DE202011106855U1

DE202011106855U1 - Wärmeversorgungssystem mit dezentralen Wärmepumpen und gebäudeintegriertem Wärmequellennetz für Umweltwärme, insbesondere Erdwärme, Umgebungsluft, Abwärme oder/und Solarwärme

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Publication number: DE202011106855U1
Application number: DE202011106855U
Authority: DE
Original assignee: Institut fuer Solarenergieforschung GmbH
Current assignee: Institut fuer Solarenergieforschung GmbH
Priority date: 2011-10-15
Filing date: 2011-10-15
Publication date: 2011-11-29
Anticipated expiration: 2021-10-16

Abstract

Wärmeversorgungssystem für Raumwärme und Trinkwarmwasser eines Gebäudes, insbesondere eines Mehrfamilienhauses, mit einem aus einem aus Vorlauf und Rücklauf bestehenden, gebäudeintegrierten Wärmeverteilnetz (2), dadurch gekennzeichnet, dass in zu versorgenden Teilbereichen des Gebäudes, vorzugsweise Wohnungen, dezentrale Wärmepumpen (1) installiert sind, und dass diese das Wärmeverteilnetz (2) als Wärmequelle verwenden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeversorgungssystem zur Trinkwarmwasserbereitung und Beheizung eines Gebäudes, vorzugsweise eines Mehrfamilienhauses, mit dezentralen Wärmepumpen, deren Wärmequelle ein gebäudeintegriertes Wärmenetz ist, das aus Umweltwärme, insbesondere Erdwärme, Umgebungsluft, Abwärme oder/und Solarwärme versorgt wird.
Im Siedlungsbau verbreitet ist das Konzept der sogenannten kalten Nahwärme als Wärmequelle für einzelne Wärmepumpen, die die Warmwasserbereitung und die Raumheizung in den Einzelobjekten übernehmen. Das Nahwärmenetz wird durch unterschiedliche Wärmeerzeuger, wie zum Beispiel Biomasse-BHKW, Spitzenlastkessel oder Absorptionskältemaschine, auf 10 bis 15°C gehalten (siehe zum Beispiel DE 10 2007 049 621 A1 ).
In einer ähnlichen Variante wird das Trinkwasser selbst als Wärmeträger verwendet und regenerativ um wenige Grad Celsius angehoben (vgl. DE 3132562 A1 ). Hierbei wird die Verlegung eines kalten Nahwärmenetzes vermieden.
Die Konzepte der kalten Nahwärme setzen jedoch eine integrierte Planung der Wohnsiedlung und einen Anschlusszwang voraus und sind als gebäudeintegrierte Variante bislang nicht bekannt.
In Deutschland werden in Mehrfamilienhäusern zwei Grundprinzipien der Raumwärmeversorgung von Wohnungen bzw. Abschnitten mehrerer Wohnungen verfolgt. Entweder wird die Raumwärme ausschließlich über dezentrale konventionelle Wärmeerzeuger, z. B. Gasthermen oder elektrische Heizungen, so dass nur der Endenergieträger in die Wohnung geführt werden muss, oder über zentrale Wärmeerzeuger, zum Beispiel Gaskessel oder auch Wärmepumpen, mit einer Verteilung der Wärme von der Zentrale in die Wohnungen bereit gestellt.
Hinsichtlich der Warmwasserbereitung in Mehrfamilienhäusern sind zentrale, aber auch dezentrale Systeme, wie elektronisch geregelte Durchlauferhitzer, Frischwasserstationen oder Wohnungsstationen gebräuchlich.
EP 0647818 B1 beschreibt ein Wärmeversorgungssystem mit zentraler Wärmepumpe, Dreileiter-Wärmeverteilung und dezentralen Wärmeübergabestationen. Die drei Verteilleitungen befinden sich auf unterschiedlichen Temperaturniveaus und übergeben etagenweise die Wärme an Heizkreisläufe und Trinkwarmwasserkreisläufe. Solarkollektoren werden mittels einer Wärmeübertragerstation an das Verteilnetz angeschlossen. Durch die drei Temperaturniveaus in der Wärmeverteilung wird der Solarertrag zwar gesteigert, aber das Wärmenetz verteilt sowohl Solarwärme als auch konventionelle Wärme.
Für die dezentrale Warmwasserbereitung und dezentrale Raumheizung mit Solarthermieunterstützung entwickelte die Fa. Bosch Thermotechnik eine Gaskombitherme, mit dem die solare Wärme wohnungsweise über eine Zuleitung genutzt werden kann (siehe auch EP 2312223 A2 ). Die solare Wärme wird vom Dach in einen zentralen Solarpufferspeicher geführt, der nicht konventionell nachgeheizt wird. Über eine Verteilleitung wird die solare Wärme an die Kombithermen in die Wohnungen geführt, dort nacherwärmt und genutzt. Die in den Verteilleitungen auftretenden Wärmeverluste verringern somit nur den solaren Eintrag, müssen aber nicht durch die Verbrennung von Erdgas gedeckt werden. Da die Warmwasserbereitung im Durchlauf ohne Speicherung erzeugt wird, müssen die Kombithermen so groß dimensioniert werden, dass eine alleinige Warmwasserbereitung aus Erdgas möglich ist. Neben solarer Wärme ist die Therme auch für die Versorgung mit anderen regenerativen Energieträgern geeignet. Als Wärmequelle kommt dabei beispielsweise eine zentrale Biomasseverbrennung infrage. Eine Nutzung von Umweltwärme, zum Beispiel aus Erdwärmesonden, zur Erwärmung von Trinkwarmwasser ist aufgrund des ähnlichen Temperaturniveaus jedoch nicht sinnvoll.
In SE 518788 C2 ist ein Wärmeversorgungssystem bestehend aus thermischer Solaranlage und erdgekoppelter Wärmepumpe dargestellt, bei dem die Salarwärme entweder auf der Quellenseite oder der Senkenseite der Wärmepumpe eingespeist wird. Quellenseitig wird die Temperatur des von der Erdwärmesonde kommenden Vorlaufs angehoben. Senkenseitig wird mittels Wärmeübertrager die Warmwasserbereitung und die Raumheizung durch eine Anhebung der Rücklauftemperatur unterstützt. Bei diesem System handelt es sich jedoch nicht um eine Versorgung von Mehrfamilienhäusern mit dezentraler Wärmepumpen und gebäudeintegriertem Wärmequellennetz.
Ziel des erfindungsgemäßen Wärmeversorgungssystems nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist es, in einem gebäudeintegrierten Wärmenetz nur Umweltwärme, insbesondere Erdwärme, Abwärme und/oder Solarwärme zu verteilen und als Wärmequelle für dezentrale Wärmepumpen zu nutzen. Dadurch werden Verteilverluste von nichterneuerbarer Wärme vermieden, Betriebskosten gespart und die Umwelt geschützt.
Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung besteht daher in einem Wärmeversorgungssystem für Raumwärme (9) und Trinkwarmwasser (10) eines Gebäudes, insbesondere eines Mehrfamilienhauses, mit einem aus Vorlauf und Rücklauf bestehenden, gebäudeintegrierten Wärmeverteilnetz (2), dadurch gekennzeichnet, dass dezentrale Wärmepumpen (1) installiert sind und dass diese das Wärmeverteilnetz als Wärmequelle verwenden.
Die dezentralen Wärmepumpen (1) haben eine geringe Leistung, die je nach Bedarf der zu versorgenden Einheit anzupassen ist. Typische Werte bei Wohnungen liegen im Bereich bis 5 kW (thermisch). Zur Bereitstellung des TWW-Bedarfs werden daher dezentrale Trinkwarmwasserspeicher (typisch 80 bis 150 l, je nach Komfortanspruch) erforderlich, die als gemeinsame Einheit mit der Wärmepumpe ausgeführt werden können. Alternativ sind statt des Trinkwarmwasserspeichers auch ein Pufferspeicher mit Frischwasserstation oder ein Kombispeicher möglich.
Eine vorteilhafte Ausführung (Anspruch 2) sieht vor, dass an das Wärmeverteilnetz (2) mindestens ein Erdreichwärmeübertrager, insbesondere eine Erdwärmesonde (3), ein Erdkollektor, ein Energiepfahl, ein Erdkorb oder ein Grabenkollektor, und/oder mindestens ein Umgebungsluft-Wärmeübertrager und/oder mindestens ein Abluft-Wärmeübertrager angeschlossen ist. Das gebäudeinterne Wärmeverteilnetz (2) wird folglich auf einer Temperatur betrieben, die unterhalb der im Gebäude vorherrschenden Temperatur liegt. Daher treten keine Wärmeverluste auf. Zur Vermeidung von Kondensat sind diffusionsdichte Dämmungen zu verwenden.
Zur Erhöhung des regenerativen Anteils wird in einer vorteilhaften Ausführung an das Wärmeverteilnetz eine thermische Solaranlage (4) angeschlossen (Anspruch 3). Diese thermische Solaranlage (4) wird möglichst auf sommerliche Volldeckung ausgelegt und versorgt zu Zeiten hohen Sonnenstrahlungsangebots das Verteilnetz mit der durch die Sonnenkollektoren erreichbaren Temperatur, z. B. bis 70°C oder mehr, während im Winter die Erdreich-, Umgebungsluft- oder/und Abluft-Wärmequelle die Versorgung maßgeblich unterstützt.
Vorteilhafterweise wird das Wärmeverteilnetz (2) mit Wasser oder einer Flüssigkeit, deren Gefrierpunkt unter 0°C liegt, durchflossen (Anspruch 4).
Dabei sind folgende Varianten denkbar:

• Das Wärmverteilnetz wird mit Wasser betrieben, ohne zentralen Pufferspeicher (vgl. 1). Der Solarkreis muss mit einem solartauglichen Frostschutzmittel betrieben werden. Die Solarwärme wird über einen Wärmeübertrager an das Netz übergeben. Die Umweltwärmequelle kann ebenfalls über einen Wärmeübertrager angeschlossen werden. Im Fall einer Erdwärmequelle, z. B. einer Erdwärmesonde bzw. eines Sondenfelds, kann, wenn das Erdreich solar regeneriert wird, ggf. auch auf den Wärmeübertrager verzichtet werden und ein direkter Betrieb mit Wasser möglich sein, wenn die Sauerstoffdiffusion im Erdsondenfeld vermieden werden kann. Das Netz kann ohne Wärmeübertrager direkt die Raumheiz-Verteilanlage (9) und den TWW-Speicher (z. B. über einen internen Wärmeübertrager) beliefern. Alternativ kann ein Pufferspeicher mit angeschlossener Frischwasserstation direkt beladen werden.
• Das Wärmeverteilnetz wird mit Wasser betrieben, mit zentralem Pufferspeicher (vgl. 2). Der zentrale Pufferspeicher (14) speichert Solarwärme zwischen, wenn das Wärmeverteilnetz (2) sie nicht mehr aufnehmen kann. Er kann im Winter auch als Umweltwärmepuffer betrieben werden, um Entnahmespitzen auf der Quellenseite zu vermeiden. Wenn die Außenluft als Quelle herangezogen wird, kann der Tagesgang der Lufttemperatur genutzt werden. Der Quellenkreis benötigt dann aber einen Betrieb mit Frostschutzmittel. Der Solarkreis kann die Umweltwärmequelle regenerieren, falls diese wie im Fall von Erdreich eine Speicherwirkung aufweist. Die Regeneration kann dann erfolgen, wenn z. B. im Sommer ein Angebotsüberschuss vorliegt. Auf diese Weise kann auch die Stagnationsproblematik im Solarkreis verringert werden. Im Winter kann der Solarkreis die Umweltquelle unterstützen, wobei der Kollektor vorteilhaft auf sehr niedrigem Temperaturniveau betrieben wird.
• Das Netz wird mit Wasser-Frostschutzmittelgemisch betrieben, ohne zentralen Pufferspeicher. In einer vorteilhaften Ausführung mit thermischer Solaranlage wird das Wärmeverteilnetz (2) mit dem Wärmeträgermedium der Solarkollektoren betrieben (Anspruch 5). Dies vermeidet Wärmeübertrager und Temperaturverlust. Gleichzeitig ist gewährleistet, dass das Wärmeträgermedium die in den Solarkollektoren auftretenden Temperaturen aushält. Die Übergabe an das dezentrale oder wohnungsweise Raumheiznetz und den Nachheizkreislauf kann dann über jeweils einen in den Wohnungen platzierten Wärmeübertrager erfolgen.

Für die Durchströmung des Wärmeverteilnetzes ist entweder eine zentrale Umwälzpumpe (5) oder jeweils eine dezentrale Umwälzpumpe (13) in den Vor- oder Rücklaufleitungen zu den dezentralen Wärmepumpen (1) angeordnet (Anspruch 6).
Zur Pufferung von Spitzenleistungen ist es vorteilhaft, wenn zwischen den Solarkollektoren (4) und dem Erdreichwärmeübertrager (3) oder dem Umgebungsluftwärmeübertrager oder dem Abluft-Wärmeübertrager einerseits und dem Wärmeverteilnetz (2) andererseits ein Pufferspeicher (14) angeordnet ist (Anspruch 7).
Vorteilhafterweise ist die Solaranlage so angebunden, dass sie je nach aktuell vorliegender thermischer Leistung

– in die zu den Verdampfern führende Vorlaufleitung des Wärmeverteilnetzes oder
– in die zum Erdreich oder zum Pufferspeicher führende Rücklaufleitung des Wärmeverteilnetzes

Die Netztemperatur wird im Jahresverlauf deutliche Unterschiede aufweisen: Im Sommer können Vorlauftemperaturen von über 70°C erreicht werden, im Winter liegen die Temperaturen etwa bei 5 bis 10°C.
Zur Vermeidung von zu hohen Eintrittstemperaturen in den Verdampfer der Wärmepumpen, wird vor jedem Verdampfer ein Mischventil (6) angeordnet, so dass der Verdampferaustritt dem Verdampfereintritt in geeigneter Weise zugemischt wird (Anspruch 9).
Weiterhin ist in einer vorteilhaften Ausführung eine Vorrichtung, insbesondere ein Bypass (7), vorgesehen, mit der Wärme direkt vom Wärmeverteilnetz auf der Senkenseite der Wärmepumpe bereit gestellt werden kann (Anspruch 10). Wenn das Wärmeverteilnetz mit Wasser betrieben wird, kann der Bypass (7) direkt in den Kreislauf auf der Senkenseite einspeisen, sonst ist ein zwischengeschalteter Wärmeübertrager erforderlich. Das heißt, wenn die Temperatur des Netzes ausreicht, die Versorgung sicher zu stellen, also ein ausreichendes Sonnenwärmeangebot vorliegt, wird die Wärmepumpe umgangen und die Wärme direkt in die dezentrale Heizungsanlage bzw. den TWW-Speicher oder Pufferspeicher eingespeist. Reicht das Temperaturniveau nicht aus, wird die Wärmepumpe das Wärmeverteilnetz als Wärmequelle nutzen und die Wärme auf ein ausreichendes Temperaturniveau anheben. Ggf. wird auch auf der Senkenseite ein entsprechendes Mischventil erforderlich, um die Bedarfstemperatur für Raumheizung und Trinkwarmwasserbereitung zu erreichen.
Sinnvollerweise ist die gesamte Hydraulik in einer Wohnungsstation (8) integriert, die die quellentemperatur- und bedarfsorientierte Umschaltung und ggf. Mischung von Volumenströmen vornimmt.
Die 1 und 2 zeigen beispielhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Wärmversorgungssystems.
1 zeigt eine Ausführung der Erfindung mit Einbindung von Sonnenwärme und einem Wärmeverteilnetz (2), das mit dem Wärmeträgermedium Wasser betrieben wird. Die Solarkollektoren (4) und die Erdwärmesonden (3) sind mit dem zentralen Vor- und Rücklaufwärmeverteiler (15) verbunden. Der Vorlaufwärmeverteiler mit dem höheren Temperaturniveau liefert seine Wärme in den Verteilkreis oder in die Verteilkreise (hier dargestellt ist ein vertikaler Verteilkreis, an den pro Gebäudegeschoss jeweils ein Wohnungskreis angeschlossen ist).
Am Eintritt in die Wohnung wird entschieden, ob das Temperaturniveau ausreicht, um den (jeweils aktuellen) Bedarf zu decken. Bei ausreichendem Temperaturniveau sind die beiden Drei-Wege-Umschaltventile (11, 12) gemeinsam auf Durchgang geschaltet, anderenfalls sind beide gemeinsam in den Abzweig zur Wärmepumpe geschaltet. Vor dem Eintritt in die Wärmepumpe sorgt ein Mischventil (6) dafür, dass die Quellentemperatur zwar möglichst hoch ist, aber nicht den zulässigen Maximalwert überschreitet. Die Nutzwärme kann, je nach Stellung des nachgeschalteten Drei-Wege-Umschaltventils (16) entweder die Raumheizung (9) oder den Speicher für Warmwasser (10) beliefern.
Das Wärmeverteilnetz (2) wird mit Wasser betrieben, während der Solarkreis mit einem Wasser-Frostschutzmittelgemisch arbeitet. In der dargestellten Lösung wird der Erdsondenkreislauf ebenfalls mit Wasser betrieben. Das verlangt eine sorgfältige Auslegung und Regeneration der Erdsonde. Letztere ist mit der vorgestellten Schaltung ebenfalls möglich, wenn z. B. im Sommer Wärme aus dem Rücklaufverteiler in die Sonde eingespeist wird.
Möglich sind auch Lösungen, bei denen der Verteilkreis mit Glykol betrieben wird. Dann erfolgt die Systemtrennung in den Wohnungsstationen, entweder an der Wärmepumpe oder bei Direktbetrieb an einem dezentralen Wärmeübertrager. Grundsätzlich möglich, aufgrund der Nachrüstproblematik und der höheren Kosten für den Wärmeträger jedoch oft schwieriger realisierbar, ist auch der Betrieb des Heizkreislaufs mit Glykol, so dass im System nur die TWW-Bereitung über einen Wärmeübertrager erfolgen muss.
Anstelle von Vor- und Rücklaufverteiler kann ein zentraler Pufferspeicher (14) integriert werden (2), der als Solar- und Quellenspeicher dient und gleichzeitig die Funktion einer hydraulischen Weiche übernimmt. Das Volumen kann geringer dimensioniert werden als üblicherweise in solaren Heizungssystemen. Dies kann anlagentechnische Vorteile bieten (Hydraulik, Effizienz), erhöht aber den apparativen Aufwand. In der 2 wird auf die Darstellung der Komponenten der Wohnungsstationen (8) verzichtet. Diese sind in 1 enthalten.
Bezugszeichenliste

1: Dezentrale Wärmepumpen
2: Wärmeverteilnetz
3: Erdwärmesonde
4: Solarkollektor
5: Zentrale Umwälzpumpe
6: Mischventil
7: Bypass
8: Wohnungsstation
9: Heizungskreislauf
10: Trinkwarmwasser
11: Umschaltventil für Bypass
12: Umschaltventil für Bypass
13: Dezentrale Umwälzpumpen
14: Pufferspeicher
15: Vorlauf- und Rücklaufverteiler
16: Umschaltventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007049621 A1 [0002]
DE 3132562 A1 [0003]
EP 0647818 B1 [0007]
EP 2312223 A2 [0008]
SE 518788 C2 [0009]

Claims

Wärmeversorgungssystem für Raumwärme und Trinkwarmwasser eines Gebäudes, insbesondere eines Mehrfamilienhauses, mit einem aus einem aus Vorlauf und Rücklauf bestehenden, gebäudeintegrierten Wärmeverteilnetz (2), dadurch gekennzeichnet, dass in zu versorgenden Teilbereichen des Gebäudes, vorzugsweise Wohnungen, dezentrale Wärmepumpen (1) installiert sind, und dass diese das Wärmeverteilnetz (2) als Wärmequelle verwenden.
Wärmeversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an das Wärmeverteilnetz (2) mindestens ein Erdreichwärmeübertrager, insbesondere eine Erdwärmesonde (3), ein Erdkollektor, ein Energiepfahl, ein Erdkorb oder ein Grabenkollektor und/oder mindestens ein Umgebungsluftwärmeübertrager und/oder mindestens ein Abluft-Wärmeübertrager angeschlossen ist.
Wärmeversorgungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an das Wärmeverteilnetz (2) mindestens ein thermischer Solarkollektor (4) angeschlossen ist.
Wärmeversorgungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeverteilnetz (2) mit Wasser oder einer Flüssigkeit, dessen Gefrierpunkt unter 0°C liegt, durchflossen wird.
Wärmeversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeverteilnetz (2) mit dem Wärmeträgermedium der Solarkollektoren (4) betrieben wird.
Wärmeversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmeverteilnetz (2) entweder eine zentrale Umwälzpumpe (5) oder jeweils eine dezentrale Umwälzpumpe (13) in den Vor- oder Rücklaufleitungen zu den dezentralen Wärmepumpen (1) angeordnet ist.
Wärmeversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Solarkollektoren (4) und dem Erdreichwärmeübertrager (3) oder dem Umgebungsluftwärmeübertrager oder dem Abluft-Wärmeübertrager einerseits und dem Wärmeverteilnetz (2) andererseits ein Pufferspeicher (14) angeordnet ist.
Wärmeversorgungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solaranlage je nach thermischer Leistung – in die zu den Verdampfern führende Vorlaufleitung des Wärmeverteilnetzes oder – in die zum Erdreich oder zum Pufferspeicher führende Rücklaufleitung des Wärmeverteilnetzes einspeist oder Wärme mit einem Wärmeübertrager an die jeweilige Leitung überträgt.
Wärmeversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verdampfer ein Mischventil (6) angeordnet ist, das den Verdampferaustritt dem Verdampfereintritt in geeigneter Weise zumischt, um eine zu hohe Eintrittstemperatur in den Verdampfer zu verhindern.
Wärmeversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung, insbesondere ein Bypass (7), vorgesehen ist, mit der Wärme direkt vom Wärmeverteilnetz auf der Senkenseite der Wärmepumpe bereit gestellt werden kann.