DE20004881U1 - Device for tempering the interior of buildings - Google Patents
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Thermosoft Klimatechnik GmbH, Schwarzwaldstraße 2,Thermosoft Klimatechnik GmbH, Schwarzwaldstrasse 2,
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Vorrichtung zur Temperierung von Gebäude-InnenräumenDevice for controlling the temperature of building interiors
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur ganzjährigen Temperierung von Gebäude-Innenräumen durch nach dem Stahlungsprinzip arbeitende Flächen-Temperierungssysteme, wie Boden-, Decken-, Wand- oder Betonkern- Heizungs-/Kühlsysteme, deren mit der Luft im Gebäudeinnern wärmetauschenden Funktionseinheiten von einem flüssigen Wärmeträgermedium, vorzugsweise gegebenenfalls mit Korrisions-und/oder Frost-Schutzbeimischungen versehenen Wasser durchströmt sind, wobei die Vor- und Rücklaufleitung der Funktionseinheiten des jeweiligen Flächen-Temperierungssystems an dem Verdampfer bzw. dem Kondensator zugeordnete Wärmetauscher einer abhängig von der Betriebsweise ihrerseits über einen geothermisehen Kreislauf des flüssigen Wärmetragermediums Wärme aus dem Boden entnehmenden bzw. Wärme in den Boden abführenden Wärmepumpe angeschlossen sind.The invention relates to a device for year-round temperature control of building interiors by means of surface temperature control systems operating according to the radiation principle, such as floor, ceiling, wall or concrete core heating/cooling systems, whose functional units exchanging heat with the air inside the building are flowed through by a liquid heat transfer medium, preferably water optionally provided with corrosion and/or frost protection additives, wherein the supply and return lines of the functional units of the respective surface temperature control system are connected to the heat exchanger assigned to the evaporator or the condenser of a heat pump which, depending on the mode of operation, in turn extracts heat from the ground or dissipates heat into the ground via a geothermal circuit of the liquid heat transfer medium.
Wärmepumpe zur Erzeugung von Wärmeenergie auf ein gegenüber einer Wärmequelle höheren Temperaturniveau sind ebenso bekannt wie Kältemaschinen, die nach grundsätzlich dem gleichen Arbeitsprinzip arbeiten, wobei jedoch die Kälteerzeu-Heat pumps for generating heat energy at a higher temperature than a heat source are just as well known as refrigeration machines, which work according to basically the same operating principle, but where the refrigeration is generated
gung im Vordergrund steht. Im jedem Fall wird zum Antrieb der Wärmepumpe bzw. Kühlmaschine zusätzliche Antriebsenergie erforderlich, wobei der wirtschaftliche Nutzen zwischen Nutzenergie und Antriebsenergie als Leistungszahl bezeichnet wird. Als wirtschaftlich interessant gilt für den Einsatz konventioneller Wärmepumpen eine Leistungszahl 3, während höhere Werte (4 und mehr) als optimal gelten. Je kleiner der Temperaturhub ist, desto höher ist die Leistungszahl .In any case, additional drive energy is required to drive the heat pump or cooling machine, whereby the economic benefit between useful energy and drive energy is referred to as the coefficient of performance. A coefficient of performance of 3 is considered economically interesting for the use of conventional heat pumps, while higher values (4 and more) are considered optimal. The smaller the temperature difference, the higher the coefficient of performance.
Neue Anlagensysteme in der Gebäudetechnik wie Kühl-/Heizdecken, Fußbodenheizung/-Kühlung, Wandheizung/-Kühlung und die Betonkerntemperierung arbeiten überwiegend nach dem Strahlungsprinzip und haben als sog. Flächensysteme miteinander gemeinsam, dass sie mit niedrigen Temperaturdifferenzen zur gewünschten Raumtemperatur betrieben werden können. D.h. die mittlere Heizmediumtemperatur liegt nur etwa 5 bis 120K über und die mittlere Kühlmediumtemperatur nur ca. 1O0K unter der Raumtemperatur. Dabei bietet sich als zukunftsfähige ökologische Ergänzung zur Gebäudetemperierung über Flächensysteme die Nutzung regenerativer Energiequellen über Energiepfähle, Erd-, Bodenkollektoren unter guten Voraussetzungen an, da auf diese Weise die Potentiale des Untergrunds ausgenutzt werden können. Das Erdreich weist in bereits relativ geringen Tiefen über das Jahr nahezu gleichmäßige Temperaturen im Bereich von 10 bis 130C auf und bietet damit die Möglichkeit, Wärme aus dem Untergrund zu fördern und überschüssige Wärme wieder in den Untergrund einzuleiten. Wegen der bestehenden geringen Temperaturdifferenzen für Heiz- und Kühlbetrieb eignen sich dabei Wärmepumpen in besonderem Maße und erzielen sehr günstige Leistungszahlen und damit eine hohe Wirtschaftlichkeit, wobei die heute am Markt erhältlichen Wärmepumpen meistens für Standardanwendungen der Klimakälte ausgelegt sind.New systems in building technology such as cooling/heating ceilings, underfloor heating/cooling, wall heating/cooling and concrete core temperature control mainly work according to the radiation principle and, as so-called surface systems, have in common that they can be operated with small temperature differences to the desired room temperature. This means that the average heating medium temperature is only about 5 to 12 ° C above and the average cooling medium temperature only about 10 ° C below the room temperature. Under good conditions, the use of renewable energy sources via energy piles, earth and ground collectors is a sustainable ecological addition to building temperature control via surface systems, as this allows the potential of the subsoil to be exploited. Even at relatively shallow depths, the soil has almost uniform temperatures in the range of 10 to 13 ° C throughout the year and thus offers the possibility of extracting heat from the subsoil and introducing excess heat back into the subsoil. Due to the small temperature differences between heating and cooling, heat pumps are particularly suitable and achieve very favourable performance figures and thus high economic efficiency, although the heat pumps available on the market today are mostly designed for standard air conditioning applications.
Bei den marktüblichen Wärmepumpen für den Einsatz in der Gebäudetechnik unter Nutzung der Geothermie sind die Tempe-For the heat pumps available on the market for use in building technology using geothermal energy, the temperatures
raturdifferenzen zwischen Ein- und Austritts des Wärmetauschers standardmäßig auf 60K ausgelegt, Flächen-Temperierungssysteme weisen eine geringere Temperaturdifferenz auf, so dass mit den normalen Wärmepumpen und der üblichen Größe der Wärmetauscher keine hinreichende Kühl- oder Heizleistung erbracht werden kann, es sei denn, dass die Wärmepumpe in ihrer Leistung höher als an sich erforderlich ausgelegt wird.Temperature differences between the inlet and outlet of the heat exchanger are designed as standard at 60 K, surface temperature control systems have a smaller temperature difference, so that with normal heat pumps and the usual size of the heat exchanger, sufficient cooling or heating capacity cannot be provided, unless the heat pump is designed to be higher in its output than is actually necessary.
Die Umschaltung von Heiz- in den Kühlbetrieb erfolgt bei den bekannten Systemen über eine Umschaltung des Kälteprozesses, d.h. der Verdampfer wird zum Kondensator und umgekehrt, oder durch komplizierte und kosten- sowie raumaufwendige hydraulische Umsteuerung der Wasserwege in separater Installation.In the known systems, switching from heating to cooling operation is done by switching the cooling process, i.e. the evaporator becomes the condenser and vice versa, or by complicated and costly and space-consuming hydraulic reversal of the water paths in a separate installation.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur ganzjährigen Temperierung von Gebäudeinnenräumen durch nach dem Strahlungsprinzip arbeitende Flächen-Temperierungssysteme und Verwendung einer Wärmepumpe zu schaffen, welche die erforderliche Heiz- bzw. Kühlleistung zur Verfügung stellt, welche erforderlichenfalls relativ einfach von Heiz- auf Kühlbetrieb umschaltbar ist, wobei die Vorrichtung grundsätzlich auch für eine automatische Temperatursteuerung geeignet ausgebildet sein soll.In contrast, the invention is based on the object of creating a device for year-round temperature control of building interiors by means of surface temperature control systems operating according to the radiation principle and using a heat pump which provides the required heating or cooling output, which can be switched from heating to cooling mode relatively easily if necessary, whereby the device should also be designed in principle to be suitable for automatic temperature control.
Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art. wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in den die Funktionseinheiten des Flächen-Temperierungssystems 0 mit den der Wärmepumpe zugeordneten Wärmetauschern verbindenden, von flüssigem Wärmeträgermedium durchströmten Vor- und Rücklaufleitungen ebenso wie in den Wärme aus dem Boden entnehmenden bzw. in den Boden abgebenden, von flüssigem Wärmeträgermedium durchströmten Vor- und Rücklaufleitungen des geothermischen Kreislaufs der Wärmetauscher Ventile angeordnet sind, welche jeweils eine Umschaltung des Vor- und des Rücklaufs zu bzw. von den zugeordneten Funktionseinhei-Starting from a device of the type mentioned at the beginning, this object is achieved according to the invention in that valves are arranged in the flow and return lines through which liquid heat transfer medium flows and which connect the functional units of the surface temperature control system 0 with the heat exchangers assigned to the heat pump, as well as in the flow and return lines of the geothermal circuit of the heat exchangers that extract heat from the ground or release heat into the ground and through which liquid heat transfer medium flows, which each switch the flow and return to or from the assigned functional units.
ten des Flächen-Temperierungssystems und des geothermischen Kreislaufs gestatten, und dass die Betätigungsorgane der Dreiwegeventile durch eine Steuereinrichtung betätigbar sind, welche über Temperatursensoren die im Gebäudeinnern herrschende Temperatur überwacht und Betätigungssignale zur Betätigung der Dreiwegeventile bei Abweichung von vorgewählten Gebäude-Innentemperaturen generiert. Die Umschaltung der Vorrichtung von der Funktion einer Wärmepumpe zur Beheizung auf eine Kältemaschine zur Kühlung der Gebäude-Innenräume kann dann automatisch durch Umschaltung der Vor- und Rücklaufleitung der vom flüssigen Wärmeträgermedium, d.h. vorzugsweise also Wasser durchströmte Funktionseinheiten erfolgen, so dass also auf die bei Stand der Technik überwiegend angewandten Umschaltung des Kälteprozesses in der Wärmepumpe oder auf aufwendi-ge Installationen außerhalb der Vorrichtung verzichtet werden kann.of the surface temperature control system and the geothermal circuit, and that the actuating elements of the three-way valves can be actuated by a control device which monitors the temperature inside the building via temperature sensors and generates actuation signals to actuate the three-way valves when there is a deviation from preselected internal building temperatures. The switching of the device from the function of a heat pump for heating to a refrigeration machine for cooling the interior of the building can then take place automatically by switching the supply and return lines of the functional units through which the liquid heat transfer medium, i.e. preferably water, flows, so that the switching of the refrigeration process in the heat pump, which is predominantly used in the state of the art, or complex installations outside the device can be dispensed with.
Die Leistungszahl der Vorrichtung ist dabei wegen der relativ geringen Temperaturdifferenz des Wärmetauschermediums am Ein- und Auslass des Wärmetauschers besonders günstig, wobei in erfindungsgemäßer Weiterbildung zweckmäßig die zur Übertragung von Wärmeenergie auf der Verdampfer- und der Kondensatorseite der Wärmepumpe vorgesehenen Wärmetauscher für das flüssige Wärmeträgermedium unter Berücksichtigung der Wärmekapazität des Wärmeträgermediums auf einen Durchsatz des Wärmeträgermediums ausgelegt sind, welcher eine verringerte Temperaturspreizung At im Bereich von ca. 3 bis 40K zwischen der Temperatur des flüssigen Wärmeträgermediums im Vor- und Rücklauf der Funktionseinheiten des Flä-0 chen-Temperierungssystems und der Funktionsheiten des geothermischen Kreislaufs erlaubt. Das bedeutet also, dass diese Wärmetauscher sowie weitere für die Funktion der Kreisläufe des Wärmeträgermediums erforderliche Leitungen und Bauelemente wie Pumpen o.dgl. auf vergleichsweise größere Durchströmungsmengen ausgelegt werden, um den VorteilThe performance coefficient of the device is particularly favorable due to the relatively small temperature difference of the heat exchange medium at the inlet and outlet of the heat exchanger, whereby in a further development according to the invention the heat exchangers for the liquid heat transfer medium provided for the transfer of thermal energy on the evaporator and condenser side of the heat pump are expediently designed for a throughput of the heat transfer medium, taking into account the heat capacity of the heat transfer medium, which allows a reduced temperature spread Δt in the range of approx. 3 to 4 0 K between the temperature of the liquid heat transfer medium in the flow and return of the functional units of the surface temperature control system and the functional units of the geothermal circuit. This means that these heat exchangers and other lines and components required for the function of the heat transfer medium circuits, such as pumps or the like, are designed for comparatively larger flow rates in order to take advantage of the advantage
der erhöhten Leistungszahl bei geringerer Temperaturspreizung und die erforderliche Temperierungsenergie zu erhalten .the increased coefficient of performance with a smaller temperature spread and the required tempering energy.
Zweckmäßig ist eine unabhängige Temperaturregelung für das flüssige Wärmeträgermedium auf der Verdampfer- und/oder Kondensatorseite der Wärmepumpe vorgesehen, wobei im Vor- und/oder Rücklauf des im Flächen-Temperierungssystem und/oder das im geothermischen Kreislauf strömenden flüssigen Wärmeträgers auch erforderliche Umwälzpumpe und Pufferbehälter für das Wärmeträgermedium vorgesehen sein können.It is advisable to provide an independent temperature control for the liquid heat transfer medium on the evaporator and/or condenser side of the heat pump, whereby the required circulation pump and buffer tank for the heat transfer medium can also be provided in the flow and/or return line of the liquid heat transfer medium flowing in the surface temperature control system and/or in the geothermal circuit.
Die Erfindung ist nachstehend anhand eines beigefügten Prinzip-Schaltbilds der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to an attached schematic diagram of the device according to the invention.
Die im Schaltbild dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Temperierung von Gebäude-Innenräume umfasst grundsätzlich die innerhalb des strichpunktierten Rechtecks dargestellten und zweckmäßig zu einer integrierten Baueinheit zusammengefaßten Baugruppen.The device 10 according to the invention for controlling the temperature of building interiors shown in the circuit diagram basically comprises the components shown within the dash-dotted rectangle and expediently combined to form an integrated structural unit.
Zu diesen Baugruppen gehört die grundsätzlich konventionell aufgebaute Wärmepumpe 12 mit einem Verdampfer 14, ein Kompressor 16, ein Kondensator 18 und einem Expansionsventil 20, durch welche im Kreislauf das Arbeitsmedium strömt, wobei der die Antriebsleistung für den Kompressor 16 zur Verfügung stellende Antriebsmotor nicht dargestellt ist.These assemblies include the basically conventionally constructed heat pump 12 with an evaporator 14, a compressor 16, a condenser 18 and an expansion valve 20, through which the working medium flows in the circuit, whereby the drive motor providing the drive power for the compressor 16 is not shown.
0 An je einem dem Verdampfer 14 und dem Kondensator 18 zugeordneten Wärmetauscher 22 bzw. 24 sind jeweils einerseits die Vor- und Rücklaufleitung 26 bzw. 28 für das einer Kühl-/Heizdecke 27 zu- bzw. von ihr abgeführte, im speziellen Fall von Wasser gebildete flüssige Wärmeträgermedium und andererseits die Vor- und Rücklaufleitung 32 bzw. 34 für flüssiges Wärmeträgermedium, d.h. ebenfalls Wasser angeschlossen, welche zu in geeigneter Tiefe im Untergrund an-0 On the one hand, the supply and return lines 26 and 28 for the liquid heat transfer medium, which in this case is water, fed to and from a cooling/heating ceiling 27 and on the other hand the supply and return lines 32 and 34 for liquid heat transfer medium, i.e. also water, are connected to a heat exchanger 22 and 24 respectively, which is assigned to the evaporator 14 and the condenser 18, respectively, which is connected to a suitable depth in the subsoil.
zuordnenden Energiepfählen oder -sonden 3 6 zur Aufnahme vor Wärmeenergie aus dem bzw. Abgabe von Wärmeenergie in den Boden dienen. Die Vor- und Rücklaufleitungen 26, 28 bzw. 32, 34 sind jeweils zu Umschaltventilen 38, 40 bzw. 42, 44 geführt, welche eine wahlweise Umschaltung der Vor- und Rücklaufleitung auf die Wärmetauscher 22 bzw. 24 erlauben. Damit ist es möglich, die Vor- und Rücklaufleitung der Kühl-/Heizdecke 30 wahlweise auf den dem Verdampfer zugeordneten Wärmetauscher 22 oder den dem Kondensator zugeordneten Wärmetauscher 24 zu schalten, wodurch eine Umschaltung vom Kühl- auf Heizbetrieb ausschließlich durch Umschaltung der Dreiwegeventile 38, 40 und 42, 44 möglich ist.assigned energy piles or probes 3 6 are used to absorb heat energy from the ground or to release heat energy into the ground. The supply and return lines 26, 28 and 32, 34 are each led to switching valves 38, 40 and 42, 44, which allow the supply and return lines to be switched to the heat exchangers 22 and 24, respectively. This makes it possible to switch the supply and return lines of the cooling/heating ceiling 30 either to the heat exchanger 22 assigned to the evaporator or to the heat exchanger 24 assigned to the condenser, whereby switching from cooling to heating operation is only possible by switching the three-way valves 38, 40 and 42, 44.
Die zum Betrieb der Vorrichtung erforderlichen Hilfsaggregate wie Pumpen, Pufferbehälter und die automatische Steuerung zur Temperaturregelung sind im Schaltbild nicht dargestellt, da dieses nur den grundsätzlichen schaltungsmäßiger Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 veranschauli-0 chen soll, welcher die Umschaltung vom Kühl- auf den Heizbetrieb ermöglicht, ohne dass hier eine Umschaltung der Wärmepumpe erforderlich ist.The auxiliary units required for operating the device, such as pumps, buffer tanks and the automatic control for temperature regulation, are not shown in the circuit diagram, since this is only intended to illustrate the basic circuit structure of the device 10 according to the invention, which enables switching from cooling to heating operation without the need to switch the heat pump.
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