DE202007018251U1

DE202007018251U1 - Vorrichtung zur Energieversorgung von Gebäuden

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Publication number: DE202007018251U1
Application number: DE202007018251U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-07-09
Filing date: 2007-12-30
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2017-12-31

Abstract

Vorrichtung (10) zur Energieversorgung von Gebäuden (11). bestehend aus
– einer Photovoltaikanlage (1) mit mindestens einem photovoltaischen Element (12),
– einer Solarthermieanlage (2) mit mindestes einem solarthermischen Element (13),
– einem gebäudeinternen Speicher (7),
– einem gebäudeexternen Sondenfeld (5) mit mindestens einer Speichersonde (14),
– einer durch die Photovoltaikanlage (1) elektrisch betriebene Wärmepumpe (4) mit mindestens einem Anschluss an eine gebäudeinterne Heiz- und/oder Kühlanlage als Energieverbraucher (8) und
– einem Energieverteilerschrank (3) in Verbindung mit einem Wechselrichter (6) zur Verteilung der von Sondenfeld (5), Photovoltaikanlage (1) und Solarthermieanlage (2) gelieferten Energieanteile an die Wärmepumpe (4) und an Energieverbraucher (8) und/oder wahlweise zurück in das Sondenfeld (5).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieversorgung von Gebäuden.
Viele der in die Gebäudeheizanlagen eingebundenen Wärmepumpen nutzen die Umweltwärme aus Erdreich, Grundwasser, Außenluft oder Abluft, reduzieren auf diese Weise den CO₂-Ausstoß entscheidend und sind für die Schonung der Ressourcen eine Alternative.
Ein Problem besteht aber darin, dass eine an die Erdreichwärme und an die zur Verfügung stehende Solarenergie maximal steuerbare Nutzung der Wärmepumpe noch nicht ausreichend funktioniert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Energieversorgung von Gebäuden anzugeben, die derart geeignet ausgebildet ist, das eine Gewinnung von Heizleistung und Elektrizität für ein Gebäude effizient durchgeführt werden kann.
Die Vorrichtung zur Energieversorgung von Gebäuden besteht gemäß Schutzanspruch 1 aus

– einer Photovoltaikanlage mit mindestens einem photovoltaischen Element,
– einer Solarthermieanlage mit mindestes einem solarthermischen Element,
– einem gebäudeinternen Speicher,
– einem gebäudeexternen Sondenfeld mit mindestens einer Speichersonde,
– einer durch die Photovoltaikanlage elektrisch betriebene Wärmepumpe mit mindestens einem Anschluss an eine gebäudeinterne Heiz- und/oder Kühlanlage als Energieverbraucher und
– einem Energieverteilerschrank in Verbindung mit einem Wechselrichter zur Verteilung der von Sondenfeld, Photovoltaikanlage und Solarthermieanlage gelieferten Energieanteile an die Wärmepumpe und an Energieverbraucher und/oder wahlweise zurück in das Sondenfeld.

Der Energieverteilerschrank enthält eine elektrisch-elektronische Verteilungsschaltung mit einer zugehörigen Steuereinheit für eine Steuerung eines energetischen Rohrverteilungsnetzes.
Die photovoltaisch unterstützte Wärmepumpe kann an die Fußboden- oder Wandheizung als Energieverbraucher, besser als separates System installiert sein und an oder in der Decke von Räumen des Gebäudes zur Ausbildung einer Kühlfläche angeschlossen sein.
Die Speichersonden können in Körben in das Erdreich eingelassen sein und eine Erdreichtiefe von 4,5 bis max. 13,5 Metern aufweisen.
Die Speichersonden können Speicherkerne enthalten, die jeweils mit gleichen oder unterschiedlichen Materialgemischen variabel befüllt sind.
Dem Sondenfeld kann eine montierte Bewässerungsanlage mit Regenwasserspeisung aus Regenwasserrohren zugeordnet sein, die einen zugehörigen Sonden-Umgebungsbereich der Speichersonden zusätzlich mit Wärme und Feuchtigkeit versorgen.
Die Bewässerungsanlage kann für den Sonden-Umgebungsbereich in Form eines Drainagebereiches ausgebildet sein.
Die solarthermischen Elemente in der Dacheindeckung können ein auf oder unter der Dacheindeckung verlegtes Schlauch- und Rohrsystem darstellen.
Die photovoltaischen Elemente in der Dacheindeckung können in Form einer Solarzelle der Triple-Junktion-Klasse und zum Betreiben der Wärmepumpe ausgebildet sein.
Die solarthermischen Elemente können mit aufgesetzten TJ-Photovoltaik-Elementen versehen sein, wobei beide Elemente kombiniert und dabei die photovoltaischen Elemente über den solarthermischen Elementen angebracht durch Befestigungsmittel gehaltert sind.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels einer Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieversorgung von Gebäuden.
In 1 ist in schematischer Darstellung eine Vorrichtung 10 zur Energieversorgung eines Gebäudes 11 gezeigt, die aus

– einer Photovoltaikanlage 1 mit mindestens einem photovoltaischen Element 12,
– einer Solarthermieanlage 2 mit mindestes einem solarthermischen Element 13,
– einem gebäudeinternen Speicher 7,
– einem gebäudeexternen Sondenfeld 5 mit mindestens einer Speichersonde 14,
– einer durch die Photovoltaikanlage 1 elektrisch betriebene Wärmepumpe 4 mit mindestens einem Anschluss an eine gebäudeinterne Heiz- und/oder Kühlanlage als Energieverbraucher 8 und
– einem Energieverteilerschrank 3 in Verbindung mit einem Wechselrichter 6 zur Verteilung von Sondenfeld 5, Photovoltaikanlage 1 und Solarthermieanlage 2 der gelieferten Energieanteile an die Wärmepumpe 4 und an Energieverbraucher 8 und/oder wahlweise zurück in das Sondenfeld 5 besteht.

Der Energieverteilerschrank 3 ist das Herzstück der Vorrichtung 10. Der Energieverteilerschrank 3 enthält eine elektrisch-elektronische Verteilungsschaltung mit einer zugehörigen Steuereinheit für die Steuerung eines energetischen Rohrverteilungsnetzes und hat die Funktion, erzeugte Energie oder Energieanteile dorthin zu verteilen, wo sie gebraucht wird bzw. überschüssige Energie dort hin zu transportieren, wo sie gespeichert werden kann. Die Solarthermieanlage 2 wird optimal damit ausgelastet, einer Verschwendung von Ressourcen wird vorgebeugt und die vorhandene Energie intelligent genutzt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 erzeugt mit Hilfe von 1 kW Einsatzenergie bis zu 6 kW Heizleistung, d. h. nur 1/6 der in der Vorrichtung 10 benötigten Heizenergie muss als Strom für den Betrieb der Wärmepumpe 4 aus den photovoltaischen Elementen 12 zugeführt werden.
Nur die Technik der durch die photovoltaischen Elemente 12 gespeisten Wärmepumpe 4 ermöglicht es, auch im Sommer ein angenehmes Wohnklima in dem Gebäude 11 zu erreichen. Angeschlossen an die Fußboden- oder Wandheizung als Energieverbraucher 8, besser als separates System installiert an oder in der Decke von Räumen des Gebäudes 11 verhilft eine „Kühlfläche" auch an sehr heißen Tagen für angenehme Erfrischung.
Zur Gewinnung der Erdwärme wird auf die Verwendung herkömmlicher Erdwärmequellen verzichtet. Durch den Einsatz von mindestens einer Speichersonde 14 des Sondenfeldes 5 werden teure Tiefenbohrungen vermieden. Der großflächige Platzanspruch von Flächenkollektoren entfällt durch den Einsatz von Erdwärmesonden als Speichersonden 14.
Durch die Einbindung der Speichersonden 14 in die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 arbeiten die Vorrichtungen 10 auch effizienter.
Je nach technischen Erfordernissen benötigen die in Körben 15 eingelassenen Speichersonden 14 lediglich eine Tiefe von 4,5 bis max. 13,5 Metern, um dem Erdreich die benötigte Wärme abzugewinnen und einen gleichgroßen Erdwärmespeicher über eine Saison in Form eines saisonalen Speichers aufzubauen. Eine variable Befüllung der Speicherkerne 16 der einzelnen Speichersonden 14 mit jeweils unterschiedlichen Materialgemischen erzeugt variable Speicherkapazitäten und schafft die Möglichkeit, Wärme in Etappen abzugeben und somit die Basis, sich den thermischen Gegebenheiten flexibler anzupassen.
Die durch den Energieverteilerschrank 3 gesteuerte Rückführung von überschüssiger Energie aus den solarthermischen Elementen 13 sowie die gegebenenfalls montierte Bewässerungsanlage in Form eines Drainagebereiches 17 der Speichersonden 14 mit Regenwasser aus Regenwasserrohren 18 versorgt einen zugehörigen Sonden-Umgebungsbereich 19 der Speichersonden 14 zusätzlich mit Wärme und Feuchtigkeit und verhelfen damit den Speichersonden 14 zu einer noch höheren Nutzleistung.
Die solarthermischen Elemente 13 innerhalb der Dacheindeckung 20 stellen ein auf oder unter der Dacheindeckung 20 verlegtes Schlauch- und Rohrsystem dar, wobei auf herkömmliche Solarkollektoren verzichtet werden kann. Mit der Vorrichtung 10 lässt sich die Investition einer herkömmlichen Solarkollektoranlage um etwa 40 % reduzieren.
Es ist ein System von solarthermischen Elementen 13 bekannt, in dem erstens die Dacheindeckung 20 und zweitens die Träger und Leiter der Solarthermiean-lage 2 gleichzeitig entwickelt sind. Durch die Verwendung einer speziellen Alumi nium-Legierung erhält das Dach 9 eine qualitativ hochwertige Dacheindeckung 20.
Die photovoltaischen Elemente 12 in der Dacheindeckung 20 können in Form einer Solarzelle der Triple-Junktion-Klasse – TJ – zum Betreiben der Wärmepumpe 4 ausgebildet sein, wobei auf eine aufwendige Gestell- und Montagetechnik verzichtet werden kann. Die Fähigkeit – unabhängig vom Einstrahlwinkel des Sonnenlichts – die volle Leistung zu erzielen, versetzt die photovoltaischen Elemente 12 in die Lage, notwendige Anfangsinvestition für eine Photovoltaikanlage 1 um bis zu 20 % zu senken und die Wärmepumpe 4 mit elektrischem Strom zu versorgen.
Zusätzlich kann eine technische Erweiterung der solarthermischen Elemente 13 mittels darauf aufgesetzten TJ-photovoltaischen Elementen 12 vorgesehen sein, wobei beide Elemente 12,13 kombiniert sind und dabei die photovoltaischen Elemente 12 über den solarthermischen Elementen 13 durch Befestigungsmittel gehaltert sind. Die Kombination bewirkt zudem entscheidende positive technische Effekte, nämlich eine Prozesswärme, erzeugt durch die photovoltaischen Elemente 12, und einen unter den photovoltaischen Elementen 12 entstehende Wärmestau, der durch die Flüssigkeit der solarthermischen Elemente 13 aufgenommen, abgeführt und mittels des Energieverteilerschranks 3 direkt in Energieverbrauchern 8, z.B. Heizsystemen transportiert und dort genutzt oder im Sondenfeld 5 zwischengespeichert wird.
Gleichzeitig bewirkt dieser Effekt, dass sich die photovoltaischen Elemente 12 abkühlen können, um dadurch mehr Leistung produzieren zu können. Denn je niedriger die Temperatur, desto höher die Leitfähigkeit für den elektrischen Strom.
Um in der kalten Jahreszeit der Reifbildung bzw. der Auflage von Schnee entgegenzuwirken, kann bei Bedarf durch den Energieverteilerschrank 3 Wärme in die solarthermischen Elemente 13 geleitet werden. Somit wird eine ganzjährig freie Fläche der photovoltaischen Elemente 12 gewährleistet, die nicht nur dem produ zierten Ertrag zuträglich ist, sondern auch statische Komplikationen im Winter umgeht bzw. abbaut.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit der Vorrichtung 10 ein regeneratives intelligentes Energiesystem vorliegt, das Ressourcen schont und einen Beitrag zur Senkung des CO₂-Ausstoßes liefert.

1: Photovoltaikanlage
2: Solarthermieanlage
3: Energieverteilerschrank
4: Wärmepumpe
5: Sondenfeld
6: Wechselrichter
7: gebäudeinterner Speicher
8: Energieverbraucher
9: Dach
10: Vorrichtung
11: Gebäude
12: photovoltaisches Element
13: solarthermische Elemente
14: Speichersonde
15: Körbe
16: Speicherkern
17: Drainagebereich
18: Regenwasserrohr
19: Sonden-Umgebungsbereich
20: Dacheindeckung

Claims

Vorrichtung (10) zur Energieversorgung von Gebäuden (11). bestehend aus – einer Photovoltaikanlage (1) mit mindestens einem photovoltaischen Element (12), – einer Solarthermieanlage (2) mit mindestes einem solarthermischen Element (13), – einem gebäudeinternen Speicher (7), – einem gebäudeexternen Sondenfeld (5) mit mindestens einer Speichersonde (14), – einer durch die Photovoltaikanlage (1) elektrisch betriebene Wärmepumpe (4) mit mindestens einem Anschluss an eine gebäudeinterne Heiz- und/oder Kühlanlage als Energieverbraucher (8) und – einem Energieverteilerschrank (3) in Verbindung mit einem Wechselrichter (6) zur Verteilung der von Sondenfeld (5), Photovoltaikanlage (1) und Solarthermieanlage (2) gelieferten Energieanteile an die Wärmepumpe (4) und an Energieverbraucher (8) und/oder wahlweise zurück in das Sondenfeld (5).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieverteilerschrank (3) eine elektrisch-elektronische Verteilungsschaltung mit einer zugehörigen Steuereinheit für eine Steuerung eines energetischen Rohrverteilungsnetzes enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die photovoltaisch betriebene Wärmepumpe (4) an die Fußboden- oder Wandheizung als Energieverbraucher (8), besser als separates System installiert und/oder an oder in der Decke von Räumen des Gebäudes (11) zur Ausbildung einer Kühlfläche angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichersonden (14) in Körben (15) im Erdreich eingelassen sind und eine Erdreichtiefe von 4,5 bis max. 13,5 Metern aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichersonden (14) Speicherkerne (16) enthalten, die jeweils mit gleichen oder unterschiedlichen Materialgemischen variabel befüllt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sondenfeld (5) eine montierte Bewässerungsanlage mit Regenwasserspeisung aus Regenwasserrohren (18) zugeordnet ist, die einen zugehörigen Sonden-Umgebungsbereich (19) der Speichersonden (14) zusätzlich mit Wärme und Feuchtigkeit versorgen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewässerungsanlage für den Sonden-Umgebungsbereich (19) mit einem Drainagebereich (17) versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die solarthermischen Elemente (13) in der Dacheindeckung (20) ein auf oder unter der Dacheindeckung (20) verlegtes Schlauch- und Rohrsystem darstellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die photovoltaischen Elemente (12) in der Dacheindeckung (20) in Form von Solarzellen der Triple-Junktion-Klasse – TJ – ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die solarthermischen Elemente (13) mit aufgesetzten TJ-photovoltaischen Elementen (12) versehen sind, wobei beide Elemente (12, 13) kombiniert und dabei die photovoltaischen Elemente (12) über den solarthermischen Elementen (13) angebracht durch Befestigungsmittel gehaltert sind.