DE202006011482U1 - Heiz- und Warmwassersystem für Gebäude unter Nutzung eines solarenergieversorgten Erdwärmespeichers mit oder ohne Infrarotstrahlungselement mit integrierter Sole-Wasser Wärmepumpe - Google Patents

Heiz- und Warmwassersystem für Gebäude unter Nutzung eines solarenergieversorgten Erdwärmespeichers mit oder ohne Infrarotstrahlungselement mit integrierter Sole-Wasser Wärmepumpe Download PDF

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Abstract

Solarenergieversorgtes Heiz- und Warmwassersystem (10) für Gebäude, die mindestens eine thermische Solaranlage (ST) mit einem hydraulischem Kreislaufsystem (STVL, STRL) und darin eingebundenen Solarkollektoren und/oder Energiematten (18) und ein Wärmepumpensystem (WPS) mit einem hydraulischen Kreislaufsystem (WPVL, WPRL) umfasst, die in mindestens einen Energiespeicher (14) eingebunden sind, aus dem mindestens ein Verbraucher (FH, WW) mit Wärmeenergie versorgbar ist sowie mindestens einem energieauf- und entladbaren Feststoff-Erdspeicher (24), der in das hydraulische Kreislaufsystem (WPVL, WPRL) des Wärmepumpensystems (WPS) eingebunden ist und dem von mindestens einer Quelle Wärmeenergie zur Speisung des Wärmepumpensystems (WPS) zuführbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Feststoff-Erdspeicher (24) mindestens eine obere Begrenzung (26) und/oder seitliche Begrenzungen (28) unter Ausbildung einer wärmeenergiestauenden Grenzschicht oder wärmeenergiestauenden Wärmeschürze umfasst, dem Wärmeenergie zuführbar ist, und zeitweise speicherbar beziehungsweise staubar ist, indem
• im Feststoff-Erdspeicher (24) ein, von einem Vorlauf (STVL) der thermischen Solaranlage (ST) abgehendes Verteilersystem (36) angeordnet ist, welches in einem...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein kombiniertes System aus thermischer Solaranlage und Wärmepumpenanlage mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
  • Wärmeversorgungssysteme der gattungsgemäßen Art sind bekannt. So sind beispielsweise solarthermische Wärmeversorgungsanlagen bekannt, bei denen über Solarkollektoren ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser, erwärmt wird und dieses mittels der Sonnenenergie erwärmte Wärmeträgermedium einen Pufferspeicher auflädt. Aus dem Pufferspeicher kann dann je nach Wärmebedarf über einen Wärmetauscher die benötigte Wärmeenergie entnommen werden. Derartige Systeme werden beispielsweise für eine Brauchwassererwärmung oder zur Unterstützung zum Betreiben von Heizungsanlagen eingesetzt. Bei den bekannten solarthermischen Anlagen ist nachteilig, dass die über die Sonnenenergie gewonnene und in dem Pufferspeicher abgespeicherte Wärmeenergie nur sehr zeitnah zur Verfügung steht. Beispielsweise kann eine in den Sommermonaten gewonnene Wärmemenge nicht so lange abgespeichert werden, dass diese in den Wintermonaten, beispielsweise für eine Heizung, nutzbar ist.
  • Ferner sind sogenannte geothermische Wärmeversorgungsanlagen bekannt, bei denen in eine ausreichende tiefe, in die Erdoberfläche eingebrachte Bohrung relativ kaltes Wasser eingeleitet wird und dieses kalte Wasser bis zum tiefsten Punkt der Bohrung geleitet, dort umgelenkt und wieder nach oben aus der Bohrung herausgeführt wird. Da bekanntermaßen die Temperatur der Erdkruste mit zunehmender liefe ansteigt, kann bei einer entsprechend tiefen Bohrung, die beispielsweise bis 3000 m reicht, eine Erwärmung des Wassers auf zirka 100 °C erreicht werden, dieses erwärmte Wasser dient dann als Wärmeträgermedium zum Betreiben von Heizungsanlagen oder ähnlichem. Geothermische Wärmeversorgungsanlagen haben den Blechteil, dass diese nur sehr aufwendig und damit kostenintensiv herstellbar und betreibbar sind.
  • Aus der US-PS 3,931,851 ist ein Wärmeversorgungssystem für Gebäude mit einem Aquifer-Speicher bekannt, der mittels einer solarthermischen Energiequelle aufladbar ist.
  • Aus der DE 44 17 138 A1 ist ein Wärmespeicher bekannt, der mit zwei Energiequellen aufladbar ist. Hierbei handelt es sich um einen konventionellen Wärmespeicher, der beispielsweise mit einer Gas- und/oder Öl-Energiequelle und einer solarthermischen Energiequelle betreibbar ist. Hierbei ist die solarthermische Energiequelle, insbesondere zur Energieeinsparung in den Sommermonaten, der konventionellen Energiequelle parallelgeschaltet, um beispielsweise den Heiz- und/oder Warmwasserbedarf eines Einfamilienhauses zu decken.
  • Schließlich ist aus der US-PS 4,577,679 bekannt, für die Aufladung von Aquifer-Speichern, die in Wärmeversorgungssystemen als Pufferspeicher eingesetzt werden, unterschiedliche Energiequellen parallel zu verwenden.
  • Einen Aquifer-Speicher nutzt auch das Wärmeversorgungssystem der Patentschrift DE 197 08 701 C2 .
  • Aus "Heizung und Lüftung", Heft 6/94, Seite 25 bis 27 ist bekannt, das Erdreich als saisonalen Energiespeicher auszunutzen. Hierbei wird ein Erdspeicher über eine Anzahl von Sonden erschlossen, über die wahlweise dem Erdspeicher Wärme zugeführt oder diesem Wärme entnommen werden kann. Eine Aufladung des Erdspeichers ist mittels einer auf Gasbasis arbeitenden Energiequelle vorgesehen.
  • Weitere Informationen und Anwendungsfälle zur solarthermischen Energiegewinnung und ihrer Speicherung in Erdfeststoffspeichern sind umfänglich in der WO 97/10747 beschrieben.
  • Zwei darauf aufbauende Veröffentlichungen, die DE 298 01 126 U1 und die DE 100 48 035 B4 beschäftigen sich ebenfalls mit Verfahren und Anlagen der Heiz- und Warmwasserversorgung unter Einbeziehung von thermischer als auch elektrischer Solarenergie.
  • Die DE 100 48 035 B4 beschreibt eine Einrichtung und ein zugehöriges Verfahren zur Beheizung, Warmwasser- und Stromversorgung von Gebäuden mittels Dacheindeckungselementen, die als solare Wärmekollektoren sowie gleichzeitig als Solarstrom-Module ausgebildet sind und bei denen die Wärmekollektoren wahlweise einen Brauchwasserkreislauf, einen Heizkreislauf und/oder einen Langzeit-Erdreichspeicher speisen unter Vermeidung einer transparenten Abdeckung der Dacheindeckungselemente, wobei der von den Dacheinde ckungselementen erzeugte Strom mindestens teilweise zum Betrieb einer Wärmepumpe genutzt wird, über die mit der in den Dacheindeckungselementen erzeugten Wärmeenergie während der einstrahlungsreichen Jahreszeit der Langzeit-Erdreichspeicher gespeist wird, aus dem, gleichfalls über die Wärmepumpe, bei ungenügender Sonneneinstrahlung die Gebäudeheizung und der Brauchwasserkreislauf betrieben werden.
  • Die DE 298 01 126 U1 beschreibt bereits eine Solarenergieversorgte Heiz- und Warmwasseranlage für Gebäude, enthaltend mindestens einen Solarkollektor mit einem hydraulischen, die Solarenergie in einen Wärmetauscher transportierenden Solarverteiler, einen daran angeschlossenen Kombispeicher höchster Temperaturebene mit einem Warmwasserbereiter und mit einer Fußboden-/Innenwandheizung sowie mehrere im Gebäudebodenbereich befindliche energieauf- und -entladbare Anlagenspeicher nachgestufter Temperaturebenen zum Eintrag, zur Speicherung und zum Austrag der Solarenergie
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung den Anlagenbetrieb für eine Wärmepumpe mit solarthermischer Unterstützung so zu gestalten, dass der jahreszeitliche und tageszeitliche Unterschied von verwertbarer Sonnenenergie und benötigtem Warmwasser zur Gebäudeheizung und/oder Brauchwassererzeugung möglichst effizient ist.
  • Die Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Schutzanspruchs dadurch gelöst, dass ein Feststoff-Erdspeicher mindestens eine obere Begrenzung und/oder seitliche Begrenzungen unter Ausbildung einer wärmeenergiestauenden Grenzschicht oder einer wärmeenergiestauenden Wärmeschürze umfasst, so dass dem Feststoff-Erdspeicher Wärmeenergie zuführbar ist und zeitweise gespeichert/gestaut werden kann.
  • Dabei wird erstens eine verlängerte Solarvorlaufleitung über ein Verteilersystem im untersten Drittel des Feststoff-Erdspeichers ähnlich einer Fußbodenheizung großflächig verzweigt verlegt und als Solarrücklaufleitung wieder zu den Kollektoren oder Energiematten als geschlossenes System auf das Dach geführt, welches nach dem Temperaturdifferenzsystem Solar-Wärme fördert und in mindestens zwei Ebenen ablädt beziehungsweise einspeichert.
  • Mit dem Systemstrahlungselement nach EP 1 523 223 , welches optional eingesetzt werden kann, besteht die Möglichkeit zweitens direkt Wärme (Infrarotstrahlung) in den Erdspeicher einzubringen und/oder drittens in den Feststoff-Erdspeicher eine natürliche und/oder initiierte Erdwärmestrahlung einzutragen.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist der Feststoff-Erdspeicher direkt unterhalb des Gebäudes angeordnet, wobei die obere Begrenzung eine im Wesentlichen horizontale Bodenplatte des Gebäudes ist.
  • In weiterer bevorzugter Ausgestaltung sind die seitlichen Begrenzungen verlängerte im Wesentlichen vertikal verlaufende Streifenfundamente des Gebäudes.
  • Ferner ist der Feststoff-Erdspeicher an den inneren Flächen der Grenzschicht oder der Wärmeschürze mit einem wärmedämmenden Material, insbesondere Styrodur, versehen.
  • Zudem besteht alternativ die Möglichkeit, dass der Feststoff-Erdspeicher eine untere Begrenzung [Sohle] in Form einer im Wesentlichen unteren horizontale Bodenplatte aufweist, die insbesondere in Trinkwasserschutzgebieten, wasserundurchlässig ausgeführt ist.
  • Um das Speichervermögen zu erhöhen, ist in weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung in dem Feststoff-Erdspeicher mindestens eine schwarze Masse mit einem Wärmeenergiespeichervermögen angeordnet, in die in kurzer Zeit Wärmeenergie aus den Wärmequellen nach Anspruch 1 absorbierbar und über einen längeren Zeit wieder emittierbar ist.
  • Vorzugsweise sind die schwarzen Massen ein Bitumen/Steingemisch, die als mindestens eine Schicht in dem Feststoff-Erdspeicher angeordnet sind.
  • Ferner bevorzugt ist, dass die mindestens eine Schicht unterhalb der oberen Begrenzung, insbesondere der im Wesentlichen oberen Begrenzung der horizontalen Boden(Keller)platte und/oder zwischen einem hydraulischen Kreislaufsystem des Wärmepumpensystem und dem Kreislaufabzweigsystem der thermische Solaranlage angeordnet ist.
  • Die erfindungsgemäße initiierbare Erdwärmestrahlung nach Anspruch 1 ist durch Zuschaltung des Systemstrahlungselement nach EP 1 523 223 bewirkbar, da die Strahlungswärme in einem vorgebbaren Frequenzbereich, insbesondere Infrarotfrequenzbereich, liegt und im Feststoff-Erdspeicher selbst und/oder in den Feststoffspeicher umgebenden Feststoffen Resonanzen, insbesondere Infrarotresonanzen, hervorruft.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist das im Feststoff-Erdspeicher angeordnete Systemstrahlungselement nach EP 1 523 223 mittig im Feststoff-Erdspeicher angeordnet und durchgreift die schwarzen Massen nach Anspruch 5 bis 7 und/oder das erdspeicherseitige hydraulische Kreislaufsystem des Wärmepumpensystems und/oder das erdspeicherseitige Kreislaufabzweigsystem der thermischen Solaranlage.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung steht das hydraulische Kreislaufsystem und das Kreislaufabzweigsystem des hydraulischen Kreislaufsystem der thermischen Solaranlage, welches über den Feststoff-Erdspeicher geführt wird, nicht mit dem hydraulischen Kreislaufsystem des Wärmepumpensystems in Verbindung. Der Wärmeaustausch erfolgt nur über den Feststoff-Erdspeicher durch indirekte Wärmeübertragung.
  • In weiterer Ausgestaltung ist über einen Steuer- und Regelungsanlage vorgebbar, unter welchen Bedingungen eine Umschaltarmatur öffnet, um eine Beladung des Feststoff-Erdspeichers über das Kreislaufabzweigsystem der thermischen Solaranlage vorzunehmen.
  • Ferner ist über die Steuer- und Regelungsanlage vorgebbar, unter welchen Bedingungen eine Entladung des Feststoff-Erdspeichers über das hydraulische Kreislaufsystem des Wärmepumpensystem erfolgt.
  • Schließlich ist über die Steuer- und Regelungsanlage vorgebbar, unter welchen Bedingungen das im Feststoff-Erdspeicher angeordnete Systemstrahlungselement nach EP 1 523 223 zu- beziehungsweise abschaltbar ist.
  • Zur Steuerung und Regelung ist in bevorzugter Ausgestaltung in dem Feststoff-Erdspeicher mindestens ein Temperaturfühler, vorzugsweise in einem Schutzrohr, angeordnet, nach dessen Ausgangssignal die Steuer- und Regelungsanlage die Fahrweise des solarenergieversorgten Heiz- und Warmwassersystem des Kreislaufabzweigsystem der thermischen Solaranlage und des hydraulischen Kreislaufsystems des Wärmepumpensystem und/oder des Systemstrahlungselement nach EP 1 523 223 vornimmt.
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch ein Gebäude mit einem solarenergieversorgten Heiz- und Warmwassersystem 10 und einem Feststoff-Erdspeicher 24.
  • Das Gebäude weist zunächst eine thermische Solaranlage ST mit Solarkollektoren und/oder Energiematten 18 auf. Die Solarkollektoren und/oder Energiematten 18 können auf verschiedenen Weise auf dem Dach des Gebäudes oder in das Dach des Gebäudes integriert werden oder an Fassaden angeordnet sein.
  • Beispielhaft sind die Solarkollektoren und/oder Energiematten 18 auf dem Dach des Gebäudes angeordnet, wobei die thermische Solaranlage ST einen Vorlauf STVL und einen Rücklauf STRL ausgehend von den Solarkollektoren und/oder Energiematten 18 aufweist.
  • Die thermische Solaranlage ST ermöglichst zunächst erst einmal grundsätzlich, dass Sonnenergie als Strahlungswärme, Umweltenergie aus Luft, Regen und Wind über die Solarkollektoren und/oder Energiematten 18 je nach Einbau zum einen direkt für die Erwär- ` mung von Solar-Frostschutzgemisch in der thermischen Solaranlage ST benutzt werden und zum anderen als Wärmeenergie, vorzugsweise überschüssige Wärmeenergie in den Feststoff-Erdspeicher 24 abgeladen werden kann.
  • Als zweites System weist das Gebäude ein Wärmepumpensystem WPS auf, welches bekanntermaßen einen Vorlauf WPVL (Vorlauf Primärkreis) und einen Rücklauf WPRL (Rücklauf-Primärkreis) umfasst, die durch einen Feststoff-Erdspeicher 24 geführt sind.
  • Im Ausführungsbeispiel ist für die Solaranlage ST ein Energiespeicher in Form des vorgeschalteten Warmwasserspeichers 14A vorhanden, der wasserseitig dem integrierten Warmwasserspeicher der Wärmepumpe 14B WPS in Reihe geführt ist.
  • Sofern mit direkter Solarwärme geheizt werden soll, beispielsweise über eine Großflächenheizung (Fußbodenheizung, Wandheizung etc.), ist die hier dargestellte Anforderung 14A + 14B durch einen sogenannten Kombispeicher 14, der die Heizungs- und Warmwasserfunktion erfüllt, zu ersetzen (gemeinsamer Energiespeicher).
  • Als Verbraucher sind in der einzigen Figur eine Fußbodenheizung FH mit Vorlauf FHVL und Rücklauf FHRL dargestellt, wobei selbstverständlich nicht zwingend eine Fußbodenheizung FH als Verbraucher angeordnet sein muss. Hier können beispielsweise Wandheizungen oder Flächenheizungen angeschlossen sein.
  • Ferner zeigt die Figur, dass in das Gebäude eine Klima- und Belüftungsanlage integriert werden kann.
  • Das Wärmepumpensystem WPS ist als hydraulische Sole-Wasser-Wärmepumpe ausgelegt, damit der Solekreislauf als geschlossenes System im Feststoffspeicher 24 integriert werden kann und zudem ein betriebssicheres System ermöglicht wird.
  • Erfindungsgemäß sollen die dargestellten Komponenten als Alternative zu herkömmlichen, teuren und aufwendigen genehmigungspflichtigen Tiefenbohrungen als Technologie angeboten werden, bei der Solarwärme, Erdstrahlungswärme und Umgebungswärme in dem Feststoff-Erdspeicher unter einer Bodenplatte 26 des Gebäudes speicherbar sind und für das Sole-Wasserwärmepumpensystem WPS nutzbar gemacht werden können, gleichzeitig kürzeste Energieflüsse und Umwandlungen möglich sind.
  • Die Anordnung der Wärmepumpen Vorlauf und -Rücklaufleitungen WPVL und WPRL sind im obersten Drittel des Feststoff-Erdspeichers nach Auslegungsvorgabe in Abhängigkeit der Kälteentzugsleistung dimensioniert. Sie befinden sich im wärmsten Teil des Feststoff-Erdspeichers.
  • Überschüssige Solarwärme wird durch Umschalten mittels einer Umschaltarmatur 16 durch eine handelsübliche Temperaturdifferenzsteuerung in den Solarleitungsbereich ST-FESRL und ST-FESVL geleitet und großflächig im Feststoff-Erdspeicher 24 eingespeist. Die Armatur 16 kann auch eine rein thermostatisch arbeitende Umschaltarmatur sein.
  • Eine weitere Energiequelle sind thermische Energieeinträge durch fließende Wärme aus der Umgebung des Feststoff-Erdspeichers 24. Hierfür reichen kleine Temperaturdifferenzen aus, da im Bereich der Sole-Leitungen WPVL und WPRL durch permanenten Wärmeentzug Minustemperaturen auftreten können.
  • Aufgrund dieser Tatsache wird auch die thermische Solaranlage ST selbst bei Temperaturen auf den Energiematten oder in den Flachkollektoren schon mit Erträgen vom Dach mit 2–3 °C arbeiten und diese „Wärme" in den Feststoff-Erdspeicher 24 „holen".
  • Somit wird sonst nicht nutzbare Solarwärme von 2–3 °C (+) schon für den Feststoff-Erdspeicher 24 nutzbar, indem die Wärmepumpe WP diese in wohlige Heizwärme umwandelt und gegenüber einer Wärmequelle Bohrung (T = 0°C) durch ständiges solares Nachladen, wie soeben beschrieben, die bessere und effizientere Wärmequelle bieten.
  • Die Dimensionierung der Solarkollektoren und/oder der Energiematten 18 muss bedarfsgerecht für den Winterbetrieb erfolgen, so dass neben dem permanenten thermischen Zufluss von Wärme aus der Erde und der Umgebung die geringsten Plus-Temperaturen durch Wind, diverse Sonnenstrahlung (der Flachkollektor – als Energiefalle ähnlich des Treibhauseffektes) wirksam werden.
  • Dadurch sind für das Wärmepumpensystem WPS mehrere des Quellen Wärmeenergieeintrags in den Feststoff-Erdspeicher 24 gegeben. Dazu kommt der Infrarotresonanzanteil der natürlich eintreten kann, aber auch durch thermostatisches Anschalten des Systemstrahlungselementes nach der europäischen Patentanmeldung EP 1 523 223 initiiert werden könnte. In einer kritischen Jahreszeit bei der anderen Wärmequellen keinen ausreichender Eintrag von Wärme zur Verfügung stellen, ist der Feststoff-Erdspeicher 24 somit über das Systemstrahlungselement 22 beheizbar. Zudem können noch handelsübliche Wärmequellen wie beispielsweise die abgebildete kontrollierte Wohnrauslüftung mit bis zu 90 % Wärmerückgewinnung dazugeschaltet werden.
  • Neben diesen möglichen Wärmequellen steht im Feststoff-Erdspeicher 24 die natürliche Erdwärmestrahlung zur Verfügung oder es kann sogar eine Erdwärmestrahlung initiiert werden. Das angeordnete Systemstrahlungselement 22 im Bereich des Feststoff-Erdspeichers 24, vorzugsweise ein Infrarotstrahlungselement, erzeugt nämlich neben der reinen Strahlungswärme einen Infrarotfrequenzbereich und regt somit Infrarotresonanzen an, so das diese Schwingungsüberlagerungen zu Wärmeeinträgen aus stärkeren Infrarotpotentialen führen (Resonanzen im Infrarotbereich).
  • Durch diese verschiedenen nutzbaren Wärmequellen ist das erfindungsgemäße System 10 in der Lage das Wärmepumpensystem WPS zu speisen und effektiv zu gestalten. Der Feststoff-Erdspeicher 24 stellt für die verlegten Vor- und Rücklaufleitungen WPVL, WPRL des Wärmepumpensystems WPS Wärmeenergie zur Verfügung, die durch das Wärmepumpensystem WPS entzogen werden kann und dem sogenannten Sekundärkreislauf also den Verbrauchern beispielsweise einer Fußbodenheizung FH und dem oder den Energiespeicher 14 und 14B, im Gebäude zur Verfügung gestellt werden kann.
  • Es werden Wärmequellen vom höchsten bis zum niedrigsten Energieniveau genutzt, wobei insbesondere in den Übergangszeiten Frühling/Herbst und im Sommer größere Solareinträge aus der thermischen Solaranlage ST möglich sind, wodurch sich die Arbeitszahl, das Verhältnis Heizungsenergieabgabe zu aufgewandter elektrischer Energie, der Wärmepumpe WP bei 5 und gegebenenfalls darüber hinaus bewegen wird. Das Wärmepumpensystem WPS, vorzugsweise das Sohle-Wasser-Wärmepumpensystem, kann so mit einer Jahres-Arbeitszahl gefahren werden, die nicht unter 4,0 eher 4,5 bis 5 und darüber betragen wird.
  • In vorteilhafter Weise ist hier nicht wie bei den Tiefenbohrungen oder Flachkollektorverlegungen eine Regeneration des Erdreichs erst durch einen abnehmbaren Wärmeentzug im Sommer möglich, sondern das Speichersystem regeneriert sich durch die im Feststoff-Erdspeicher 24 zwangsweise eintragbare Wärmeenergie aus verschiedenen Quellen jederzeit in ausreichendem Maße. Dagegen verlieren erfahrungsgemäss Tiefenbohrungen langzeitabhängig die 100 %ige Ertragsfähigkeit.
  • Um die Effizienz und Betriebsweise des erfindungsgemäßen Systems zu erhöhen, ist der Feststoff-Erdspeicher 24, wie die Figur weiter zeigt, in besonderer Weise ausgestaltet.
  • Grundsätzlich weist das Gebäude die horizontale Boden(Keller)platte 26 auf, die als obere Begrenzung des Feststoff-Erdspeichers 24 dient.
  • Der Feststoff-Erdspeicher 24 kann neben dem Gebäude angeordnet sein ist aber in gemäß Ausführungsbeispiel direkt unter dem Gebäude angeordnet, wobei zusätzliche seitliche Begrenzungen 28 angeordnet sind, die im Wesentlichen verlängerte, vertikal verlaufende Streifenfundamente des Gebäudes sein können. Somit ist der Feststoff-Erdspeicher 24 als Grenzschicht außerhalb oder direkt unterhalb des Gebäudes ausbildbar oder bildet gemäß dem Ausführungsbeispiel in der einzigen Figur eine Wärmeenergie stauende Wärmeschürze direkt unterhalb des Gebäudes aus.
  • Zusätzlich werden die Innenflächen einer ausgebildeten, wärmeenergiestauenden Grenzschicht oder wärmeenergiestauenden Wärmeschürze mit einem wärmedämmenden Material 32, insbesondere Styrodur, versehen.
  • In der Figur ist zudem dargestellt, dass der Feststoff-Erdspeicher 24 durch eine untere horizontale Bodenplatte in einer Art unteren Begrenzung 30 verschlossen werden kann, wobei diese untere Begrenzung 30 wasserundurchlässig ausführbar ist, um eine Anwendung in Trinkwasserschutzgebieten sicher zu stellen.
  • Zudem ist unabhängig davon, ob die untere Begrenzung [Sohle] 30 angeordnet ist, in dem Feststoff-Erdspeicher 24 mindestens eine schwarze Masse 34 mit einem Wärmeenergiespeichervermögen angeordnet, so dass in einem kurzen Zeitraum Wärmeenergie aus den verschiedenen erläuterten Wärmequellen nach Anspruch 1 einspeicherbar und über einen längeren Zeitraum wieder abgebbar ist.
  • Die schwarze Masse 34 ist vorzugsweise ein Bitumen-/Steingemisch oder dergleichen, die als mindestens eine Schicht in dem Feststoff-Erdspeicher 24 angeordnet ist.
  • Es hat sich herausgestellt, dass eine besonders geeignete Verlegung der schwarzen Massen 34 in Schichten vorteilhaft ist, wenn eine Schicht unterhalb der oberen Begrenzung 30, insbesondere der im Wesentlichen horizontalen Boden(keller)platte 26, und/oder zwischen dem hydraulischen Kreislaufsystem WPVL, WPRL des Wärmepumpensystems WPS und dem Kreislaufabzweigsystem ST-FESVL, ST-FESRL der thermischen Solaranlage ST angeordnet ist.
  • Die Figur zeigt ferner, dass das anordbare Systemstrahlungselement 22 vorzugsweise mittig im Feststoff-Erdspeicher 24 angeordnet ist.
  • Dadurch ist die Anlage so konstruiert, dass die Vor- und Rücklaufleitungen WPVL, WPRL des Wärmepumpensystems WPS und die Vor- und Rücklaufleitungen ST-FESVL, ST-FESRL des Abzweiges der thermischen Solaranlage ST erdspeicherseitig um das Systemstrahlungselement 22 herumgeführt werden oder dieses in geeigneter Weise umfassen.
  • Das hydraulische Kreislaufsystem STVL, STRL im Gebäude und das Kreislaufabzweigsystem ST-FESVL, ST-FESRL der thermischen Solaranlage ST, welches über den Feststoff-Erdspeicher 24 geführt ist, steht also nicht mit dem hydraulischen Kreislaufsystem WPVL, WPRL des Wärmepumpensystems WPS in direkter Verbindung. Der Wärmeaustausch erfolgt also über den auflad- und entladbaren Feststoff-Erdspeicher 24.
  • Nicht dargestellt sind auch mindestens 2 Temperaturfühler, die ein Ausgangssignal hinsichtlich der Feststoff-Erdspeicher 24 herrschenden Temperatur zum einen an die Temperaturdifferenzsteuerung (nicht dargestellt) der Solaranlage weitergibt. Der zweite Fühler gibt ein Ausgangssignal für die Steuer- und Regelungsanlage der Wärmepumpe, ob oder unter welchen Bedingungen eine Entladung des Feststoff-Erdspeicher 24 über das hydraulische Kreislaufsystem des Wärmepumpensystems WPS erfolgen soll. Ferner ist über die Solar-Steuer- und Regelungsanlage und den angeordneten Temperaturfühler vorgebbar, unter welchen Bedingungen die Umschaltarmatur 16 öffnet um eine Beladung des Feststoff-Erdspeicher 24 über das Kreislaufabzweigsystem ST-FES der thermischen Solaranlage ST vorzunehmen. Schließlich ist mit dieser Steuer- und Regelungsanlage auch vorgebbar, unter welchen Bedingungen das im Feststoff-Erdspeicher 24 angeordnete Systemstrahlungselement 22 zu- beziehungsweise abschaltbar ist.
  • Das dargestellte System gemäß der Figur und der vorhergehenden Beschreibung zeichnet sich durch folgende Vorteile aus. Das System ist gegenüber aufwendigen und teueren Tiefenbohrungen preiswerter zu realisieren, so dass Heiz- und Warmwassersysteme unter Nutzung eines Solarenergieversorgten Erdwärmespeichers mit integrierter Wärmepumpe und den weiteren zur Verfügung stehenden Wärmequellen für die Allgemeinheit kostengünstiger anzubieten ist. Bisher waren Solartemperaturniveaus unter 5 °C für die Heizungs- und WW-Bereitung von Gebäuden nicht nutzbar, was mit diesem System nunmehr möglich ist.
  • Zudem wird eine CO2-Minderung erreicht, die durch umweltfreundlicheres Heizen mit direkter und indirekter Umweltenergie ermöglicht wird. Hinsichtlich der Tiefienbohrungen werden durch diese Lösungen aufwendige Genehmigungsverfahren vermieden, wobei die dargestellte Lösung durch eine wasserundurchlässige Sohle 30 des Feststoff-Erdspeichers 24, zudem für Trinkwasserschutzgebiete anwendbar ist. Somit ist diese Lösung auch in Trinkwasserreservoiren problemlos anwendbar.
  • 10
    System
    12
    Abzweig zum Verteilersystem Feststoff-Erdspeicher (Solar-Abzweig)
    14
    Energiespeicher (nicht dargestellt – Kombispeicher)
    14A
    erster Solar-Warmwasserspeicher
    14B
    integrierter Warmwasserspeicher der WP (20)
    16
    Umschaltarmatur Energiespeicher/Feststoff-Erdspeicher
    18
    Solarkollektoren/Energiematten
    20
    Wärmepumpe
    22
    Systemstrahlungselement [Infrarotstrahlungselement]
    24
    Feststoff-Erdspeicher
    26
    obere Begrenzung (horizontale Boden(Keller)platte] (Bodenplatte)
    28
    vertikale Bodenplatten (Streifenfundament)
    30
    untere Begrenzung horizontale Bodenplatte [wasserundurchlässig]
    32
    Wärmedämmung
    34
    schwarze Masse
    36
    Verteilersystem
    ST
    thermische Solaranlage
    STVL
    thermische Solaranlage – Vorlauf
    STRL
    thermische Solaranlage – Rücklauf
    ST-FESVL
    thermische Solaranlage – Vorlauf Verlängerung zum Feststofferdspeicher
    ST-FESRL
    thermische Solaranlage – Rücklauf Verlängerung vom Feststofferdspeicher
    WPS
    Wärmepumpensystem (Sole-Wasser)
    WPVL
    Wärmepumpensystem – Vorlauf (Primärkreis) (Sole-Vorlauf)
    WPRL
    Wärmepumpensystem – Rücklauf (Primärkreis) (Sole-Rücklauf)
    FH
    Fußbodenheizung
    FHVL
    Heizung/Fußbodenheizung – Vorlauf
    FHRL
    Heizung/Fußbodenheizung – Rücklauf
    KW
    Kaltwasserzuführleitung
    WW
    Warmwasser

Claims (15)

  1. Solarenergieversorgtes Heiz- und Warmwassersystem (10) für Gebäude, die mindestens eine thermische Solaranlage (ST) mit einem hydraulischem Kreislaufsystem (STVL, STRL) und darin eingebundenen Solarkollektoren und/oder Energiematten (18) und ein Wärmepumpensystem (WPS) mit einem hydraulischen Kreislaufsystem (WPVL, WPRL) umfasst, die in mindestens einen Energiespeicher (14) eingebunden sind, aus dem mindestens ein Verbraucher (FH, WW) mit Wärmeenergie versorgbar ist sowie mindestens einem energieauf- und entladbaren Feststoff-Erdspeicher (24), der in das hydraulische Kreislaufsystem (WPVL, WPRL) des Wärmepumpensystems (WPS) eingebunden ist und dem von mindestens einer Quelle Wärmeenergie zur Speisung des Wärmepumpensystems (WPS) zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoff-Erdspeicher (24) mindestens eine obere Begrenzung (26) und/oder seitliche Begrenzungen (28) unter Ausbildung einer wärmeenergiestauenden Grenzschicht oder wärmeenergiestauenden Wärmeschürze umfasst, dem Wärmeenergie zuführbar ist, und zeitweise speicherbar beziehungsweise staubar ist, indem • im Feststoff-Erdspeicher (24) ein, von einem Vorlauf (STVL) der thermischen Solaranlage (ST) abgehendes Verteilersystem (36) angeordnet ist, welches in einem Rücklauf (STRL) der thermischen Solaranlage (ST) mündet und/oder • ein im Feststoff-Erdspeicher (24) angeordnetes Systemstrahlungselement zuschaltbar ist und/oder • eine natürliche und/oder initiierte Erdwärmestrahlung eintragbar ist.
  2. Solaranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Solaranlage (ST) nach dem Temperaturdifferenzsystem Solarwärme fördert und in mindestens zwei Ebenen, dem Energiespeicher (14) und dem Feststoff-Erdspeicher (24) Solarwärme ablädt.
  3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoff-Erdspeicher (24) direkt unterhalb des Gebäudes angeordnet ist, wobei die obere Begrenzung (26) eine im Wesentlichen horizontale Bodenplatte des Gebäudes und die seitlichen Begrenzungen (28) verlängerte im Wesentlichen vertikal verlaufende Streifenfundamente des Gebäudes sind.
  4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoff-Erdspeicher (24) an den inneren Flächen der Grenzschicht oder der Wärmeschürze mit einem wärmedämmenden Material (32), insbesondere Styrodur, versehen ist.
  5. System nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoff-Erdspeicher (24) eine untere Begrenzung (30) [Sohle] in Form einer im Wesentlichen unteren horizontale Bodenplatte aufweist, die insbesondere in Trinkwasserschutzgebieten, wasserundurchlässig ausgeführt ist.
  6. System nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Feststoff-Erdspeicher (24) mindestens eine schwarze Masse (34) mit einem Wärmeenergiespeichervermögen angeordnet ist, so dass in einem kurzen Zeitraum Wärmeenergie aus den Wärmequellen nach Anspruch 1 einspeicherbar [absorbierbar] und über einen längeren Zeitraum wieder abgebbar [emittierbar] ist.
  7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine schwarze Masse (34) eine Schicht aus einem Bitumen/Steingemisch oder dergleichen ist, die als mindestens eine Schicht in dem Feststoff-Erdspeicher (24) angeordnet sind.
  8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht (34) • unterhalb der oberen Begrenzung (30), insbesondere der im Wesentlichen horizontalen Boden(Keller)platte und/oder • zwischen dem hydraulischen Kreislaufsystem (WPVL, WPRL) des Wärmepumpensystems (WPS) und dem Verteilersystem (36, ST-FESVL, ST-FESRL) der thermische Solaranlage (ST) angeordnet ist.
  9. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass initiierte Erdwärmestrahlung durch Zuschaltung des Systemstrahlungselements bewirkbar ist, da die Strahlungswärme in einem vorgebbaren Frequenzbereich, insbesondere Infrarotfrequenzbereich, liegt und im Feststoff-Erdspeicher (24) selbst und/oder in den Feststoffspeicher umgebenden Feststoffen Resonanzen, insbesondere Infrarotresonanzen, hervorruft.
  10. System nach Anspruch 1 oder 1 und 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das im Feststoff-Erdspeicher (24) angeordnete Systemstrahlungselement mittig im Feststoff-Erdspeicher (24) angeordnet ist und die schwarzen Massen nach Anspruch 6 bis 8 und/oder das erdspeicherseitige hydraulischen Kreislaufsystem (WPVL, WPRL) des Wärmepumpensystems (WPS) und/oder das erdspeicherseitige Verteilersystem (36, ST-FESVL, ST-FESRI) der thermische Solaranlage (ST) umfassen.
  11. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hydraulische Kreislaufsystem (STVL, STRL) im Gebäude und das Verteilersystem (36, ST-FESVL, ST-FESRI) der thermischen Solaranlage (ST) über den Feststoff-Erdspeicher (24) nicht mit dem hydraulischen Kreislaufsystem (WPVL, WPRL) des Wärmepumpensystems (WPS) in Verbindung stehen, sondern ein Wärmeaustausch nur über den Feststoff-Erdspeicher (24) erfolgt.
  12. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Steuer- und Regelungsanlage vorgebbar ist unter welchen Bedingungen eine Umschaltarmatur (16) öffnet, um eine Beladung des Feststoff-Erdspeichers (24) über das Verteilersystem (36, ST-FESVL, ST-FESRI) der thermischen Solaranlage (ST) vorzunehmen.
  13. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Steuer- und Regelungsanlage vorgebbar ist unter welchen Bedingungen eine Entladung des Feststoff-Erdspeichers (24) über das hydraulische Kreislaufsystem (WPVL, WPRL) des Wärmepumpensystems (WPS) erfolgt.
  14. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Steuer- und Regelungsanlage vorgebbar ist, unter welchen Bedingungen das im Feststoff-Erdspeicher (24) angeordnete Systemstrahlungselement zubeziehungsweise abschaltbar ist.
  15. System nach Anspruch 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Feststoff-Erdspeicher (24) mindestens zwei Temperaturfühler, vorzugsweise in einem Schutzrohr angeordnet sind, nach dessen Ausgangssignal die Steuer- und Regelungsanlage die Fahrweise des Systems (10) • des Verteilersystems (36, ST-FESVL, ST-FESRL) der thermischen Solaranlage (ST) und des • hydraulischen Kreislaufsystems (WPVL, WPRL) des Wärmepumpensystems (WPS) und/oder des • Systemstrahlungselementes vornimmt.
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