DE19900358A1 - Kombinierte Heizungs-/Lüftungsanlage, insbesondere für Niedrigenergiehäuser - Google Patents

Kombinierte Heizungs-/Lüftungsanlage, insbesondere für Niedrigenergiehäuser

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Kombination einer Luftheizungsanlage mit dem zentralen Be- und Entlüftungssystem eines Gebäudes, insbesondere Niedrigenergiehauses, wobei die Außenluft über einen Erdwärmetauscher angesaugt und bereits vorgewärmt bzw. abgekühlt in das System eingeleitet werden kann. Ihre Aufgabe besteht darin, die Lüftung und Heizung eines Gebäudes nur mit Luft als Wärmeübertragungsmedium zu realisieren. Hierzu wird die Außenzuluft (5) wahlweise vortemperiert in einen Gegenstrom-Wärmeübertrager (3) und von diesem über den Innenteil einer Luft-/Luft-Wärmepumpe (8) unter Beimischung von Umluft (13) und über Kaltleiter-Heizregister (9) zu den Räumen der Verbraucher geführt, wobei der Außenteil der Wärmepumpe (12) ebenfalls mit einer Einrichtung zur Zufuhr von Außenluft (11) versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft die Kombination einer Luftheizungsanlage mit dem zentralen Be- und Entlüftungssystem, eines Gebäudes, insbesondere Niedrigenergiehauses, wobei die Außenluft über einen Erdwärmetauscher angesaugt und bereits vorgewärmt bzw. abgekühlt in das System eingeleitet werden kann.
Bei Bestrebungen, den Energiebedarf für Raumheizung und Brauchwarm­ wasserversorgung in Wohn- und Gesellschaftsbauten weiter zu senken, kann grundsätzlich von zwei Möglichkeiten ausgegangen werden, nämlich Senkung der sog. "Transmissionsverluste" (Wärmeverluste durch den Transport des Wärmeträgermediums von der Heizungsanlage zu den Räumen der Verbraucher; Wärmeverluste durch Außenwände, Fenster und Dach) und/oder der "Lüftungsverluste" (Wärmeverluste durch regelmäßigen Austausch der verbrauchten warmen Raumluft mit Frischluft von außen). Während im Ergebnis entsprechender gesetzlicher Regelungen die Transmissionswärmeverluste durch den Einsatz hochwirksamer Dämmstoffe auf ein ausreichendes Maß gesenkt werden konnten, arbeiten die bekannten Anlagen zur Verringerung der Lüftungsverluste, - die entsprechend dem Stand der Technik aus zentralen Be- und Entlüftungsanlagen unter Einsatz von Wärmetauschern und Wärmepumpen bestehen, jedoch zusätzlich eine zentrale Heizungsanlage erfordern, - bisher wenig effektiv oder sind mit hohem Anlagen- und/oder Energieaufwand verbunden.
Eine dem Stand der Technik entsprechende Heizungs-/Lüftungsanlage ist in der Europ. Patentanmeldung 676 594 beschrieben. Sie besteht aus einer Luft-Wärmetauschvorrichtung zum Ansaugen der Außenluft und Versorgung des Gebäudes mit temperierter Zuluft, während sie gleichzeitig aus dem Gebäude Abluft entnimmt und an einen Entlüftungsstrom abgibt sowie aus einer Wärmepumpe, die einem weiteren Außenluftstrom Wärme entzieht, die zusätzlich zur Aufheizung der Zuluft bereitgestellt wird, wobei der Entlüftungsstrom dem Außenluftstrom vor dessen Eintritt in die Wärmepumpe zugemischt wird. Die Speicherung der dem Außenluftstrom entzogenen Wärme erfolgt in einem Brauchwasserspeicher, so daß die Zuluft nicht durch direkten Luft-/Luft-Wärmetausch sondern über das gespeicherte Warmwasser erwärmt wird. Der Nachteil dieser Lösung beruht deshalb vor allem auf dem Einsatz von Wasser als zweitem Wärmeübertragungsmedium mit zusätzlichem Aufwand für Installation und Speicherung. Den gleichen Nachteil weist die in EP 766 048 beschriebene "Haustechnische Einrichtung, insbesondere für ein Niedrig­ energiehaus", auf, die ebenfalls mit mehreren Warmwasserspeichern gekoppelt ist.
Darüber hinaus haben die bekannten Heizungs-/Lüftungsanlagen für Niedrig­ energiehäuser den Nachteil, daß der Außenluft durch die Wärmepumpen auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen Wärmeenergie zur Aufheizung der Zuluft entzogen werden muß, was zu einem drastischen Wirkungsgradverlust der Gesamtanlage und damit einem hohen Verbrauch von Zusatzenergie führt.
Die Erfindung hat sich dis Aufgabe gestellt, diese Mängel zu beseitigen, indem für Heizung und Lüftung eines Gebäudes nur das Wärmeübertragungsmedium Luft eingesetzt wird und die dem Gebäude zugeführte Zuluft bei Bedarf ohne Wirkungsgradverlust vorgewärmt/gekühlt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche 2 bis 5 beziehen sich auf zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.
Die beanspruchte Heizungs-/Lüftungsanlage weist zwar in an sich bekannter Weise einen Wärmeübertrager für den direkten Wärmeaustausch zwischen frischer Zuluft und verbrauchter Abluft und eine Luft-/Luft-Wärmepumpe mit Innen- und Außenteil auf, wobei aber der Wärmeübertrager als Gegenstrom-Wärmeübertrager ausgebildet ist und der Außenteil der Wärmepumpe erfindungsgemäß unmittelbar ins Erdreich eingebettet ist. Zwischen den Verbrauchern und dem Innenteil der Wärmepumpe verläuft ein weiterer Kreislauf für die Wiedererwärmung von Umluft aus einzelnen Räumen. Erfindungsgemäß stehen sowohl der Gegenstrom-Wärmeübertrager als auch der Außenteil der Luft-/Luft-Wärmepumpe mit je einem Erdwärmetauscher- Rohrsystem in Verbindung, über welches der Wärmepumpe soweit vorgewärmte bzw. vorgekühlte Frischluft zugeführt wird, daß eine energetisch optimale Betriebsführung der Gesamtanlage auch bei extrem niedrigen/hohen Außentemperaturen gesichert werden kann. Weiterhin sind erfindungsgemäß in die Luft-Zuführungskanäle zu den einzelnen Räumen des Gebäudes thermostatgeregelte Kaltleiter-Heizregister integriert, mit denen ein geregeltes Nachheizen oder schnelles Aufheizen einzelner Räume erfolgen kann. Die Zuführungen für Zu- und Abluft zum Gegenstrom-Wärmeübertrager sind mit volumenstromabhängig geregelten Ventilatoren versehen, mit deren Hilfe das Verhältnis zwischen Außenzuluft und Raumabluft erfindungsgemäß konstant in allen Betriebszuständen 1 : 1 gehalten bzw. automatisch nachgeregelt werden kann. Der Luftstrom aus dem Gegenstrom- Wärmeübertrager kann darüber hinaus über einen Bypaß am Innenteil der Wärmepumpe vorbeigeführt werden, so daß nicht alle Räume des Gebäudes mit Warmluft versorgt zu werden brauchen. Die Regelung der Temperatur im Inneren des Gebäudes erfolgt über einen Temperaturfühler im Zuluftstrom, der die Temperatur der Zuluft nach deren Austritt aus dem Gegenstrom-Wärmetauscher als Regelgröße nutzt, so daß sich getrennte Außen- und Innenfühler erübrigen.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung liegen in einer erheblichen Einsparung von Anlagen- und Heizungskosten, da die gesamte Anlage nur mit Luft als Wärmeträgermedium betrieben wird, so daß Wärmetauschverluste weitgehend entfallen und für das Heizungssystem keine Pumpen und Speicher erforderlich sind. Durch den Einsatz der Erdwärmetauscher kann die Wärmepumpe auch bei extrem niedrigen Außentemperaturen mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden. Der Bedarf an Elektroenergie für die Kaltleiter-Heizregister ist minimal. Ihr Einsatz ist erst bei Temperaturen von unter -5°C erforderlich.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt dazu das Blockschaltbild einer erfindungsgemäß aufgebauten Anlage:
Die zusammengeführte Raumabluft 1 wird von dem drehzahlgesteuerten Abluftventilator 2.2 durch den Gegenstrom-Wärmeübertrager 3 gefördert, wo ihr mit einem Temperaturwirkungsgrad von 85-95% Wärme entzogen wird. Der Zuluftventilator 2.1 wird in Abhängigkeit vom Abluft-Volumenstrom über den Volumenstrommesser 4 so geregelt, daß das Verhältnis zwischen Außenzuluft und Raumabluft unter allen sich verändernden Bedingungen kon­ stant im Verhältnis 1 : 1 erhalten bleibt. Die Außenzuluft 5 wird dem Gegenstrom-Wärmeübertrager 3 vorzugsweise über den Erdwärmetauscher 6 zugeführt, so daß sie im Winter auf mindestens 0°C vorgewärmt (oder im Sommer auf mindestens 14-18°C vorgekühlt) in den Wärmeübertrager 3 eintritt. Durch Wärmetausch mit der Abluft erfolgt hier eine weitere Erwärmung/Kühlung auf ca. 18°C. Die Zuluft-Führung 5 führt vom Wärmeübertrager 3 zum Innenteil der Wärmepumpe 8, wo eine weitere Aufheizung der Zuluft auf bis zu 55°C erfolgen kann. Alternativ kann die Zuluft 5 über Bypaßleitung 7 mit ca. 18°C in momentan nicht zu beheizende Räume geleitet werden. Für ein schnelles Aufheizen oder eine Temperaturerhöhung einzelner Räume stehen die elektrischen Kaltleiter-Heizregister 9 mit Thermostat zur Verfügung. Der Außenteil der Luft-/Luft-Wärmepumpe 12 entzieht der Außenluft Wärmeenergie, die ihr wahlweise über den Erdwärmetauscher 10 mit Vorwärmung auf mind. 0°C bzw. Vorkühlung auf ca. 18°C oder direkt zugeführt werden kann. Im Beispiel ist die Luft-/Luft-Wärmepumpe invertergesteuert, d. h. mit drehzahlgesteuerten Tweankolbenkompressoren ausgerüstet, die Temperaturschwankungen intelligent nachregeln können. - Mit einer im Beispiel dargestellten Anlage können für ein Haus mit insgesamt 6 kW Wärmebedarf ca. 200 m3/h Frischluft 5 von -15°C in einem Erdwärmetauscher 6 mit ca. 30 m Länge auf 0°C vorgewärmt, im Gegenstrom-Wärmeübertrager 3 auf ca. 18°C weitererwärmt werden und verlassen die Wärmepumpe 8 mit ca. 50°C, wodurch 2 kW des Gesamtwärmebedarfs abgedeckt werden. Die übrigen 4 kW werden über den Umluft-Kreislauf 13 zwischen den Verbrauchern und der Wärmepumpe 8 gesichert. Ohne Berücksichtigung der Kaltleiter-Heizregister (deren Betrieb grundsätzlich erst bei Temperaturen < 5°C erforderlich ist und die nur einen extrem niedrigen Elektroenergieverbrauch haben), beträgt für die Gesamtanlage das Aufwand-/Nutzensverhältnis von zugeführter Elektroenergie zu daraus erzeugter Heizenergie zwischen 1 : 3 und 1 : 5.
Zur Brauchwarmwasserbereitung wird - getrennt von der eigentlichen Hei­ zungs-/Lüftungsanlage - beispielsweise eine thermische Solaranlage mit Nachheizstab und/oder ein Durchlauferhitzer eingesetzt.
Aufstellung der verwendeten Bezugszahlen
1
Raumabluft
2
Ventilatoren (
2.1
Zuluftventilator;
2.2
Abluftventilator)
3
Gegenstrom-Wärmeübertrager
4
Volumenstrommesser
5
Außen-Zuluft
6
Erdwärmetauscher vor Wärmeübertrager
3
7
Bypaßleitung
8
Luft-/Luft-Wärmepumpe (Innenteil)
9
Kaltleiter-Heizregister
10
Erdwärmetauscher vor Wärmepumpe-Außenteil
12
11
Luftzuführung über Erdwärmeübertrager
10
12
Luft-/Luft-Wärmepumpe (Außenteil)
13
Umluftkreislauf
14
Temperaturfühler
15
Kältemittel-Leitung

Claims (15)

1. Kombinierte Heizungs-/Lüftungsanlage für Gebäude, insbesondere für Niedrigenergiehäuser mit Erwärmung frischer Zuluft bei gleichzeitiger Abkühlung verbrauchter Abluft, unter Einsatz eines Wärmeübertragers und einer Luft-/Luft-Wärmepumpe mit Innen- und Außenteil, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Außenzuluft (5) wahlweise vortemperiert in den Gegen­ strom-Wärmeübertrager (3) und von diesem über den Innenteil der Luft-/Luft- Wärmepumpe (8) unter Beimischung von Umluft (13) sowie über Kalt­ leiter-Heizregister (9) zu den Räumen der Verbraucher geführt wird und der Außenteil der Wärmepumpe (12) mit einer Einrichtung zur Zufuhr von Außen­ luft (11) verbunden ist.
2. Kombinierte Heizungs-/Lüftungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zuführung der Außenluft (5) über Erdwärmetauscher- Rohre (6) in den Wärmeübertrager (3) erfolgt.
3. Kombinierte Heizungs-/Lüftungsanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzuführung (11) zum Außenteil der Wärmepumpe (12) über Erdwärmetauscher-Rohre (10) erfolgt.
4. Kombinierte Heizungs-/Lüftungsanlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeübertrager (3) ein Gegenstrom-Wärmeüber­ trager eingesetzt ist.
5. Kombinierte Heizungs-/Lüftungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuluft-Strom (5) aus dem Gegenstrom- Wärmeübertrager (3) über Bypaßleitung (7) direkt zu den Verbrauchern geführt werden kann.
6. Kombinierte Heizungs-/Lüftungsanlage nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Eintritt der Raumabluft (1) und der Zuluft (5) in den Gegenstrom-Wärmeübertrager (3) Ventilatoren (2.1; 2.2) angeordnet sind.
7. Kombinierte Heizungs-/Lüftungsanlage nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilatoren (2.1; 2.2) volumenstromabhängig ge­ regelt sind.
8. Kombinierte Heizungs-/Lüftungsanlage nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltleiter-Heizregister (9) in den Luftzuführungen (5) zu den Räumen der Verbraucher einzeln thermostatgeregelt sind.
9. Kombinierte Heizungs-/Lüftungsanlage nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zuluftstrom (5) zwischen Wärmeübertrager (3) und Wärmepumpe (8) ein Temperaturfühler (14) eingebunden ist.
10. Kombinierte Heizungs-/Lüftungsanlage nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Temperaturfühler (14) einen Mittelwert zwischen Innen- und Außentemperatur als Regelgröße für die Raumtemperatur zur Verfügung stellt.
11. Kombinierte Heizungs-/Lüftungsanlage nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen Außenzuluft (5) und Raum­ abluft (1) in allen Betriebszuständen 1 : 1 beträgt.
12. Kombinierte Heizungs-/Lüftungsanlage nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ca. 1/3 des Gesamt-Wärmebedarfs durch die Erwär­ mung von Außen-Zuluft (5) und ca. 2/3 des Wärmebedarfs aus dem Um­ luft-Kreislauf (13) gedeckt werden.
13. Kombinierte Heizungs-/Lüftungsanlage nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenteil der Luft-/Luft-Wärmepumpe (12) direkt in das Erdreich eingelassen ist.
14. Kombinierte Heizungs-/Lüftungsanlage nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Energieaufwand zu Nutzenergie zwischen 1 : 3 und 1 : 5 liegt.
15. Kombinierte Heizungs-/Lüftungsanlage nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie bei Prozeßumkehr in den Wärmepumpen (8; 12) als Klimaanlage betrieben werden kann.
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