermischer Solaranlage (nunmehr auch immer mit zweitem Pufferspeicher 1').
5. Stufe: zuzüglich Photovoltaikanlage.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Heizung, Lüftung und Klimatisierung kann ein Wohnhaus mit einem Jahreswärmebedarf von ≦ 20 kWh/m² Wohnfläche kostenlos aus Abluft- und Umweltenergie beheizt und mit Warmwasser versorgt werden. Es verbindet über den Stand der Technik hinaus in besonders günstiger Weise Raumheizung, Brauchwassererwärmung, kontrollierte Be- und Entlüftung, ideale Wärmerückgewinnung, Solaranlage und Regenwassernutzung zur Raumkühlung.

Claims

1. Einrichtung zur Klimatisierung und Warmwasserbereitung, insbesondere für Niedrigenergiehäuser, dadurch gekennzeichnet,

- daß als Wärmespeicher wenigstens zwei miteinander absperrbar verbundene und dadurch nacheinander aufheizbare Pufferspeicher (1 und 1') angeordnet sind, wobei nur der erste Pufferspeicher (1) mit Wärmetauschereinrichtungen sowohl zum Aufwärmen des Pufferspeichermediums durch einen Wärmepumpenkreislauf und einen Solarkollektorkreislauf als auch zur Brauchwassererwärmung versehen ist, und ausschließlich zur Nutzung eines solaren Energieüberschusses der zweite Pufferspeicher (1') angeordnet ist,
- daß als Kältespeicher ein unterirdischer Regenwasserspeicher (2) angeordnet ist,
- daß als Wärmequellen ein Solarluftkollektor (3), der sowohl über eine temperaturabhängig verstellbare Bypassklappe (5) mit der zugeführten Frischluft diese erwärmend in Wirkverbindung steht als auch gemäß einer Vorrangschaltung erst danach über einen Luft-Wasser-Wärmetauscher (4) zunächst mit dem ersten Pufferspeicher (1) dessen Medium aufheizend in Wirkverbindung steht und ausschließlich bei einem solaren Energieüberschuß zusätzlich mit dem zweiten Pufferspeicher (1') dessen Medium aufheizend in Wirkverbindung steht, und eine der Abluft die Wärme entziehende Wärmepumpe (6), die zunächst mit dem ersten Pufferspeicher (1) dessen Medium aufheizend in Wirkverbindung steht und ausschließlich bei einem solaren Energieüberschuß zusätzlich mit dem zweiten Pufferspeicher (1') dessen Medium aufheizend in Wirkverbindung steht angeordnet sind,
- daß als Klimatisierungsgerät (7) ein temperaturabhängig entweder von Warmwasser oder Kaltwasser durchströmter weiterer Luft-Wasser- Wärmetauscher angeordnet ist, wobei das Kaltwasser aus dem unterirdischen Regenwasserspeicher (2) und das Warmwasser entweder direkt aus dem Luft- Wasser-Wärmetauscher (4), der dem Solarluftkollektor (3) nachgeschaltet ist, oder aus dem ersten Pufferspeicher (1) zur Verfügung gestellt wird,
- daß bei Bedarf über die Bypassklappe (5) die im Solarluftkollektor (3) erwärmte Luft direkt der Frischluft beimischbar ist,
- daß bei Wunsch nach Strahlungswärme und/oder vorhersehbaren Schadstoffbelastungen der Außenluft das Pufferspeichermedium im ersten Pufferspeicher (1) als Heizmedium für ein Heizkörpernetz (8) zur Verfügung steht,
- daß die Einrichtung aus einzelnen Systemkomponenten besteht, die in mehreren Stufen anwendbar und erweiterbar aufeinander abgestimmt sind und
- daß bei durch solarem Energieüberschuß auch aufgeheiztem Speichermedium des zweiten Pufferspeichers 1' nach dem Schwerkraftprinzip sich mit dem Speichermedium des ersten Pufferspeichers 1 umwälzend nunmehr das gesamte Speichermedium in beiden Pufferspeichern 1 und 1' zu jedweder Erwärmung zur Verfügung steht.