DE202023107614U1

DE202023107614U1 - Heiz- und Kühlsystem

Info

Publication number: DE202023107614U1
Application number: DE202023107614.9U
Authority: DE
Original assignee: Kohl Medical Ag
Current assignee: Kohl Medical Ag
Priority date: 2023-12-21
Filing date: 2023-12-21
Publication date: 2024-02-21
Anticipated expiration: 2033-12-22

Abstract

Heiz- und Kühlsystem, das dazu konfiguriert ist, ein Gebäude zu heizen und/oder zu kühlen, wobei das System umfasst:
eine Wärmepumpe (WP), die dazu konfiguriert ist, dem Gebäude Wärmeenergie bereitzustellen,
einen Erdwärmekollektor (EWK), der dazu konfiguriert ist, Wärmeenergie abzugeben, und der dazu konfiguriert ist, Wärmeenergie aufzunehmen,
einen thermischen Solarkollektor (TSK), der dazu konfiguriert ist, Wärmeenergie abzugeben,
ein Zweiverbindungssystem, das ein erstes Fluid in einer ersten Fluidverbindung (FV1) und ein zweites Fluid in einer zweiten Fluidverbindung (FV2) enthält,
wobei die erste Fluidverbindung (FV1) mit dem thermischen Solarkollektor (TSK) und dem Erdwärmekollektor (EWK) verbunden ist und das erste Fluid den thermischen Solarkollektor (TSK) mit dem Erdwärmekollektor (EWK) thermisch verbindet,
wobei die zweite Fluidverbindung (FV2) mit dem Erdwärmekollektor (EWK) und der Wärmepumpe (WP) verbunden ist und das zweite Fluid den Erdwärmekollektor (EWK) mit der Wärmepumpe (WP) thermisch verbindet,
wobei das Heiz- und Kühlsystem dazu konfiguriert ist, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor (TSK) an den Erdwärmekollektor (EWK) zu übertragen und Wärmeenergie an die Wärmepumpe (WP) zu übertragen,
wobei das Heiz- und Kühlsystem dazu konfiguriert ist, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor (TSK) an den Erdwärmekollektor (EWK) zu übertragen und Wärmeenergie von dem Gebäude an den Erdwärmekollektor (EWK) zu übertragen.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Heiz- und Kühlsystem. Das System der vorliegenden Offenbarung ist für das effiziente und nachhaltige Heizen und Kühlen von Gebäuden geeignet.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Alte Gebäude, die nicht hinreichend gut isoliert/gedämmt sind, benötigen eine Heizungsvorlauftemperatur von üblicherweise 60°C und mehr. Wärmepumpen modernerer Bauart können diesen Vorlauf erreichen, benötigen jedoch eine ergiebige Wärmequelle. Bei Luft-Wasser Wärmepumpen sind diese ergiebigen Temperaturverhältnisse in der Heizperiode an kalten Tagen nicht gegeben, so dass eine Wärmepumpe möglicherweise nicht mehr oder nicht mehr wirtschaftlich betrieben werden kann.
Bei Wasser-Wasserwärmepumpen benötigt man ebenso eine ausreichende Wärmequelle, die jedoch im Laufe der Heizperiode üblicherweise immer weniger ergiebiger ist und schließlich auch zu Temperaturen im Temperaturbereich von 0°C oder weniger kommt, so dass der Betrieb einer Wärmepumpe möglicherweise nicht wirtschaftlich ist.
Weiterhin ist im Zuge des Klimawandels ein spürbarer Anschnitt der Durchschnittstemperaturen zu beobachten, und Hitzewellen treten vermehrt und intensiver auf. Dadurch steigt der Strombedarf und der Bedarf an emissionsfreien Kühlsystemen für Gebäude enorm.
Hüsing und Mercker offenbaren im Aufsatz „Energieversorgung im Einfamilienhaus mittels Wärmepumpe, horizontalen Erdwärmekollektoren und photovoltaisch-thermischen Solarkollektoren“ ein Energieversorgungssystem im Einfamilienhaus, bestehend aus Wärmepumpe, horizontalen Erdwärmekollektor und unabgedeckten photovoltaisch-thermischen Solarkollektoren.
DE 10 2022 116 248 B3 offenbart ein System, das eine Wärmepumpe, einen Erdwärmekollektor, einen thermischen Solarkollektor, und ein Zweiverbindungssystem umfasst.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist durch die unabhängigen Ansprüche definiert. Abhängige Ansprüche beschreiben Ausführungsformen der Erfindung.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Heiz- und Kühlsystem dazu konfiguriert, ein Gebäude zu heizen und/oder zu kühlen. Das System umfasst eine Wärmepumpe, die dazu konfiguriert ist, dem Gebäude Wärmeenergie bereitzustellen. Das System umfasst ferner einen Erdwärmekollektor, der dazu konfiguriert ist, Wärmeenergie bereitzustellen/abzugeben, und der dazu konfiguriert ist, Wärmeenergie aufzunehmen. Das System umfasst ferner einen thermischen Solarkollektor, der dazu konfiguriert ist, Wärmeenergie bereitzustellen/abzugeben. Das System umfasst ferner ein Zweiverbindungssystem, das ein erstes Fluid in einer ersten Fluidverbindung und ein zweites Fluid in einer zweiten Fluidverbindung enthält. Die erste Fluidverbindung ist mit dem thermischen Solarkollektor und dem Erdwärmekollektor verbunden und das erste Fluid verbindet den thermischen Solarkollektor mit dem Erdwärmekollektor thermisch. Die zweite Fluidverbindung ist mit dem Erdwärmekollektor und der Wärmepumpe verbunden und das zweite Fluid verbindet den Erdwärmekollektor mit der Wärmepumpe thermisch. Das Heiz- und Kühlsystem ist dazu konfiguriert, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor, beispielsweise via das erste Fluid, an den Erdwärmekollektor zu übertragen und Wärmeenergie, beispielsweise via das zweite Fluid, an die Wärmepumpe, und beispielsweise weiter an ein thermisch aktiviertes Bauteil des Gebäudes, zu übertragen. Das Heiz- und Kühlsystem ist dazu konfiguriert, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor, beispielsweise via das erste Fluid, an den Erdwärmekollektor zu übertragen und Wärmeenergie von dem Gebäude, beispielsweise vom thermisch aktivierten Bauteil, beispielsweise via das zweite Fluid, an den Erdwärmekollektor zu übertragen.
Die vorliegende Offenbarung ermöglicht ein gleichzeitiges Übertragen von Wärmeenergie an den Erdwärmekollektor, während die Wärmepumpe betrieben wird und das Gebäude somit geheizt oder gekühlt (im Umkehrbetrieb der Wärmepumpe) wird. Die vorliegende Offenbarung ermöglicht ein gleichzeitiges Übertragen von Wärmeenergie an den Erdwärmekollektor, während das Gebäude mittels Wärmeübertragung an den Erdwärmekollektor gekühlt wird. Die vorliegende Offenbarung kann ein gleichzeitiges Betreiben der Wärmepumpe/Kühlen des Gebäudes und Aufladen und/oder Regenerieren des Erdwärmekollektors ermöglichen. Aufladen und/oder Regenerieren des Erdwärmekollektors kann ein derartiges Übertragen von Wärmeenergie an den Erdwärmekollektor bezeichnen, dass sich die im Erdwärmekollektor gespeicherte Energie erhöht, beispielsweise auch netto erhöht, auch unter Berücksichtigung dessen, dass ein gleichzeitiger Betrieb einer Wärmepumpe dem Erdwärmekollektor Wärmeenergie entziehen kann.
Die vorliegende Offenbarung ermöglicht ein Übertragen von Wärmeenergie an den Erdwärmekollektor, das unabhängig von dem Betrieb der Wärmepumpe und/oder einer Kühlung des Gebäudes erfolgen kann. Es kann beispielsweise mehr Wärmeenergie an den Erdwärmekollektor übertragen werden als bei Systemen, bei denen entweder nur die Wärmepumpe betrieben werden kann/nur Wärmeenergie vom Gebäude an den Erdwärmekollektor übertragen werden kann oder aber nur Wärmeenergie vom thermischen Solarkollektor an den Erdwärmekollektor übertragen werden kann, und es können beispielsweise höhere Temperaturen im Erdwärmekollektor erreicht werden. Der Erdwärmekollektor kann der Wärmepumpe als Wärmequelle zur Verfügung stehen. Höhere Temperaturen im Erdwärmekollektor und/oder eine Speicherung von mehr thermischer Energie im Erdwärmekollektor können dafür sorgen, dass eine Wärmepumpe auch bei tiefen Außentemperaturen, beispielsweise im Winter, genügend Heizleistung zur Verfügung stellen kann, was insbesondere bei älteren Gebäuden und/oder Gebäuden, die unter Denkmalschutz stehen, von erheblicher praktischer Bedeutung sein kann. Die vorliegende Offenbarung kann den Dämmungsbedarf eines Hauses verringern. Die vorliegende Offenbarung kann im Vergleich zu Systemen des Stands der Technik die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe verbessern. Durch die besseren/flexibleren/unabhängigeren Möglichkeiten zum Übertragen von Wärmeenergie an den Erdwärmekollektor wird, verglichen mit konventionellen Systemen, weniger Fläche für den Erdwärmekollektor benötigt. Dies ist insbesondere im städtischen und großstädtischen Gebieten von hoher praktischer Bedeutung, insbesondere angesichts der zunehmend kleiner werdenden Bebauungsgrundstücke. Ein geringerer Flächenbedarf für den Erdwärmekollektor ermöglicht weiterhin einen geringeren Materialeinsatz. Durch höhere Temperaturen im Erdwärmekollektor kann eine Vereisung des Erdbodens verhindert werden. Weiterhin kann die vorliegende Offenbarung eine effizientere Nutzung der Sonnenenergie und/oder der Strahlungsenergie, die auf ein entsprechendes System fällt, ermöglichen. Außerdem birgt die vorliegende Offenbarung den Vorteil, dass der Erdwärmekollektor des beschriebenen Systems während der gesamten Heizperiode, insbesondere auch zum Ende der Heizperiode und auch während sehr kalter Tage, als Wärmequelle für die Wärmepumpe zur Verfügung stehen kann. Die im Erdwärmekollektor gespeicherte Energie erlaubt, längere Dunkelflauten zu überbrücken. Die vorliegende Offenbarung erlaubt, die ca. 600 Sonnenstunden (>150W/m²), die während der Heizperiode üblicherweise vorhanden sind, via Solarthermie im Heizkreislauf zu verwerten und die nicht verwertete Energie im Erdwärmekollektor zu speichern, beispielsweise sobald ein Wärmespeicher seine Solltemperatur erreicht hat.
Die vorliegende Offenbarung kann eine größere Flexibilität zwischen dem Betrieb der Wärmepumpe/dem Kühlen eines Gebäudes und einer Regeneration des Erdwärmekollektors/einem Übertragen von Wärmeenergie an den Erdwärmekollektor ermöglichen. Die vorliegende Offenbarung kann, beispielsweise durch eine mögliche thermische Verbindung der Quellenseite der Wärmepumpe mit dem Erdwärmekollektor, eine konstante beziehungsweise schwach schwankende Fluidtemperatur in der Wärmepumpe/auf der Quellenseite der Wärmepumpe ermöglichen.
Weiterhin ermöglicht die vorliegende Offenbarung eine Verringerung des Stromverbrauchs im Sommer durch die Möglichkeit einer Gebäudekühlung. Übertragen von Wärmeenergie von dem Gebäude an den Erdwärmekollektor kann die Temperatur im Erdwärmekollektor steigern und somit zu einer Regeneration des Erdwärmekollektors beitragen.
Das Heiz- und Kühlsystem kann mitunter auch vereinfachend als „das System“ bezeichnet werden. Durch Übertragen von Wärmeenergie von dem Gebäude an den Erdwärmekollektor kann das Gebäude gekühlt werden.
Als Wärmepumpe wird beispielsweise eine Vorrichtung verstanden, die unter Aufwendung von technischer Arbeit Wärmeenergie aus einem Reservoir mit niedrigerer Temperatur aufnehmen und - zusammen mit der Antriebsenergie - als Nutzwärme auf ein zu wärmendes System mit höherer Temperatur übertragen kann.
Die Wärmepumpe kann eine Kühlfunktion haben, die durch einen Umkehrbetrieb erreicht werden kann (auch als aktive Kühlung bezeichnet). Die Wärmepumpe kann dazu konfiguriert sein, dem Gebäude Wärmeenergie zu entziehen.
Aufgabe der Wärmepumpe ist es, das Gebäude, beispielsweise ein thermisch aktiviertes Bauteil des Gebäudes wie eine Heiz-/Kühldecke, mit Niedertemperatur-Vorlaufwasser zu versorgen. Bei einem Neubau mit geeigneter Außenisolierung genügt üblicherweise eine Vorlauftemperatur von ca. 30 °C. Bei einem Bestandsbau ohne Außenisolierung ist üblicherweise eine 10 bis 15 °C höhere Vorlauftemperatur erforderlich.
Bei einer Vorlauftemperatur von 30°C kann eine Sole-Wasser bzw. eine Wasser-Wasser Wärmepumpe in Verbindung mit Heiz-Kühldecken, in einem System gemäß der vorliegenden Offenbarung, eine Jahresarbeitszahl (JAZ) von über 15 erreichen. Bei einem Bestandsbau und Vorlauftemperaturen zwischen 40-45 °C ist in einem System gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Jahresarbeitszahl von 6 bis 8 erreichbar. Bei einem historischen denkmalgeschützten Gebäude ohne Betonkernaktivierung kann eine Jahresarbeitszahl von 6 bis 7 erreicht werden, wenn der thermische Solarkollektor auf einem Solartracker montiert ist.
Als Erdwärmekollektor wird beispielsweise eine Vorrichtung verstanden, mittels derer thermische Energie in den Erdboden übertragen werden kann und/oder aus dem Erdboden heraus übertragen werden kann, also beispielsweise im Erdboden gespeichert werden kann. Bereiche eines Erdwärmekollektors befinden sich üblicherweise unterhalb der Erdoberfläche, d. h. unterhalb der Oberfläche des Erdbodens. Beispielsweise kann ein Erdwärmekollektor Fluidverbindungen enthalten, durch die ein Fluid strömt, das Wärmeenergie aus der Umgebung der Fluidverbindung aufnehmen und/oder abgeben kann. Bereiche der Fluidverbindung können beispielsweise unterhalb der Erdoberfläche angeordnet sein, und das Fluid kann beispielsweise Wärmeenergie aus dem Erdboden in der Umgebung der Fluidverbindung aufnehmen und/oder abgeben. Beispielsweise können die Fluidverbindungen zusammen mit dem umgebenden Erdboden den Erdwärmekollektor im Wesentlichen ausmachen. Der Erdwärmekollektor kann so dimensioniert sein, dass er in Verbindung mit dem System der vorliegenden Offenbarung während der gesamten Heizperiode, insbesondere auch zum Ende der Heizperiode und während sehr kalter Tage, als ausreichend ergiebige Wärmequelle für die Wärmepumpe zur Verfügung stehen kann.
Das Betreiben der Wärmepumpe kann das Bereitstellen von Wärmeenergie an die Wärmepumpe/das Übertragen von thermischer Energie an die Wärmepumpe, beispielsweise aus dem Erdwärmekollektor und/oder aus dem thermischen Solarkollektor, enthalten. Das Betreiben der Wärmepumpe kann das Bereitstellen von Wärmeenergie aus der Wärmepumpe/das Übertragen von thermischer Energie von der Wärmepumpe, beispielsweise an einen Wärmespeicher, enthalten. Das Betreiben der Wärmepumpe kann auch ein Kühlen des Gebäudes enthalten, also beispielsweise ein Übertragen von Wärmeenergie von dem Gebäude an den Erdwärmekollektor, beispielsweise im Umkehrbetrieb (aktive Kühlung).
Die Wärmepumpe kann eine Adsorptionswärmepumpe sein. Die Wärmepumpe kann eine Sole-Wasser Wärmepumpe sein. Die Wärmepumpe kann eine Wasser-Wasser Wärmepumpe sein.
Das System/das Gebäude kann eine Mehrzahl von Wärmepumpen enthalten.
Als thermischer Solarkollektor wird eine Vorrichtung verstanden, die elektromagnetische Strahlung in thermische Energie umwandeln kann und thermische Energie bereitstellen kann. Thermische Solaranlagen und Solarthermieanlagen sind Beispiele von Solarkollektoren. Der thermische Solarkollektor kann beispielsweise auf einem Dach des Gebäudes angeordnet sein, oder auf einer Freifläche, beispielsweise als nachgeführtes System im Gartenbereich. Der thermische Solarkollektor kann ein Röhrenkollektor und/oder ein Vakuumröhrenkollektor sein und/oder ein PVT-Kollektor sein. Der thermische Solarkollektor kann ein Flachkollektor sein. Üblicherweise haben Vakuumröhrenkollektoren einen geringen Wärmeverlust bei geringen Außentemperaturen und einen hohen Wirkungsgrad, auch bei tiefen Temperaturen. Daher können Röhrenkollektoren und/oder Vakuumröhrenkollektoren, insbesondere in Hinblick auf kalte Außentemperaturen, bevorzugt sein.
Ein Vakuumröhrenkollektor kann beispielsweise eine Fläche von ungefähr 10% der zu beheizenden Fläche des Gebäudes haben. Ein Flachkollektor kann beispielsweise eine Fläche von ungefähr 15% der zu beheizenden Fläche des Gebäudes haben.
Vakuum-Röhrenkollektoren können auch bei niedrigen Außentemperaturen von beispielsweise -10 °C bei einem wolkenfreiem Himmel Wasser auf bis zu 90°C heißes Wasser erhitzen.
Der thermische Solarkollektor kann ein thermischer Solarkollektor mit Solartracker/Nachführsystem sein. Dies ermöglicht einen höheren Wirkungsgrad, da der thermische Solarkollektor jederzeit optimal zur Sonne ausgerichtet sein kann. Dies kann insbesondere bei begrenzten Flächenverhältnissen vorteilhaft sein.
Eine Verbindung kann eine Leitung sein. Als Zweiverbindungssystem wird ein System verstanden, das mindestens zwei Verbindungen enthält. Ein Zweiverbindungssystem kann auch mehr als zwei Verbindungen enthalten, beispielsweise drei Verbindungen. Beispielsweise kann ein Zweikanalsystem und/oder ein Zweirohrsystem ein Zweiverbindungssystem sein. Ein Zweiverbindungssystem kann ein System sein, das zwei thermische Verbindungen enthält, und/oder drei oder mehr thermische Verbindungen enthält. Das Zweiverbindungssystem kann zwei Verbindungen enthalten, die jeweils Bereiche enthalten, die im Erdwärmekollektor angeordnet sind. Mit anderen Worten: Verbindungen des Zweiverbindungssystem können bereichsweise im Erdwärmekollektor angeordnet sein.
Eine thermische Verbindung kann beispielsweise eine Verbindung sein, die dazu geeignet ist, thermische Energie an Objekte zu übertragen, die an die thermische Verbindung thermisch angeschlossen sind/mit der thermischen Verbindung thermisch verbunden sind, und/oder von Objekten weg zu übertragen, die an die thermische Verbindung thermisch angeschlossen sind. Zwei Objekte, die an eine thermische Verbindung thermisch angeschlossen sind, sind thermisch miteinander verbunden. Eine Fluidverbindung, die dazu geeignet ist, ein Fluid zu enthalten, das thermische Energie aufnehmen und/oder abgeben kann und/oder beispielsweise mittels thermischer Konvektion thermische Energie von einem Ort an einen anderen Ort übertragen kann, kann eine thermische Verbindung sein. Eine thermische Verbindung kann eine thermische Kopplung sein.
Der Begriff Fluid umfasst beispielsweise Gase und Flüssigkeiten. Das erste Fluid und das zweite Fluid können gleiche Materialien und/oder unterschiedliche Materialien enthalten. Das erste und/oder das zweite Fluid können beispielsweise Frostschutzmittel und/oder Wasser enthalten.
Eine Fluidverbindung kann eine Verbindung sein, die dazu geeignet ist, ein Fluid zu enthalten. Beispielsweise kann eine Rohrverbindung und/oder ein Rohr eine Fluidverbindung sein. Beispielsweise kann ein Kanal eine Fluidverbindung sein. Eine Fluidverbindung kann geschlossen sein, d. h. beispielsweise dazu geeignet sein, ein Fluid räumlich zu umschließen. Eine Fluidverbindung kann beispielsweise Ventile, Armaturen, Muffen, Schieber, Absperrorgane, Pumpen, Reduzierungen, Erweiterungen, Kondensatoren, Verdampfer, Drosseln, Verdichter, und ähnliches enthalten. Eine Fluidverbindung kann dazu geeignet sein, ein Fluid zirkulieren und/oder wiederholt durch einen Fluidverbindungskreislauf fließen zu lassen. Eine thermische Verbindung kann eine Fluidverbindung sein. Eine Fluidverbindung kann eine thermische Verbindung sein.
Dass ein Fluid zwei Objekte thermisch miteinander verbindet, kann heißen, dass das Fluid durch zwei Wärmetauscher strömt, die jeweils an den jeweiligen Objekten befestigt sind, beispielsweise direkt daran befestigt sind. Dass ein Fluid zwei Objekte thermisch miteinander verbindet, kann heißen, dass die thermische Verbindung zwischen den zwei Objekten vorwiegend oder gänzlich über das Fluid hergestellt ist, d.h., dass beispielsweise kein anderes Fluid und keine weiteren Wärmetauscher hierin involviert sind, und/oder dass thermische Pfade über andere Fluide und andere Wärmetauscher gegenüber dem Fluid vernachlässigt werden können.
Die erste Fluidverbindung kann den thermischen Solarkollektor und den Erdwärmekollektor thermisch miteinander verbinden. Die erste Fluidverbindung kann eine thermische Verbindung zwischen dem thermischen Solarkollektor und dem Erdwärmekollektor sein. Das erste Fluid kann den thermischen Solarkollektor mit dem Erdwärmekollektor thermisch mittels thermischer Konvektion und/oder mittels Fluidfluss verbinden.
Die zweite Fluidverbindung kann den Erdwärmekollektor und die Wärmepumpe thermisch miteinander verbinden. Die zweite Fluidverbindung kann eine thermische Verbindung zwischen dem Erdwärmekollektor und der Wärmepumpe sein. Das zweite Fluid kann den Erdwärmekollektor und die Wärmepumpe thermisch mittels thermischer Konvektion und/oder mittels Fluidfluss verbinden.
Die erste Fluidverbindung kann beispielsweise ausschließlich zum Heizen des Erdwärmekollektors/zum Übertragen von Wärmeenergie an den Erdwärmekollektor verwendet werden. Die zweite Fluidverbindung kann beispielsweise zum Herausziehen von Wärme aus dem Erdwärmekollektor und Übertragen an das Gebäude, und zum Herausziehen von Wärme aus dem Gebäude und Übertragen an den Erdwärmekollektor verwendet werden. Die erste Fluidverbindung und die zweite Fluidverbindung können beispielsweise jeweils sowohl zum Heizen des Erdwärmekollektors verwendet werden als auch zum Herausziehen von Wärme aus dem Erdwärmekollektor.
Das System kann dazu konfiguriert sein, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor an den Erdwärmekollektor mittels eines Fluids, beispielsweise mittels des ersten Fluids, und/oder mittels einer Fluidverbindung, beispielsweise mittels der ersten Fluidverbindung, zu übertragen, und Wärmeenergie von dem Erdwärmekollektor an die Wärmepumpe mittels eines Fluids, beispielsweise mittels des zweiten Fluids, und/oder mittels einer Fluidverbindung, beispielsweise mittels der zweiten Fluidverbindung, zu übertragen und/oder bereitzustellen. Das System kann dazu konfiguriert sein, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor an den Erdwärmekollektor mittels eines Fluids, beispielsweise mittels des ersten Fluids, und/oder mittels einer Fluidverbindung, beispielsweise mittels der ersten Fluidverbindung, zu übertragen, und Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor an die Wärmepumpe mittels eines Fluids, beispielsweise mittels des zweiten Fluids, und/oder mittels einer Fluidverbindung, beispielsweise mittels der zweiten Fluidverbindung, zu übertragen und/oder bereitzustellen.
Das System kann dazu konfiguriert sein, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor an den Erdwärmekollektor mittels eines Fluids, beispielsweise mittels des ersten Fluids, und/oder mittels einer Fluidverbindung, beispielsweise mittels der ersten Fluidverbindung, zu übertragen und Wärmeenergie von dem Erdwärmekollektor und/oder dem thermischen Solarkollektor an die Wärmepumpe mittels eines Fluids und/oder mittels einer Fluidverbindung, beispielsweise mittels des zweiten Fluids und/oder mittels der zweiten Fluidverbindung zu übertragen und/oder bereitzustellen.
Das System kann dazu konfiguriert sein, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor an den Erdwärmekollektor mittels eines Fluids, beispielsweise mittels des ersten Fluids, und/oder mittels einer Fluidverbindung, beispielsweise mittels der ersten Fluidverbindung zu übertragen, und Wärmeenergie von dem Gebäude an den Erdwärmekollektor mittels eines Fluids, beispielsweise mittels des zweiten Fluids, und/oder mittels einer Fluidverbindung, beispielsweise mittels der zweiten Fluidverbindung, zu übertragen und/oder bereitzustellen.
Mittles/via eine Fluidverbindung kann die gleiche Bedeutung haben, falls nicht anderweitig angegeben und falls nicht anderweitig widersprüchlich.
Das System kann ein thermisch aktiviertes Bauteil umfassen. Das System kann dazu konfiguriert sein, Wärmeenergie, beispielsweise fluidisch/über eine Fluidverbindung, beispielsweise über die zweite Fluidverbindung, an das thermisch aktivierte Bauteil zu übertragen, beispielsweise von der Wärmepumpe und/oder von einem Wärmespeicher des Systems und/oder vom thermischen Solarkollektor. Das System kann dazu konfiguriert sein, beispielsweise fluidisch/über eine Fluidverbindung, beispielsweise via die zweite Fluidverbindung, Wärmeenergie von dem thermisch aktivierten Bauteil zu entnehmen, und beispielsweise an den Erdwärmekollektor zu übertragen.
Das Gebäude kann mittels des thermisch aktivierten Bauteils gekühlt und/oder geheizt werden.
Das thermisch aktivierte Bauteil kann ein Bauteil des Gebäudes sein/kann im Gebäude enthalten sein.
Das thermisch aktivierte Bauteil kann eine Kühl/Heizdecke sein. Dies ermöglicht vorteilhafterweise einen Verzicht auf Fußbodenheizung und Radiatoren.
Das thermisch aktivierte Bauteil kann eine Betonkernaktivierung enthalten. Eine Betonkernaktivierung ermöglicht es, Betonkernaktivierung Wärmeenergie aus diffuser Sonneneinstrahlung zu speichern, beispielsweise in einem Temperaturbereich von ca. 20°C. Ferner ermöglicht eine Betonkernaktivierung, überschüssige Energie während der Heizperiode zu speichern.
Das thermisch aktivierte Bauteil kann eine Fußbodenheizung enthalten.
Das System/das Gebäude kann auch eine Mehrzahl von thermisch aktivierten Bauteilen enthalten, beispielsweise eine/mehrere Kühl-/Heizdecken und eines/mehrere Bauteile mit Betonkernaktivierung. Merkmale, die in Bezug auf ein thermisch aktiviertes Bauteil offenbart sind, insbesondere in Bezug auf thermische Verbindungen des thermisch aktivierten Bauteils, gelten analog auch für die anderen der Mehrzahl von thermisch aktivierten Bauteilen, falls nicht anders angegeben oder anderweitig widersprüchlich.
Das System/das Gebäude kann auch konventionelle Heizkörper/Radiatoren enthalten, beispielsweise zusätzlich/ergänzend zum thermisch aktivierten Bauteil.
Das System kann dazu konfiguriert sein, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor an den Erdwärmekollektor zu übertragen und Wärmeenergie an das thermisch aktivierte Bauteil zu übertragen, beispielsweise von der Wärmepumpe und/oder von einem Wärmespeicher des System. Das System kann dazu konfiguriert sein, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor an den Erdwärmekollektor zu übertragen und Wärmeenergie von dem thermisch aktivierten Bauteil zu entnehmen.
Das System kann dazu konfiguriert sein, Wärmeenergie von dem Gebäude und/oder von dem thermisch aktivierten Bauteil an den Erdwärmekollektor zu übertragen/dem Gebäude Wärmeenergie zu entziehen, ohne dass die Wärmepumpe in Betrieb ist.
Ein Betrieb der Wärmepumpe kann sich auf einen aktiven Betrieb der Wärmepumpe beziehen. Das System kann dazu konfiguriert sein, Wärmeenergie von dem Gebäude/dem thermisch aktivierten Bauteil zu entziehen und an den Erdwärmekollektor zu übertragen, indem ein Fluid (beispielsweise das zweite Fluid) zirkuliert wird, aber beispielweise ohne, dass die Wärmepumpe ein Fluid komprimiert, also bspw. ohne einen Umkehrbetrieb der Wärmepumpe. Eine Kühlung ohne (aktiven) Betrieb der Wärmepumpe kann auch als passive Kühlung bezeichnet werden.
Das System kann weiterhin einen Wärmespeicher umfassen. Der Wärmespeicher kann mit der Senkenseite der Wärmepumpe thermisch verbunden sein. Der thermische Solarkollektor kann mit dem Wärmespeicher thermisch verbunden sein. Das System kann dazu konfiguriert sein, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor an den Erdwärmekollektor und an den Wärmespeicher (beispielsweise via die Wärmepumpe) zu übertragen, und beispielweise weiterhin gleichzeitig Wärmeenergie von dem Gebäude an den Erdwärmekollektor zu übertragen.
Der Wärmespeicher kann Wärmeenergie speichern. Der Wärmespeicher kann beispielsweise einen Wassertank und/oder einen Fluidtank enthalten, beispielsweise einen isolierten Wassertank/isolierten Fluidtank. Die Wärmepumpe kann beispielsweise dem Wärmespeicher thermische Energie bereitstellen und/oder thermische Energie an den Wärmespeicher übertragen. Mit anderen Worten: Der Wärmespeicher kann beispielsweise durch die Wärmepumpe beheizt werden.
Der Wärmespeicher kann beispielsweise die Bereitung von Trinkwarmwasser über eine Frischwasserstation ermöglichen und/oder kann beispielsweise eine Raumheizung eines Gebäudes versorgen.
Der Wärmespeicher kann ein Pufferspeicher sein. Der Wärmespeicher kann zur Zwischenspeicherung von Wärme dienen. Der Wärmespeicher kann derart dimensioniert/ausgelegt/konstruiert sein, dass Wärme für eine bestimmte Anzahl von Tagen vorgehalten werden kann. Beispielsweise kann der Wärmespeicher ein Speichervolumen von ungefähr 1m³ je 40m² zu heizender Gebäudefläche haben. Beispielsweise kann das Aufheizen des Wärmespeichers an einem strahlungsreichen Tag dem Wärmespeicher Wärmeenergie für vier strahlungsarme Tage bereitstellen.
Der Wärmespeicher kann ein Latenzwärmespeicher sein, beispielsweise ein PCM-Speicher.
Der Wärmespeicher kann eine Solltemperatur haben. Beispielsweise abhängig von der Temperatur des Wärmespeichers können verschiedene Betriebsmodi gewählt werden, beispielsweise mittels einer Steuervorrichtung, die weiter unten erläutert werden. Beispielsweise kann, wenn die Solltemperatur des Wärmespeichers unterschritten wird, Wärmeenergie vom thermischen Solarkollektor an den Wärmespeicher übertragen werden und gleichzeitig kann Wärmeenergie vom thermischen Solarkollektor an den Erdwärmekollektor übertragen werden. Das Übertragen von thermischer Energie von dem thermischen Solarkollektor an den Wärmespeicher kann Priorität haben. Beispielsweise kann die Wärmeenergie von der Wärmepumpe an den Wärmespeicher übertragen werden, wenn der thermische Solarkollektor allein dem Wärmespeicher nicht ausreichend genug Wärmeenergie bereitstellen kann, und optional kann parallel hierzu weiterhin Wärmeenergie vom thermischen Solarkollektor an den Wärmespeicher übertragen werden. Der Wärmespeicher ist nicht mit dem Erdwärmekollektor identisch, sondern ist vom Erdwärmekollektor unterschiedlich.
Der Wärmespeicher kann beispielsweise über ein Fluid in einem Fluidkreislauf und mit zwei weiteren Wärmetauschern thermisch mit der Senkenseite der Wärmepumpe verbunden sein.
Das System kann dazu konfiguriert sein, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor an den Erdwärmekollektor und an die Wärmepumpe zu übertragen, und beispielweise weiterhin gleichzeitig Wärmeenergie von dem Gebäude an den Erdwärmekollektor zu übertragen. Das System kann dazu konfiguriert sein, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor an den Erdwärmekollektor und an den Wärmespeicher und/oder an die Wärmepumpe zu übertragen, und beispielweise weiterhin gleichzeitig Wärmeenergie von dem Gebäude an den Erdwärmekollektor zu übertragen.
Ein Fluid kann den thermischen Solarkollektor mit dem Wärmespeicher thermisch verbinden.
Der thermische Solarkollektor kann mit dem Wärmespeicher mittels eines Fluids/fluidisch thermisch verbunden sein.
Die zweite Fluidverbindung kann weiterhin mit dem thermischen Solarkollektor und dem Wärmespeicher verbunden sein und das zweite Fluid kann den thermischen Solarkollektor mit dem Wärmespeicher thermisch verbinden und/oder das Zweiverbindungssystem kann weiterhin ein drittes Fluid in einer dritten Fluidverbindung enthalten und die dritte Fluidverbindung kann mit dem thermischen Solarkollektor und dem Wärmespeicher verbunden sein und das dritte Fluid kann den thermischen Solarkollektor mit dem Wärmespeicher thermisch verbinden.
Das zweite Fluid kann den thermischen Solarkollektor mit dem Wärmespeicher thermisch derart verbinden, dass es durch zwei Wärmetauscher strömt, die jeweils an Wärmespeicher und am thermischen Solarkollektor befestigt sind, beispielsweise direkt daran befestigt sind.
Das dritte Fluid kann ein anderes Fluid sein als das erste Fluid und/oder das zweite Fluid. Beispielsweise kann das erste Fluid für mittlere Temperaturen passend gewählt sein, das zweite Fluid kann für niedrigere Temperaturen passend gewählt sein, und das dritte Fluid kann für hohe Temperaturen passend gewählt sein. Unterschiedliche erste, zweite und optional dritte Fluide können eine höhere Effizienz des Systems ermöglichen.
Das System kann weiterhin eine Steuerungsvorrichtung/Systemsteuerung umfassen, die dazu konfiguriert sein kann, das System zu steuern, beispielsweise insbesondere individuelle Flüsse von Wärmeenergie, die fluidisch übertragen werden. Die Steuerungsvorrichtung kann dazu konfiguriert sein, eine Menge von Wärmeenergie, die von dem thermischen Solarkollektor, beispielsweise via das erste Fluid, an den Erdwärmekollektor übertragen wird, und eine Menge von Wärmeenergie, die beispielsweise gleichzeitig, beispielsweise via das zweite Fluid, an die Wärmepumpe übertragen wird, beispielsweise vom thermischen Solarkollektor und/oder vom Erdwärmekollektor, jeweils zu steuern. Die Steuerungsvorrichtung kann ferner dazu konfiguriert sein, eine Menge von Wärmeenergie, die von dem thermischen Solarkollektor, beispielsweise via das erste Fluid, an den Erdwärmekollektor übertragen wird, und eine Menge von Wärmeenergie, die, beispielsweise gleichzeitig, von dem Gebäude/thermisch aktivierten Bauteil, beispielsweise via das zweite Fluid, an den Erdwärmekollektor übertragen wird, jeweils zu steuern.
Die Steuerungsvorrichtung kann dazu konfiguriert sein, eine Menge von Wärmeenergie, die von dem thermischen Solarkollektor, beispielsweise via das erste Fluid, an den Erdwärmekollektor übertragen wird, und eine Menge von Wärmeenergie, die beispielsweise gleichzeitig, beispielsweise via das zweite Fluid, an den Wärmespeicher übertragen wird, beispielsweise vom thermischen Solarkollektor und/oder von der Wärmepumpe, jeweils zu steuern.
Die Steuerungsvorrichtung kann ferner dazu konfiguriert sein, eine Menge von Wärmeenergie, die an den Wärmespeicher übertragen wird, beispielsweise mittels des zweiten Fluids und/oder des dritten Fluids, beispielsweise vom thermischen Solarkollektor und/oder von der Wärmepumpe, zu steuern.
Die Steuerungsvorrichtung kann dazu konfiguriert sein, den Anteil der Wärmeenergie, der von dem thermischen Solarkollektor über das erste Fluid an den Erdwärmekollektor übertragen wird, und den Anteil der Wärmeenergie, der an den Wärmespeicher übertragen wird, beispielsweise über das zweite Fluid und/oder über das dritte Fluid, und optional den Anteil der Wärmeenergie, der über das zweite Fluid an die Wärmepumpe, beispielsweise von dem Erdwärmekollektor und/oder von dem thermischen Solarkollektor übertragen wird, jeweils zu steuern. Die Anteile können gleichzeitig übertragen werden.
Die Steuerungsvorrichtung kann dazu konfiguriert sein, den Anteil der Wärmeenergie, der von dem thermischen Solarkollektor über das erste Fluid an den Erdwärmekollektor übertragen wird, und den Anteil der Wärmeenergie, der an den Wärmespeicher übertragen wird, beispielsweise über das zweite Fluid und/oder über das dritte Fluid, und den Anteil der Wärmeenergie, der über das zweite Fluid von dem Gebäude/dem thermisch aktivierten Bauteil an den Erdwärmekollektor übertragen wird, jeweils zu steuern. Die Anteile können gleichzeitig übertragen werden.
Die Steuerungsvorrichtung kann dazu konfiguriert sein, eine Steuerung individuell je Fluid durchzuführen. Die Steuerung kann variabel für das erste Fluid und/oder für das zweite Fluid und/oder für das dritte Fluid erfolgen. Die Steuerung kann beispielsweise über die Steuerung eines Durchflussstroms des ersten Fluids und/oder des zweiten Fluids und/oder des dritten Fluids erfolgen. Die Steuerung kann beispielsweise über die Steuerung einer Temperatur des ersten Fluids und/oder des zweiten Fluids und/oder des dritten Fluids erfolgen. Die Steuerung kann beispielsweise über eine Steuerung von Pumpleistungen in den jeweiligen Fluidverbindungen erfolgen. Die erste Fluidverbindung und/oder die zweite Fluidverbindung und/oder die dritte Fluidverbindung und/oder der thermische Solarkollektor und/oder das Zweiverbindungssystem und/oder die Steuerungseinrichtung und/oder die Wärmepumpe und/oder der Erdwärmekollektor und/oder der Wärmespeicher und/oder das thermisch aktivierte Bauteil können Messsensorik zur Steuerung und/oder zur Überwachung enthalten. Die Steuerung kann beispielsweise die Steuerung von Durchflussströmen und/oder Temperaturen des ersten und/oder des zweiten Fluids und/oder des dritten Fluids enthalten. Die Messsensorik kann beispielsweise Helligkeitssensorik und/oder Sensorik zum Bestimmen einer elektromagnetischen Strahlungsleistung, beispielsweise auf dem thermischen Solarkollektor, und/oder Sensorik zum Bestimmen einer elektromagnetischen Bestrahlungsstärke/Intensität, beispielsweise auf dem thermischen Solarkollektor, enthalten. Die Messsensorik kann beispielsweise Temperatursensorik und/oder Sensorik zum Bestimmen von Durchflussströmen, beispielsweise in der ersten und/oder der zweiten und/oder der dritten Fluidverbindung, in dem thermischen Solarkollektor und/oder dem Zweiverbindungssystem und/oder dem Erdwärmekollektor und/oder dem thermisch aktivierten Bauteil enthalten. Die Steuerungsvorrichtung kann beispielsweise dazu konfiguriert sein, die Einhaltung von Bereichen von Sensorgrößen sicherzustellen, beispielsweise innerhalb von vorgegebenen Temperaturbereichen, beispielsweise des ersten und/oder des zweiten und/oder des dritten Fluids, des Erdwärmekollektors, des thermischen Solarkollektors, der Wärmepumpe, des Wärmespeichers, des thermisch aktivierten Bauteils und/oder der ersten und/oder der zweiten und/oder der dritten Fluidverbindung sicherzustellen. Weiterhin kann die Steuerungsvorrichtung dazu konfiguriert sein, mögliche Lecks von Fluidverbindungen zu erkennen, Wartungs- und Warnungshinweise auszugeben, und/oder das System oder Teile davon unter vordefinierten Bedingungen abzuschalten. Weiterhin kann eine Steuerung beispielsweise auch basierend auf einer elektromagnetischen Bestrahlungsstärke/Intensität erfolgen. So kann die Steuerungsvorrichtung beispielsweise dazu konfiguriert sein, eine Übertragung von Wärmeenergie an den Wärmespeicher und/oder an den Erdwärmekollektor und/oder an die Wärmepumpe und/oder an das/von dem thermisch aktivierten Bauteil abhängig von einer elektromagnetischen Bestrahlungsstärke/Intensität, beispielsweise des thermischen Solarkollektors, zu steuern. So kann die Steuerungsvorrichtung beispielsweise dazu konfiguriert sein, Pumpleistungen in der ersten und/oder der zweiten und/oder der dritten Fluidverbindung, und/oder Durchflussströme der ersten und/oder der zweiten und/oder der dritten Fluidverbindung abhängig von einer elektromagnetischen Bestrahlungsstärke/Intensität, beispielsweise des thermischen Solarkollektors, zu steuern. So können beispielsweise hohe Durchflussströme bei hohen Bestrahlungsstärken des thermischen Solarkollektors gewählt werden, niedrige Durchflussströme bei niedrigen Bestrahlungsstärken, und keine Durchflussströme nachts und/oder bei sehr geringen Bestrahlungsstärken. Weiterhin kann die Steuerungsvorrichtung beispielsweise auch dazu konfiguriert sein, das System basierend auf Wettervorhersagen und/oder saisonalen Charakteristiken, wie saisonalem Klima, zu steuern. Die Steuerungsvorrichtung kann weiterhin Regler enthalten, die beispielsweise als Eingabe Sensormesswerte verwenden, bspw. eine Temperatur des Wärmespeichers, eine Temperatur des Erdwärmekollektors, eine Temperatur des thermisch aktivierten Bauteils, Temperaturen des ersten, zweiten und/oder dritten Fluids, eine Außentemperatur, und als Regelgröße beispielsweise Ströme des ersten, zweiten, und/oder dritten Fluids, und/oder Durchlässigkeiten von Kreuzungspunkten.
Die zweite Fluidverbindung kann mit der Quellenseite der Wärmepumpe verbunden sein. Das zweite Fluid kann den Erdwärmekollektor mit der Quellenseite der Wärmepumpe thermisch verbinden.
Die zweite Fluidverbindung kann mit dem thermisch aktivierten Bauteil thermisch verbunden sein. Das zweite Fluid kann den Erdwärmekollektor mit dem thermisch aktivierten Bauteil thermisch verbinden.
Unter der Quellenseite der Wärmepumpe kann die kalte Seite der Wärmepumpe verstanden werden und/oder die Verdampferseite der Wärmepumpe. Die Quellenseite der Wärmepumpe kann die Seite der Wärmepumpe bezeichnen, die auf der Seite der Wärmequelle liegt. Die zweite Fluidverbindung kann den Erdwärmekollektor und die Quellenseite der Wärmepumpe thermisch miteinander verbinden. Unter der Senkenseite der Wärmepumpe kann die warme Seite der Wärmepumpe verstanden werden und/oder die Kondensatorseite der Wärmepumpe. Die Senkenseite der Wärmepumpe kann die Seite der Wärmepumpe bezeichnen, die auf der Seite der Wärmesenken liegt, beispielsweise eines zu beheizenden Gebäudes.
Die zweite Fluidverbindung kann weiterhin mit dem thermischen Solarkollektor thermisch verbunden sein und das zweite Fluid kann den thermischen Solarkollektor, den Erdwärmekollektor, die Wärmepumpe und das thermisch aktivierte Bauteil thermisch miteinander verbinden.
Das zweite Fluid kann den thermischen Solarkollektor, den Erdwärmekollektor, die Wärmepumpe und das thermisch aktivierte Bauteil beispielsweise mittels thermischer Konvektion thermisch miteinander verbinden.
Die erste Fluidverbindung und/oder die zweite Fluidverbindung und/oder die dritte Fluidverbindung können jeweils geschlossene Fluidverbindungen sein. Die erste und/oder die zweite und/oder die dritte Fluidverbindung können jeweils voneinander getrennt sein.
Die erste und die zweite Fluidverbindung können voneinander getrennt sein, d. h., ein Fluidfluss zwischen der ersten Fluidverbindung und der zweiten Fluidverbindung kann ausgeschlossen sein und/oder temporär ausgeschlossen sein. Die erste und die dritte Fluidverbindung können voneinander getrennt sein, d. h., ein Fluidfluss zwischen der ersten Fluidverbindung und der dritten Fluidverbindung kann ausgeschlossen sein und/oder temporär ausgeschlossen sein. Die zweite und die dritte Fluidverbindung können voneinander getrennt sein, d. h., ein Fluidfluss zwischen der zweiten Fluidverbindung und der dritten Fluidverbindung kann ausgeschlossen sein und/oder temporär ausgeschlossen sein.
Der thermische Solarkollektor kann ein PVT-Kollektor sein. Der PVT-Kollektor kann elektrische Energie bereitstellen. Die bereitgestellte elektrische Energie kann vorzugsweise zum Betreiben der Wärmepumpe verwendet werden. Das System kann vorzugsweise dazu konfiguriert sein, die bereitgestellte elektrische Energie zum Betreiben der Wärmepumpe zu verwenden.
Ein PVT-Kollektor ist ein photovoltaisch-thermischer Kollektor. Als PVT-Kollektor wird eine Vorrichtung verstanden, die elektromagnetische Strahlung in thermische Energie und in elektrische Energie umwandeln kann und thermische Energie und elektrische Energie bereitstellen kann. Der PVT-Kollektor kann elektrische Energie bereitstellen können. Ein Übertragen von thermischer Energie aus dem PVT-Kollektor an den Erdwärmekollektor und/oder an die Wärmepumpe und/oder an den Wärmespeicher kann eine Kühlung des PVT-Kollektors bewirken, die zu einer erhöhten Effizienz des PVT-Kollektors führen kann.
Die Durchschnittstemperatur des ersten Fluids kann höher sein als die Durchschnittstemperatur des zweiten Fluids.
Die Durchschnittstemperatur des dritten Fluids kann höher sein als die Durchschnittstemperatur des ersten Fluids und des zweiten Fluids. Insbesondere, wenn das zweite Fluid den thermischen Solarkollektor mit dem Wärmespeicher thermisch verbindet, kann auch die Durchschnittstemperatur des zweiten Fluids höher sein als die Durchschnittstemperatur des ersten Fluids. Das Fluid, das thermisch mit dem Wärmespeicher verbunden ist, kann die höchste Durchschnittstemperatur der Fluide haben.
Der Erdwärmekollektor kann ein vertikaler Erdwärmekollektor sein. Die erste Fluidverbindung und die zweite Fluidverbindung können vertikale Bereiche unter der Erdoberfläche enthalten.
Der vertikaler Erdwärmekollektor kann eine Erdwärmesonde sein. Ein Vorteil eines vertikalen Erdwärmekollektors besteht in einem geringen Platzverbrauch.
Der Erdwärmekollektor kann ein horizontaler Erdwärmekollektor sein. Die erste Fluidverbindung und die zweite Fluidverbindung können horizontale Bereiche unter der Erdoberfläche enthalten.
Als horizontaler Erdwärmekollektor kann ein Erdwärmekollektor verstanden werden, der horizontale Bereiche enthält. Beispielsweise kann ein horizontaler Erdwärmekollektor Fluidverbindungen mit horizontalen Bereichen enthalten, durch die ein Fluid strömt, das Wärmeenergie aus der Umgebung der Fluidverbindung aufnehmen und/oder abgeben kann. Horizontale Bereiche der Fluidverbindung können beispielsweise unterhalb der Erdoberfläche angeordnet sein, und das Fluid kann beispielsweise Wärmeenergie aus dem Erdboden in der Umgebung der Fluidverbindung aufnehmen und/oder abgeben. Der Begriff „horizontaler Bereich“ kann sich darauf beziehen, dass Bereiche der Fluidverbindungen im Wesentlichen horizontal angeordnet sind, beispielsweise in einem vorgegebenen Tiefenbereich unterhalb der Erdoberfläche. Die Fluidverbindungen können den Erdwärmekollektor zusammen mit dem umgebenden Erdboden ausmachen. Als horizontal können auch Ebenen verstanden werden, die parallel zum Horizont liegen und/oder im Wesentlichen parallel zum Horizont liegen.
Die Verwendung eines horizontalen Erdwärmekollektors kann eine große Interaktionsfläche mit dem umgebenden Erdboden ermöglichen. Weiterhin hat der umgebende Erdboden aufgrund des ähnlichen Tiefenbereichs üblicherweise eine relativ homogene Temperatur. Außerdem sind für die Errichtung eines horizontalen Erdwärmekollektors üblicherweise keine tiefen Bohrungen notwendig.
Der horizontale Erdwärmekollektor kann eine thermische Isolation enthalten. Die Isolation kann im Wesentlichen horizontal im Erdreich oder an der Oberfläche des Erdreichs angeordnet sein. Die Isolation kann vorzugsweise in einem Bereich von 30cm - 1m oberhalb von oberen horizontalen Bereichen der ersten Fluidverbindung und der zweiten Fluidverbindung angeordnet sein, vorzugsweise in einem Bereich von 30cm - 75cm, stärker bevorzugt in einem Bereich von 40cm - 60cm.
Die Isolation kann oberhalb des horizontalen Erdwärmekollektors angeordnet sein. Die Isolation kann oberhalb von horizontalen Bereichen des horizontalen Erdwärmekollektors angeordnet sein. Die Isolation kann oberhalb von horizontalen Bereichen der ersten Fluidverbindung und der zweiten Fluidverbindung angeordnet sein.
Die thermische Isolation kann eine Drainage enthalten. Die Isolation kann vorzugsweise in einem Bereich von 30cm - 1m oberhalb der ersten Fluidverbindung und der zweiten Fluidverbindung angeordnet sein, vorzugsweise in einem Bereich von 30cm - 75cm, stärker bevorzugt in einem Bereich von 40cm - 60cm. Die Isolation kann vorzugsweise in einem Bereich von 30cm - 1m oberhalb von Fluidverbindungen des Erdwärmekollektors angeordnet sein, vorzugsweise in einem Bereich von 30cm - 75cm, stärker bevorzugt in einem Bereich von 40cm - 60cm. Der Erdwärmekollektor kann eine thermische Isolation enthalten.
Die Isolation kann wasserdurchlässig sein und/oder eine Wasserdurchlässigkeit aufweisen. Die Isolation kann beispielsweise Tonkugeln enthalten. Eine Schicht aus Tonkugeln kann wasserdurchlässig und biologisch unbedenklich sein. Die Isolation kann beispielsweise Styrodur und/oder andere bekannte Isolationsmaterialien enthalten.
Die thermische Isolation kann dazu geeignet sein, die Konsistenz des Erdbodens nicht und/oder nur unwesentlich zu verändern, beispielsweise aufgrund einer Wasserdurchlässigkeit.
Die thermische Isolation kann beispielsweise unter der Frostgrenze angeordnet sein, d. h. beispielsweise in einer Tiefe von mindestens 80cm unterhalb der Erdoberfläche.
Die horizontalen Bereiche der zweiten Fluidverbindung in dem horizontalen Erdwärmekollektor können oberhalb der horizontalen Bereiche der ersten Fluidverbindung angeordnet sein. Die horizontalen Bereiche der zweiten Fluidverbindung können von horizontalen Bereichen der ersten Fluidverbindung in Tiefenrichtung in einem Abstandsbereich von 20cm - 1,5m beabstandet sein, bevorzugt in einem Abstandsbereich von 30cm - 1m, stärker bevorzugt in einem Abstandsbereich von 30cm - 70cm, noch stärker bevorzugt in einem Abstandsbereich von 40cm - 60cm.
In den Fällen, in denen die Durchschnittstemperatur des ersten Fluids höher ist als die des zweiten Fluids kann eine solche Konfiguration Verluste an Wärmeenergie verringern. Die Fluidverbindung mit der niedrigeren Durchschnittstemperatur im Erdwärmekollektor kann oberhalb der Fluidverbindung mit der höheren Durchschnittstemperatur im Erdwärmekollektor angeordnet sein, d. h. ihre horizontalen Bereiche können oberhalb der horizontalen Bereiche der Fluidtemperatur mit der höheren Durchschnittstemperatur angeordnet sein, beispielsweise innerhalb der oben angegebenen Abstandsbereiche. Die horizontalen Bereiche der ersten und der zweiten Fluidverbindung können auch in einem ähnlichen Tiefenbereich angeordnet sein, und beispielsweise nebeneinander angeordnet sein.
Bereiche der ersten Fluidverbindung und Bereiche der zweiten Fluidverbindung des horizontalen Erdwärmekollektors können horizontal in einem Tiefenbereich von 1m - 3m unterhalb der Erdoberfläche angeordnet sein, vorzugsweise in einem Tiefenbereich von 1,25m -2,5m.
Beispielsweise kann die erste Fluidverbindung in einer Tiefe von ungefähr 1,4 m angeordnet sein. Beispielsweise kann die zweite Fluidverbindung in einer Tiefe von ungefähr 1,0 m angeordnet sein.
Die horizontalen Bereiche der ersten Fluidverbindung und der zweite Fluidverbindung des horizontalen Erdwärmekollektors können horizontal in einem Tiefenbereich von 1m - 3m unterhalb der Erdoberfläche angeordnet sein, vorzugsweise in einem Tiefenbereich von 1,25m - 2,5m. Die horizontalen Bereiche der ersten Fluidverbindung und der zweite Fluidverbindung des horizontalen Erdwärmekollektors können horizontal bei einer Tiefe von beispielweise ungefähr 1,80m unterhalb der Erdoberfläche angeordnet sein. Beispielsweise beträgt die Temperatur des ungeheizten/unerwärmten Erdbodens, also des Erdbodens, der nicht in einem Erdwärmekollektor enthalten ist, in einer Tiefe von 1,4m zu Beginn der Heizperiode in Deutschland üblicherweise ungefähr zwischen 12 und 13 Grad Celsius. Im Erdwärmekollektor in einem System gemäß der vorliegenden Offenbarung können beispielsweise Temperaturen von ca. 18-20 Grad Celsius erreicht werden. Der Erdboden beziehungsweise der Erdwärmekollektor kann für den Betrieb einer Wärmepumpe eine ergiebige Wärmequelle darstellen.
Der horizontale Erdwärmekollektor kann eine Fläche von unter 100% der Gebäudefläche des Gebäudes aufweisen, vorzugsweise unter 75%, stärker bevorzugt unter 66%, noch stärker bevorzugt unter 50%.
Beispielsweise kann der horizontale Erdwärmekollektor eine Fläche von ungefähr 50% der Gebäudefläche des zu beheizenden Gebäudes aufweisen.
Das Gebäude kann von der Wärmepumpe beheizt werden/von der Wärmepumpe mit Wärmeenergie versorgt werden. Die vorliegende Offenbarung ermöglicht aufgrund des flexiblen und unabhängigen Übertragens von Wärmeenergie an den Erdwärmekollektor auch bei einer solchen Flächendimensionierung des horizontalen Erdwärmekollektors das Heizen eines Gebäudes während der gesamten Heizperiode mittels einer entsprechenden Wärmepumpe. Somit ist die vorliegende Offenbarung auch für kleinere Grundstücke geeignet, wie sie beispielsweise im städtischen und großstädtischen Umfeld anzufinden sind.
Der Erdwärmekollektor kann lehmhaltigen Boden enthalten.
Die erste und die zweite Fluidverbindung können in Bereichen von lehmhaltigem Boden umgeben sein. Rohre und/oder Leitungen der ersten und der zweiten Fluidverbindung können in Bereichen von lehmhaltigem Boden umgeben sein. Lehmhaltiger Boden eignet sich besonders gut für die Verwendung in einem Erdwärmekollektor. Bei anderen Bodentypen kann die Dimensionierung des Erdwärmekollektors/die Konstruktion des Erdwärmekollektors entsprechend angepasst sein.
Die erste Fluidverbindung und/oder die zweite Fluidverbindung und/oder die dritte Fluidverbindung können jeweils ein Material enthalten, das einen Wärmeleitungskoeffizienten von oberhalb von 0,5W/(m*K) aufweist, bevorzugt von oberhalb von 1W/(m*K), stärker bevorzugt von oberhalb von 2W/(m*K), noch stärker bevorzugt von oberhalb von 5W/(m*K) oder 10W/(m*K) oder 20W/(m*K) oder 50W/(m*K).
Die erste Fluidverbindung und/oder die zweite Fluidverbindung und/oder die dritte Fluidverbindung können jeweils ein Material enthalten und/oder aus einem Material gemacht sein, das einen Wärmeleitungskoeffizienten von oberhalb von 0,5 W/(m*K) aufweist, bevorzugt von oberhalb von 1W/(m*K), stärker bevorzugt von oberhalb von 2W/(m*K), noch stärker bevorzugt von oberhalb von 5W/(m*K) oder 10W/(m*K) oder 20W/(m*K) oder 50W/(m*K). Rohre und/oder Leitungen der ersten Fluidverbindung und/oder der zweiten Fluidverbindung und/oder der dritten Fluidverbindung können jeweils ein Material enthalten und/oder aus einem Material gemacht sein, das einen Wärmeleitungskoeffizienten von oberhalb von 0,5 W/(m*K) aufweist, bevorzugt von oberhalb von 1W/(m*K), stärker bevorzugt von oberhalb von 2W/(m*K), noch stärker bevorzugt von oberhalb von 5W/(m*K) oder 10W/(m*K) oder 20W/(m*K) oder 50W/(m*K). Ein hoher Wärmeleitungskoeffizient ermöglicht ein gutes Abgeben und Aufnehmen von Wärme in den Erdwärmekollektor/aus dem Erdwärmekollektor.
Somit kann ein hoher Wärmeleitungskoeffizient den Flächenbedarf für den Erdwärmekollektor verringern und/oder die Wärmeaufladung des Erdwärmekollektors/den Betrag an Wärmeenergie erhöhen, die an den Erdwärmekollektor übertragen wird.
Die erste Fluidverbindung und/oder die zweite Fluidverbindung und/oder die dritte Fluidverbindung können jeweils ein Metall enthalten. Die erste Fluidverbindung und die zweite Fluidverbindung und die dritte Fluidverbindung können vorzugsweise eine korrosionsbeständige Legierung enthalten.
Die erste Fluidverbindung und/oder die zweite Fluidverbindung und/oder die dritte Fluidverbindung können jeweils einen Kunststoff enthalten, wie beispielsweise PE.
Die erste Fluidverbindung und/oder die zweite Fluidverbindung und/oder die dritte Fluidverbindung können jeweils ein Metall enthalten/aus einem Metall gemacht sein. Das Metall kann zum Beispiel Kupfer und/oder Aluminium sein. Die erste Fluidverbindung und/oder die zweite Fluidverbindung und/oder die dritte Fluidverbindung können vorzugsweise eine korrosionsbeständige Legierung enthalten und/oder aus einer korrosionsbeständigen Legierung gemacht sein. Die Legierung kann zum Beispiel Kupfer und/oder Aluminium enthalten. Die Verwendung von Metallen und oder Legierungen kann den Vorteil haben, dass Wärme besser abgegeben und oder aufgenommen werden kann, beispielsweise in den Erdboden/aus dem Erdboden. Es können beispielsweise auch PE-Rohre verwendet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines Heiz- und Kühlsystems gemäß einem der Ausführungsbeispiele gleichzeitiges Übertragen von Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor, beispielsweise via das erste Fluid, an den Erdwärmekollektor und von Wärmeenergie an die Wärmepumpe, , beispielsweise via das zweite Fluid, und beispielsweise weiter an ein thermisch aktiviertes Bauteil des Gebäudes, und/oder gleichzeitiges Übertragen von Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor, beispielsweise via das erste Fluid, an den Erdwärmekollektor und von Wärmeenergie von dem Gebäude, beispielsweise vom thermisch aktivierten Bauteil, beispielsweise via das zweite Fluid, an den Erdwärmekollektor.
Das Verfahren kann Bereitstellen von Wärmeenergie aus dem thermischen Solarkollektor umfassen.
Das Verfahren kann gleichzeitiges Übertragen von Wärmeenergie aus dem thermischen Solarkollektor an den Erdwärmekollektor und an den Wärmespeicher umfassen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein Verfahren zum Betreiben eines System gemäß einem der Ausführungsbeispiele Bereitstellen von Wärmeenergie aus dem thermischen Solarkollektor umfassen, und kann gleichzeitiges Übertragen von Wärmeenergie aus dem thermischen Solarkollektor an den Erdwärmekollektor und/oder an die Wärmepumpe umfassen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein Verfahren zum Betreiben eines System gemäß einem der Ausführungsbeispiele Bereitstellen von Wärmeenergie aus dem thermischen Solarkollektor umfassen, und gleichzeitiges Aufladen des Erdwärmekollektors mit Wärmeenergie aus dem thermischen Solarkollektor und gleichzeitiges Übertragen von Wärmeenergie an die Wärmepumpe, und/oder gleichzeitiges Aufladen des Erdwärmekollektors mit Wärmeenergie aus dem thermischen Solarkollektor und gleichzeitiges Übertragen von Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor an den Wärmespeicher.
Alle technischen Merkmale und Vorteile, die in Bezug auf das System beschrieben sind, gelten selbstverständlich mutatis mutandis auch für das Verfahren, und umgekehrt.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1a und 1b zeigen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung.
2a, 2b und 2c zeigen drei mögliche Betriebsmodi des Ausführungsbeispiels aus 1b.
3a und 3b zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung.
4a und 4b zeigen zwei Varianten des Ausführungsbeispiels aus 3b.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden wird auf beispielhafte Ausführungsformen der Offenbarung Bezug genommen, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Wo immer es möglich ist, werden in den Zeichnungen dieselben Bezugszeichen verwendet, um sich auf gleiche oder ähnliche Entitäten zu beziehen. Darüber hinaus gelten die im Zusammenhang mit einer bestimmten Ausführungsform, z. B. der in 1a dargestellten, erläuterten Merkmale und technischen Effekte auch für alle anderen Ausführungsformen, sofern nichts anders beschrieben ist. Falls nicht anders angegeben, können Merkmale und Effekt verschiedener Ausführungsformen passend kombiniert werden.
1a zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. 1a zeigt ein ein Heiz- und Kühlsystem, das dazu konfiguriert ist, ein Gebäude (in 1a nicht gesondert gezeigt) zu heizen und/oder zu kühlen.
Das System umfasst eine Wärmepumpe WP, die dazu konfiguriert ist, dem Gebäude Wärmeenergie bereitzustellen. Das System umfasst ferner einen Erdwärmekollektor EWK, der dazu konfiguriert ist, Wärmeenergie bereitzustellen/abzugeben, und der dazu konfiguriert ist, Wärmeenergie aufzunehmen. Das System umfasst ferner einen thermischen Solarkollektor TSK, der dazu konfiguriert ist, Wärmeenergie bereitzustellen/abzugeben.
Das System umfasst ferner ein Zweiverbindungssystem, das ein erstes Fluid in einer ersten Fluidverbindung FV1 und ein zweites Fluid in einer zweiten Fluidverbindung FV2 enthält.
Die erste Fluidverbindung FV1 ist mit dem thermischen Solarkollektor TSK und dem Erdwärmekollektor EWK verbunden und das erste Fluid verbindet den thermischen Solarkollektor TSK mit dem Erdwärmekollektor EWK thermisch. Mit anderen Worten:
Der thermischen Solarkollektor TSK ist mit dem Erdwärmekollektor EWK durch das erste Fluid thermisch gekoppelt.
Die zweite Fluidverbindung FV2 ist mit dem Erdwärmekollektor EWK und der Wärmepumpe WP verbunden und das zweite Fluid verbindet den Erdwärmekollektor EWK mit der Wärmepumpe WP thermisch. Die Wärmepumpe WP ist weiterhin fluidisch mit dem thermisch aktivierten Bauteil TAB des Gebäudes verbunden.
Die Figuren zeigen jeweils nur ein thermisch aktiviertes Bauteil. Das System/das Gebäude kann auch eine Mehrzahl von thermisch aktivierten Bauteilen enthalten, beispielsweise eine/mehrere Kühl-/Heizdecken und eines/mehrere Bauteile mit Betonkernaktivierung. Merkmale, die in Bezug auf ein thermisch aktiviertes Bauteil offenbart sind, gelten analog auch für die Mehrzahl von thermisch aktivierten Bauteilen.
Das Heiz- und Kühlsystem ist dazu konfiguriert, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK, beispielsweise via das erste Fluid, an den Erdwärmekollektor EWK zu übertragen und Wärmeenergie, beispielsweise via das zweite Fluid, an die Wärmepumpe WP, und beispielsweise weiter an das thermisch aktivierte Bauteil TAB, zu übertragen. Das Heiz- und Kühlsystem ist dazu konfiguriert, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK, beispielsweise via das erste Fluid, an den Erdwärmekollektor EWK zu übertragen und Wärmeenergie von dem Gebäude, beispielsweise vom thermisch aktivierten Bauteil TAB, beispielsweise via das zweite Fluid, an den Erdwärmekollektor EWK zu übertragen.
Das thermisch aktivierte Bauteil TAB ist fluidisch mit der Wärmepumpe WP verbunden. Die Wärmepumpe WP kann über den Wärmespeicher WS und/oder direkt Wärmeenergie an das thermisch aktivierte Bauteil TAB übertragen. Das thermisch aktivierte Bauteil TAB kann Wärmeenergie des Gebäudes an den Erdwärmekollektor übertragen, beispielsweise mittels der zweiten Fluidverbindung FV2, beispielsweise indem das zweite Fluid vom thermisch aktivierten Bauteil durch die Wärmepumpe und in den Erdwärmekollektor strömt. Das thermisch aktivierte Bauteil kann auch mit einem separaten Fluid in einer separaten Fluidverbindung mit der Wärmepumpe verbunden sein. In solchen Fällen kann die Wärmepumpe einen Wärmetauscher dieses Fluids mit dem zweiten Fluid/der zweiten Fluidverbindung FV2 enthalten.
Das thermisch aktivierte Bauteil TAB kann das Gebäude auch kühlen bzw. Wärmeenergie des Gebäudes an den Erdwärmekollektor übertragen, beispielsweise wenn die Wärmepumpe WP im Umkehrbetrieb betrieben wird.
Das System der 1a enthält einen optionalen Wärmespeicher WS. Der Wärmespeicher WS ist thermisch mit der Wärmepumpe WP verbunden. Die Wärmepumpe WP kann Wärmeenergie an den Wärmespeicher WS übertragen (durch Pfeil angedeutet). Der Wärmespeicher WS ist thermisch mit dem thermisch aktivierten Bauteil TAB des Gebäudes verbunden. Der Wärmespeicher WS kann Wärmeenergie an das thermisch aktivierte Bauteil TAB übertragen, und beispielsweise so das Gebäude heizen.
Der Wärmespeicher WS ist mit der warmen Seite der Wärmepumpe/der Senkenseite der Wärmepumpe WP thermisch verbunden, beispielsweise über ein weiteres Fluid und dessen Konvektionsstrom, und beispielsweise über Wärmetauscher an der Senkenseite der Wärmepumpe WP und am Wärmespeicher WS.
Der Wärmespeicher WS ist thermisch mit dem thermischen Solarkollektor TSK via das zweite Fluid in der zweiten Fluidverbindung FV2 verbunden.
Der Wärmespeicher WS kann beispielsweise die Bereitung von Trinkwarmwasser über eine Frischwasserstation ermöglichen und kann eine Raumheizung eines Gebäudes versorgen.
Der Wärmespeicher WS kann ein Pufferspeicher sein. Der Wärmespeicher WS kann zur Zwischenspeicherung von Wärmeenergie dienen. Der Wärmespeicher WS kann derart dimensioniert sein, dass Wärmeenergie für eine bestimmte Anzahl von Tagen vorgehalten werden kann. Beispielsweise kann der Wärmespeicher ein Speichervolumen von ungefähr 1m³ je 40m² zu heizender Gebäudefläche haben. Beispielsweise kann das Aufheizen des Wärmespeichers an einem strahlungsreichen Tag dem Wärmespeicher Wärmeenergie für vier strahlungsarme Tage bereitstellen.
Der Wärmespeicher kann eine Solltemperatur haben. Beispielsweise können abhängig von der Temperatur des Wärmespeichers verschiedene Betriebsmodi gewählt werden, die weiter unten beispielsweise in Bezug auf 2a, 2b und 2c beschrieben sind. Der Wärmespeicher ist nicht mit dem Erdwärmekollektor identisch, sondern ist vom Erdwärmekollektor unterschiedlich.
Der Pfeil zwischen der Wärmepumpe WP und dem Wärmespeicher WS gibt eine mögliche Übertragung von Wärmeenergie von der Wärmepumpe WP zum Wärmespeicher WS an. Die Kreuzungspunkte 110 sind durch Kreise gekennzeichnet und sind steuerbar, beispielsweise mittels Sperrschiebern. Der Fluidstrom in einen Kreuzungspunkt kann ganz in eine der Verbindungen strömen, die mit dem Kreuzungspunkt verbunden sind, oder kann zu gleichen oder unterschiedlichen Teilen in mehrere der Verbindungen strömen, die mit dem jeweiligen Kreuzungspunkt verbunden sind. Am Liniensprung 120 sind die entsprechenden Verbindungen nicht miteinander verbunden. Die Verbindung 130 kann optional sein. Die Verbindung 130 kann eine Entkopplung der Verbindung vom Wärmespeicher WS mit dem thermischen Solarkollektor TSK auf der einen Seite und von der Wärmepumpe WP mit dem Erdwärmekollektor auf der anderen Seite ermöglichen. In solch einem Fall können die beiden Verbindungen (Wärmespeicher WS mit thermischen Solarkollektor TSK und Wärmepumpe WP mit Erdwärmekollektor) vollständig oder teilweise getrennt sein, d. h., der Fluidstrom dazwischen kann eingeschränkt und/oder ausgeschlossen sein.
In den Zeichnungen sind Kreuzungspunkte und Liniensprünge nicht immer mit Bezugszeichen versehen, die entsprechenden Ausführungen gelten aber für alle Kreuzungspunkte und Liniensprünge, sofern hierdurch kein Widerspruch entsteht und sofern nichts anderes angegeben ist. Kreuzungspunkte sind mittels Kreisen gekennzeichnet.
Weiterhin kann zwischen den beiden Verbindungsanschlüssen der Wärmepumpe WP eine optionale Verbindung 140 angeordnet sein, die ermöglichen kann, einen Teil des Fluidstroms und/oder den gesamten Fluidstrom an der Wärmepumpe vorbeizuleiten, beispielsweise, wenn die Wärmepumpe WP nicht in Betrieb ist und/oder die Wärmepumpe nur einen Teil des Fluidstroms benötigt, der durch den Erdwärmekollektor WK strömt.
Das System der 1a kann dazu konfiguriert sein, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK an den Erdwärmekollektor EWK zu übertragen und Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK an die Wärmepumpe WP/an den Wärmespeicher WS zu übertragen. Das System der 1a kann dazu konfiguriert sein, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK an den Erdwärmekollektor EWK zu übertragen und Wärmeenergie von der Wärmepumpe WP an den Wärmespeicher WS zu übertragen. Das System der 1a kann dazu konfiguriert sein, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK an den Erdwärmekollektor EWK zu übertragen und Wärmeenergie von der thermischen Solarkollektor TSK an die Wärmepumpe WP zu übertragen. Das System der 1a kann dazu konfiguriert sein, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK an den Erdwärmekollektor EWK zu übertragen und Wärmeenergie von der thermischen Solarkollektor TSK an den Wärmespeicher WS und an die Wärmepumpe WP zu übertragen.
Das System der 1a kann ferner dazu konfiguriert sein, gleichzeitig Wärmeenergie vom thermischen Solarkollektor TSK an den Erdwärmekollektor zu übertragen, und Wärmeenergie von dem Gebäude/von dem thermisch aktivieren Bauteil des Gebäudes TAB an den Erdwärmekollektor zu übertragen, also das Gebäude zu kühlen.
Mögliche weitere Kombinationen von Prozessen, die gleichzeitig stattfinden können, sind dem Fachmann ersichtlich. Die Übertragung von Wärmeenergie von dem Erdwärmekollektor an die Wärmepumpe und von der Wärmepumpe an den Wärmespeicher kann gleichzeitig erfolgen, und kann beispielsweise im Betrieb der Wärmepumpe enthalten sein. Die Übertragung von Wärmeenergie von dem Erdwärmekollektor an die Wärmepumpe und von dem Gebäude/dem thermisch aktivierten Bauteil an den Erdwärmekollektor kann gleichzeitig erfolgen, und kann beispielsweise im Betrieb der Wärmepumpe enthalten sein (dies kann aber auch per passiver Kühlung, also per bloßer Zirkulation des zweiten Fluids ohne aktiven Betrieb der Wärmepumpe erfolgen).
Der thermische Solarkollektor kann ein Röhrenkollektor und/oder ein Vakuumröhrenkollektor und/oder ein PVT-Kollektor sein. Der thermische Solarkollektor kann ein Flachkollektor sein. Üblicherweise haben Vakuumröhrenkollektoren einen geringen Wärmeverlust bei geringen Außentemperaturen und einen hohen Wirkungsgrad, auch bei tiefen Temperaturen. Daher können Röhrenkollektoren und/oder Vakuumröhrenkollektoren bevorzugt sein.
Dass das erste Fluid den thermischen Solarkollektor TSK thermisch mit dem Erdwärmekollektor EWK verbindet, kann heißen, dass das erste Fluid durch zwei Wärmetauscher strömt, die jeweils am Erdwärmekollektor EWK und am thermischen Solarkollektor TSK befestigt sind, beispielsweise direkt daran befestigt sind. Dass das erste Fluid den thermischen Solarkollektor TSK thermisch mit dem Erdwärmekollektor EWK verbindet, kann heißen, dass die thermische Verbindung vorwiegend über das erste Fluid hergestellt ist, d.h., dass beispielsweise kein anderes Fluid und keine weiteren Wärmetauscher involviert sind, und/oder dass thermische Pfade über andere Fluide und andere Wärmetauscher gegenüber dem ersten Fluid vernachlässigt werden können. Dies kann analog für die anderen thermischen Verbindungen mittels eines Fluids gelten, beispielsweise für die thermische Verbindung des thermischen Solarkollektors TSK mit dem Wärmespeicher WS mittels des zweiten Fluids und/oder mittels des dritten Fluids, und für die thermische Verbindung des Erdwärmekollektors EWK mit der Wärmepumpe WP mittels des zweiten Fluids, und für die thermische Verbindungen des thermisch aktivierten Bauteils TAB mit dem Wärmespeicher WS und/oder mit der Wärmepumpe WP und/oder mit dem Erdwärmekollektor.
Wenn die Temperatur des Wärmespeichers WS unter einen vorgegebenen Schwellenwert fällt, kann beispielsweise bei ausreichender Sonneneinstrahlung/einer ausreichenden Strahlungsintensität auf dem thermischen Solarkollektor Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK über das zweite Fluid in der zweiten Fluidverbindung FV2 an den Wärmespeicher WS übertragen werden. Parallel/gleichzeitig hierzu kann thermische Energie vom thermischen Solarkollektor TSK über das erste Fluid in der ersten Fluidverbindung FV1 an den Erdwärmekollektor übertragen werden und der Erdwärmekollektor EWK kann so beispielsweise aufgeladen/regeneriert werden. Falls die Wärmeenergie, die der thermischen Solarkollektor über das zweite Fluid an den Wärmespeicher WS bereitstellt/bereitstellen kann, zum ausreichenden Wärmeübertrag an der Wärmespeicher WS nicht ausreichen sollte, kann zusätzlich oder alternativ die Wärmepumpe WP betrieben werden, um Wärmeenergie an den Wärmespeicher WS zu übertragen. Die Wärmepumpe WP kann gleichzeitig zum Übertragen von Wärmeenergie aus dem thermischen Solarkollektor an den Wärmespeicher und zum Übertragen von Wärmeenergie aus dem thermischen Solarkollektor über das erste Fluid und die erste Fluidverbindung FV1 an den Erdwärmekollektor betrieben werden. Beim Betrieb kann die Wärmepumpe WP beispielsweise mittels Konvektionsfluss des zweiten Fluids in der zweiten Fluidverbindung FV2 Wärmeenergie des Erdwärmekollektors aufnehmen/dem Erdwärmekollektor Wärmeenergie entziehen und/oder Wärmeenergie an den Wärmespeicher übertragen/abgeben. Parallel/gleichzeitig hierzu kann thermische Energie vom thermischen Solarkollektor TSK über das erste Fluid in der ersten Fluidverbindung FV1 an den Erdwärmekollektor übertragen werden und der Erdwärmekollektor EWK kann so beispielsweise aufgeladen/regeneriert werden. Obige Prozesse können beispielsweise von der Steuerungsvorrichtung gesteuert werden.
Zur besseren Übersichtlichkeit können Bezugszeichen und optionale Merkmale in den folgenden Zeichnungen teilweise oder gänzlich ausgelassen sein.
Das System der 1b entspricht im Wesentlichen dem System der 1a. Ausführungen in Bezug auf 1a gelten entsprechend für 1b.
Das System der 1b enthält zusätzlich eine Umgehungsverbindung 150. Diese kann auch als Bypassverbindung/Bypassleitung verstanden werden. Die Umgehungsverbindung 150 umgeht die Wärmepumpe. Die Krezungspunkte der Umgehungsverbindung (durch Kreise gekennzeichnet) sind steuerbar, sodass gewählt werden kann, ob das zweite Fluid die Wärmepumpe WP umgeht oder zur Wärmepumpe WP fließt. Die Umgehungsverbindung 150 ermöglicht eine direkte Wärmeübertragung vom thermisch aktivierten Bauteil TAB an den Erdwärmekollektor EWK, auch ohne Betrieb der Wärmepumpe WP, also durch bloße Zirkulation eines Fluids, beispielsweise des zweiten Fluids in der zweiten Fluidverbindung FV2. Eine solche Wärmeübertragung kann auch als passives Kühlen bezeichnet werden und ist besonders energieeffizient. Ferner ermöglicht das passive Kühlen eine energiesparende Aufladung/Regeneration des Erdwärmekollektors.
Das thermisch aktivierte Bauteil TAB kann Wärmeenergie des Gebäudes an den Erdwärmekollektor übertragen/das Gebäude kühlen, beispielsweise mittels der zweiten Fluidverbindung FV2 und der Umgehungsverbindung 150 (die in der zweiten Fluidverbindung FV2 enthalten sein kann), beispielsweise indem das zweite Fluid vom thermisch aktivierten Bauteil durch die Umgehungsverbindung 150 strömt und in den Erdwärmekollektor strömt, und hier zirkuliert wird, beispielsweise ohne einen (aktiven) Betrieb der Wärmepumpe WP (passive Kühlung).
Verschiedene mögliche Betriebsmodi des Heiz- und Kühlsystems der 1b sind weiterhin in Bezug auf die 2a-2c erläutert, die drei mögliche Betriebsmodi zeigen. In den 2a, 2b und 2c sind beispielhaft mögliche Fluidströme durch Pfeile angegeben. Diese Angaben sind nicht als einschränkend zu verstehen, und auch nicht derart, dass zwangsläufig alle Fluidströme durch Pfeile angegeben sind. Weitere Fluidströme können möglich sein, und die angegebenen Fluidströme können optional sein.
In 2a ist ein erster beispielhafter Betriebsmodus des Systems aus 1b gezeigt. Beispielhafte Fluidflüsse sind durch Pfeile angegeben. In der ersten Fluidverbindung FV1 strömt das erste Fluid, beispielsweise mit einem Massestrom m_EWK. Das erste Fluid überträgt mittels Konvektion Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK an den Erdwärmekollektor EWK. Gleichzeitig dazu strömt das zweite Fluid in der zweiten Fluidverbindung FV2 beispielsweise mit einem Massestrom m_TAB und überträgt mittels Konvektion Wärmeenergie von dem thermisch aktivierten Bauteil TAB an den Erdwärmekollektor EWK, und kühlt somit das Gebäude. Die Wärmepumpe kann hierzu im Umkehrbetrieb betrieben werden, oder sie kann ausgeschaltet sein und es findet lediglich eine Zirkulation des zweiten Fluids zwischen dem thermisch aktivierten Bauteil TAB und dem Erdwärmekollektor EWK statt, via Umgehungsverbindung 150 (passive Kühlung). Die Wärmepumpe WP kann auch eine Umgehungsfunktion haben, sodass eine separate Umgehungsverbindung 150 nicht notwendig ist, bzw. dass die Umgehungsverbindung in der Wärmepumpe bereits enthalten ist.
Gleichzeitig kann das zweite Fluid in der zweiten Fluidverbindung FV2 beispielsweise mit einem Massestrom mws zwischen dem thermischen Solarkollektor TSK und dem Wärmespeicher WS strömen und auf diese Wiese Konvektion Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK an den Wärmespeicher WS übertragen.
Der erste Betriebsmodus kann gewählt werden, wenn die Sonneneinstrahlung/die Strahlungsintensität auf dem thermischen Solarkollektor ausreichend ist, um genügend Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK über das zweite Fluid in der zweiten Fluidverbindung FV2 zum Wärmespeicher WS zu übertragen, um eine vorbestimmte Solltemperatur des Wärmespeichers WS zu erreichen, und wenn eine Kühlung des Gebäudes notwendig ist/gewünscht wird. Der erste Betriebsmodus kann also beispielsweise im Sommer gewählt werden bzw. bei hohen Außentemperaturen und bei Sonneneinstrahlung.
Beispielsweise wenn die vorbestimmte Solltemperatur des Wärmespeichers erreicht ist, kann der Massestrom mws gleich null sein, d. h., es ist möglich, dass kein Fluidfluss zwischen dem thermischen Solarkollektor TSK und dem Wärmespeicher WS stattfindet, und keine Übertragung von Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK an den Wärmespeicher WS mittels Konvektion stattfindet.
In 2b ist ein zweiter beispielhafter Betriebsmodus des Systems aus 1 gezeigt. Beispielhafte Fluidflüsse sind durch Pfeile angegeben. In der ersten Fluidverbindung FV1 strömt das erste Fluid, beispielsweise mit einem Massestrom m_EWK. Das erste Fluid überträgt mittels Konvektion Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK an den Erdwärmekollektor EWK. Gleichzeitig dazu strömt das zweite Fluid in der zweiten Fluidverbindung FV2 beispielsweise mit einem Massestrom m_WP und überträgt mittels Konvektion Wärmeenergie von dem Erdwärmekollektor EWK an die Wärmepumpe WP. Die Wärmepumpe ist im zweiten Betriebsmodus angeschaltet, d. h. in Betrieb, und stellt Wärmeenergie bereit. Die Wärmepumpe WP überträgt thermische Energie an den Wärmespeicher WS (durch Pfeil angezeigt). Gleichzeitig dazu strömt ein Fluid von dem Wärmespeicher WS an das thermisch aktivierte Bauteil TAB mit einem Massestrom m_TAB und überträgt mittels Konvektion Wärmeenergie vom Wärmespeicher WS an das thermisch aktivierte Bauteil TAB. Das Gebäude wird somit geheizt.
Der zweite Betriebsmodus kann gewählt werden, wenn die Sonneneinstrahlung/die Strahlungsintensität auf dem thermischen Solarkollektor nicht ausreichend ist, um genügend Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK über das zweite Fluid in der zweiten Fluidverbindung FV2 zum Wärmespeicher WS zu übertragen, um eine vorbestimmte Solltemperatur des Wärmespeichers WS zu erreichen. Im zweiten Betriebsmodus ist es möglich, dass kein Fluidfluss zwischen dem thermischen Solarkollektor TSK und dem Wärmespeicher WS stattfindet, und dass keine Übertragung von Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK an den Wärmespeicher WS mittels Konvektion stattfindet.
In 2c ist ein dritter beispielhafter Betriebsmodus des Systems aus 1 gezeigt. Beispielhafte Fluidflüsse sind durch Pfeile angegeben. In der ersten Fluidverbindung FV1 strömt das erste Fluid, beispielsweise mit einem Massestrom m_EWK. Das erste Fluid überträgt mittels Konvektion Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK an den Erdwärmekollektor EWK. Gleichzeitig dazu strömt das zweite Fluid in der zweiten Fluidverbindung FV2 beispielsweise mit einem Massestrom m_WP und überträgt mittels Konvektion Wärmeenergie von dem Erdwärmekollektor EWK an die Wärmepumpe WP. Gleichzeitig dazu strömt das zweite Fluid in der zweiten Fluidverbindung FV2 beispielsweise mit einem Massestrom mws und überträgt mittels Konvektion Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK an den Wärmespeicher WS. Der Massestrom in der zweiten Fluidverbindung FV2 im thermischen Solarkollektor TKS kann beispielsweise mws sein oder beispielsweise m_WP+m_WS, oder auch zwischen diesen beiden Werten liegen. Gleichzeitig strömt ein Fluid von dem Wärmespeicher WS an das thermisch aktivierte Bauteil TAB mit einem Massestrom m_TAB und überträgt mittels Konvektion Wärmeenergie vom Wärmespeicher WS an das thermisch aktivierte Bauteil TAB. Das Gebäude wird somit geheizt.
Die Wärmepumpe ist im dritten Betriebsmodus angeschaltet, d. h. in Betrieb, und stellt Wärmeenergie bereit. Die Wärmepumpe WP überträgt thermische Energie an den Wärmespeicher WS (durch Pfeil angezeigt). Der dritte Betriebsmodus kann gewählt werden, wenn die Sonneneinstrahlung/die Strahlungsintensität auf dem thermischen Solarkollektor nicht ausreichend ist, um genügend Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK über das zweite Fluid in der zweiten Fluidverbindung FV2 zum Wärmespeicher WS zu übertragen, um eine vorbestimmte Solltemperatur des Wärmespeichers WS zu erreichen, aber dennoch ausreichend ist, eine gewisse Menge Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK über das zweite Fluid in der zweiten Fluidverbindung FV2 zum Wärmespeicher WS zu übertragen.
Weitere Betriebsmodi, die sich von dem ersten, zweiten und dritten Betriebsmodus unterscheiden, sind möglich. Die erste, zweite und dritte Betriebsmodi können beispielsweise miteinander kombiniert werden und/oder sie können beispielsweise abgewandelt werden.
Eine Steuerungsvorrichtung (in den 1a, 1b, 2a, 2b, 2c nicht gezeigt) kann Betriebsmodi gemäß den entsprechenden Bedingungen wählen, beispielsweise basierend auf einer Strahlungsintensität auf dem TSK, einer Außentemperatur, einer Temperatur im Erdwärmekollektor, einer Temperatur im Wärmespeicher, einer Temperatur im thermisch aktivierten Bauteil TAB, und/oder einem aktuellen Verbrauch von Wärmeenergie, und/oder basierend auf Vorhersagen dieser Werte. Die Steuerungsvorrichtung kann jeweilige Pumpleistungen in den einzelnen Fluidverbindungen steuern. Die Steuerungsvorrichtung kann die Durchlässigkeit von Kreuzungspunkten steuern. Die Übertragung von Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor an den Wärmespeicher WS mittels Konvektionsflusses des zweiten Fluids kann gegenüber dem Übertragen von Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor an den Erdwärmekollektor mittels Konvektionsflusses des ersten Fluids und gegenüber dem Betreiben der Wärmepumpe WP/dem Übertragen von Wärmeenergie von dem Erdwärmekollektor EWK an die Wärmepumpe mittels Konvektionsflusses des zweiten Fluids bevorzugt sein, d. h. es kann der Übertragung von Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor an den Wärmespeicher WS mittels Konvektionsflusses des zweiten Fluids eine höhere Priorität eingeräumt werden.
3a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. Das Zweiverbindungssystem des Systems der 3a enthält weiterhin ein drittes Fluid in einer dritten Fluidverbindung FV3. Die dritte Fluidverbindung FV3 ist mit dem thermischen Solarkollektor TSK und dem Wärmespeicher WS verbunden. Das dritte Fluid verbindet den thermischen Solarkollektor TSK mit dem Wärmespeicher WS thermisch.
Das System der 3a enthält einen optionalen Wärmespeicher WS. Der Wärmespeicher WS ist thermisch mit der Wärmepumpe WP verbunden. Die Wärmepumpe WP kann Wärmeenergie an den Wärmespeicher WS übertragen (durch Pfeil angedeutet). Der Wärmespeicher WS ist thermisch mit dem thermisch aktivierten Bauteil TAB des Gebäudes verbunden. Der Wärmespeicher WS kann Wärmeenergie an das thermisch aktivierte Bauteil TAB übertragen.
Das System der 3a ist dazu konfiguriert, gleichzeitig Wärmeenergie vom thermischen Solarkollektor TSK an den Erdwärmekollektor EWK zu übertragen und Wärmeenergie von dem Erdwärmekollektor EWK an die Wärmepumpe WP zu übertragen. Das System der 3 ermöglicht ein gleichzeitiges Betreiben der Wärmepumpe WP und Aufladen und/oder Regenerieren des Erdwärmekollektors EWK.
Das System der 3a ist dazu konfiguriert, gleichzeitig Wärmeenergie vom thermischen Solarkollektor TSK an den Erdwärmekollektor EWK zu übertragen und Wärmeenergie von dem Gebäude/dem thermisch aktivierten Bauteil TAB an den Erdwärmekollektor EWK zu übertragen. Das System der 3a ermöglicht ein gleichzeitiges Kühlen des Gebäudes und Aufladen und/oder Regenerieren des Erdwärmekollektors EWK.
Das System der 3a enthält weiterhin einen optionalen Wärmespeicher WS. Der Wärmespeicher WS ist mit der warmen Seite der Wärmepumpe/der Senkenseite der Wärmepumpe thermisch verbunden sein, beispielsweise über ein weiteres Fluid und dessen Konvektionsstrom und Wärmetauscher an der Senkenseite der Wärmepumpe und am Wärmespeicher. Der Wärmespeicher ist thermisch mit dem thermischen Solarkollektor verbunden sein, beispielsweise mittels eines Fluids, beispielsweise verbindet das dritte Fluid in der dritten Fluidverbindung FV3 den thermischen Solarkollektor mit dem Wärmespeicher thermisch.
Die dritte Fluidverbindung FV3 ist mit dem thermischen Solarkollektor TSK und dem Wärmespeicher WS verbunden und das dritte Fluid verbindet den thermischen Solarkollektor TSK mit dem Wärmespeicher WS thermisch.
Der Wärmespeicher WS kann beispielsweise einen Wassertank und/oder einen Fluidtank enthalten, beispielsweise einen isolierten Wassertank/isolierten Fluidtank. Der Wärmespeicher WS kann beispielsweise durch die Wärmepumpe WP beheizt werden. Der Pfeil zwischen der Wärmepumpe WP und dem Wärmespeicher WS gibt eine mögliche Übertragung von Wärmeenergie von der Wärmepumpe WP zum Wärmespeicher WS an.
Wenn die Temperatur des Wärmespeichers WS unter einen vorgegebenen Schwellenwert fällt, kann beispielsweise bei ausreichender Sonneneinstrahlung/einer ausreichenden Strahlungsintensität auf dem thermischen Solarkollektor Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK über das dritte Fluid in der dritten Fluidverbindung FV3 an den Wärmespeicher WS übertragen werden. Parallel/gleichzeitig hierzu kann thermische Energie vom thermischen Solarkollektor TSK über das erste Fluid in der ersten Fluidverbindung FV1 an den Erdwärmekollektor übertragen werden und der Erdwärmekollektor EWK kann so beispielsweise aufgeladen/regeneriert werden. Falls die Wärmeenergie, die der thermischen Solarkollektor über das zweite Fluid an den Wärmespeicher WS bereitstellt/bereitstellen kann, zum ausreichenden Wärmeübertrag an der Wärmespeicher WS nicht ausreichen sollte, kann zusätzlich oder alternativ die Wärmepumpe WP betrieben werden, um Wärmeenergie an den Wärmespeicher WS zu übertragen. Die Wärmepumpe WP kann gleichzeitig zum Übertragen von Wärmeenergie aus dem thermischen Solarkollektor an den Wärmespeicher und zum Übertragen von Wärmeenergie aus dem thermischen Solarkollektor über das erste Fluid und die erste Fluidverbindung FV1 an den Erdwärmekollektor betrieben werden. Beim Betrieb kann die Wärmepumpe WP beispielsweise mittels Konvektionsfluss des zweiten Fluids in der zweiten Fluidverbindung FV2 Wärmeenergie des Erdwärmekollektors aufnehmen/dem Erdwärmekollektor Wärmeenergie entziehen und/oder Wärmeenergie an den Wärmespeicher übertragen/abgeben. Parallel/gleichzeitig hierzu kann thermische Energie vom thermischen Solarkollektor TSK über das erste Fluid in der ersten Fluidverbindung FV1 an den Erdwärmekollektor übertragen werden und der Erdwärmekollektor EWK kann so beispielsweise aufgeladen/regeneriert werden. Obige Prozesse können beispielsweise von der Steuerungsvorrichtung gesteuert werden.
Das System der 3b entspricht im Wesentlichen dem System der 3a. Zusätzlich enthält das System der 1 b eine Umgehungsverbindung 150. Auf die obigen Ausführungen zur Umgehungsverbindung 150 wird verwiesen. Ausführungen in Bezug auf 3a gelten entsprechend für 3b.
4a zeigt eine Variante des Systems aus 3b, bei der die zweite Fluidverbindung weiterhin mit dem thermischen Solarkollektor verbunden ist und das zweite Fluid den thermischen Solarkollektor TSK mit der Wärmepumpe WP und dem Erdwärmekollektor EWK thermisch verbindet. Dies ermöglicht, dass Wärmeenergie vom thermischen Solarkollektor TSK über das zweite Fluid in der zweiten Fluidverbindung FV2 direkt an die Wärmepumpe WP übertragen werden kann.
4b zeigt eine Variante des Systems aus 3b, bei der die zweite Fluidverbindung weiterhin mit dem thermischen Solarkollektor verbunden ist und das zweite Fluid den thermischen Solarkollektor TSK mit der Wärmepumpe WP und dem Erdwärmekollektor EWK thermisch verbindet, und bei der das System die Verbindung 130 aufweisen kann. Weiterhin können die 4a und 4b die Verbindungen 130 und 140 und die Kreuzungspunkte 110 beispielsweise analog zu 1, wie passend anwendbar, beispielsweise in der zweiten Fluidverbindung FV2 enthalten.
Die Kreuzungspunkte 110 der 4b sind durch Kreise angegeben. Die Kreuzungspunkte 110 sind steuerbar, beispielsweise mittels Sperrschiebern. Der Fluidstrom in einen Kreuzungspunkt kann ganz in eine der Verbindungen strömen, die mit dem Kreuzungspunkt verbunden sind, oder kann zu gleichen oder unterschiedlichen Teilen in mehrere der Verbindungen strömen, die mit dem jeweiligen Kreuzungspunkt verbunden sind. Die Verbindung 130 kann optional sein. Die Verbindung 130 kann ermöglichen, dass lediglich ein Teil des Fluids, der durch die Wärmepumpe strömt, durch den thermischen Solarkollektor TSK strömt, wodurch der Anteil von Wärmeenergie/die Menge von Wärmeenergie, die durch das zweite Fluid in der zweiten Fluidverbindung von dem thermischen Solarkollektor TSK an die Wärmepumpe WP und/oder den Erdwärmekollektor EWK übertragen wird, gesteuert werden kann.
Die obigen Ausführungen gelten analog auch für die 4a und 4b, falls anwendbar.
Die Systeme der 4a und 4b können dazu konfiguriert sein, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK an den Erdwärmekollektor EWK zu übertragen und Wärmeenergie von der thermischen Solarkollektor TSK an den Wärmespeicher WS und/oder an die Wärmepumpe WP zu übertragen. Die Systeme der 4a und 4b können dazu konfiguriert sein, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK an den Erdwärmekollektor EWK zu übertragen und Wärmeenergie von dem Gebäude/dem thermisch aktivierten Bauteil TAB an den Erdwärmekollektor EWK zu übertragen.
Verschiedene mögliche Betriebsmodi der Ausführungsformen, die in den 3a, 3b, 4a und 4b gezeigt sind, werden im Folgenden erläutert. Die Ausführungen zu den 2a, 2b und 2c sind analog anwendbar, falls nichts anderes angegeben ist. Die folgenden Angaben sind nicht als einschränkend zu verstehen, und auch nicht derart, dass zwangsläufig alle Fluidströme angegeben sind. Weitere Fluidströme können möglich sein.
In einem ersten beispielhaften Betriebsmodus strömt das erste Fluid in der ersten Fluidverbindung FV1, beispielsweise mit einem Massestrom m_EWK. Das erste Fluid überträgt mittels Konvektion Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK an den Erdwärmekollektor EWK. Gleichzeitig dazu strömt das zweite Fluid in der zweiten Fluidverbindung FV2, beispielsweise mit einem Massestrom m_TAB und überträgt mittels Konvektion Wärmeenergie von dem thermisch aktivierten Bauteil TAB an den Erdwärmekollektor EWK, und kühlt somit das Gebäude. Die Wärmepumpe kann hierzu im Umkehrbetrieb betrieben werden (aktive Kühlung), oder sie kann ausgeschaltet sein und es findet lediglich eine Zirkulation des zweiten Fluids zwischen dem thermisch aktivierten Bauteil TAB und dem Erdwärmekollektor EWK statt (passive Kühlung).
Gleichzeitig kann das dritte Fluid in der dritten Fluidverbindung FV3 beispielsweise mit einem Massestrom mws zwischen dem thermischen Solarkollektor TSK und dem Wärmespeicher WS strömen und auf diese Wiese Konvektion Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK an den Wärmespeicher WS übertragen.
Der erste Betriebsmodus kann gewählt werden, wenn die Sonneneinstrahlung/die Strahlungsintensität auf dem thermischen Solarkollektor ausreichend ist, um genügend Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK über das dritte Fluid in der dritten Fluidverbindung FV3 zum Wärmespeicher WS zu übertragen, um eine vorbestimmte Solltemperatur des Wärmespeichers WS zu erreichen, und wenn eine Kühlung des Gebäudes notwendig ist/gewünscht wird. Der erste Betriebsmodus kann also beispielsweise im Sommer gewählt werden bzw. bei hohen Außentemperaturen und bei Sonneneinstrahlung.
Beispielsweise wenn die vorbestimmte Solltemperatur des Wärmespeichers erreicht ist, kann der Massestrom mws gleich null sein, d. h., es ist möglich, dass kein Fluidfluss zwischen dem thermischen Solarkollektor TSK und dem Wärmespeicher WS stattfindet, und keine Übertragung von Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK an den Wärmespeicher WS mittels Konvektion stattfindet.
In einem zweiten beispielhaften Betriebsmodus strömt das erste Fluid in der ersten Fluidverbindung FV1, beispielsweise mit einem Massestrom m_EWK. Das erste Fluid überträgt mittels Konvektion Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK an den Erdwärmekollektor EWK. Gleichzeitig dazu strömt das zweite Fluid in der zweiten Fluidverbindung FV2 beispielsweise mit einem Massestrom m_WP und überträgt mittels Konvektion Wärmeenergie von dem Erdwärmekollektor EWK an die Wärmepumpe WP. Die Wärmepumpe ist im zweiten Betriebsmodus angeschaltet, d. h. in Betrieb, und stellt Wärmeenergie bereit. Die Wärmepumpe WP überträgt thermische Energie an den Wärmespeicher WS. Gleichzeitig dazu strömt ein Fluid von dem Wärmespeicher WS an das thermisch aktivierte Bauteil TAB mit einem Massestrom m_TAB und überträgt mittels Konvektion Wärmeenergie vom Wärmespeicher WS an das thermisch aktivierte Bauteil TAB. Das Gebäude wird somit geheizt.
Der zweite Betriebsmodus kann gewählt werden, wenn die Sonneneinstrahlung/die Strahlungsintensität auf dem thermischen Solarkollektor nicht ausreichend ist, um genügend Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK über das dritte Fluid in der dritten Fluidverbindung FV3 zum Wärmespeicher WS zu übertragen, um eine vorbestimmte Solltemperatur des Wärmespeichers WS zu erreichen. Im zweiten Betriebsmodus ist es möglich, dass kein Fluidfluss zwischen dem thermischen Solarkollektor TSK und dem Wärmespeicher WS stattfindet, und dass keine Übertragung von Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK an den Wärmespeicher WS mittels Konvektion stattfindet.
In einem dritten beispielhaften Betriebsmodus strömt das erste Fluid in der ersten Fluidverbindung FV1, beispielsweise mit einem Massestrom m_EWK. Das erste Fluid überträgt mittels Konvektion Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK an den Erdwärmekollektor EWK. Gleichzeitig dazu strömt das zweite Fluid in der zweiten Fluidverbindung FV2 beispielsweise mit einem Massestrom m_WP und überträgt mittels Konvektion Wärmeenergie von dem Erdwärmekollektor EWK an die Wärmepumpe WP. Gleichzeitig dazu strömt das dritte Fluid in der dritten Fluidverbindung FV3 beispielsweise mit einem Massestrom mws und überträgt mittels Konvektion Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK an den Wärmespeicher WS. Gleichzeitig strömt ein Fluid von dem Wärmespeicher WS an das thermisch aktivierte Bauteil TAB mit einem Massestrom m_TAB und überträgt mittels Konvektion Wärmeenergie vom Wärmespeicher WS an das thermisch aktivierte Bauteil TAB. Das Gebäude wird somit geheizt.
Die Wärmepumpe ist im dritten Betriebsmodus angeschaltet, d. h. in Betrieb, und stellt Wärmeenergie bereit. Die Wärmepumpe WP überträgt thermische Energie an den Wärmespeicher WS. Der dritte Betriebsmodus kann gewählt werden, wenn die Sonneneinstrahlung/die Strahlungsintensität auf dem thermischen Solarkollektor nicht ausreichend ist, um genügend Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK über das dritte Fluid in der dritten Fluidverbindung FV3 zum Wärmespeicher WS zu übertragen, um eine vorbestimmte Solltemperatur des Wärmespeichers WS zu erreichen, aber dennoch ausreichend ist, eine gewisse Menge Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor TSK über das dritte Fluid in der dritten Fluidverbindung FV3 zum Wärmespeicher WS zu übertragen
Eine Steuerungsvorrichtung (in den 3, 4a, 4b nicht gezeigt) kann Betriebsmodi gemäß den entsprechenden Bedingungen wählen, beispielsweise basierend auf einer Strahlungsintensität auf dem TSK, einer Außentemperatur, einer Temperatur im Erdwärmekollektor, einer Temperatur im Wärmespeicher, einer Temperatur im thermisch aktivierten Bauteil TAB, und/oder einem aktuellen Verbrauch von Wärmeenergie, und/oder basierend auf Vorhersagen dieser Werte. Die Übertragung von Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor an den Wärmespeicher WS mittels Konvektionsflusses des dritten Fluids kann gegenüber dem Übertragen von Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor an den Erdwärmekollektor mittels Konvektionsflusses des ersten Fluids und gegenüber dem Betreiben der Wärmepumpe WP/dem Übertragen von Wärmeenergie von dem Erdwärmekollektor EWK an die Wärmepumpe mittels Konvektionsflusses des zweiten Fluids bevorzugt sein, d. h. es kann der Übertragung von Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor an den Wärmespeicher WS mittels Konvektionsflusses des dritten Fluids eine höhere Priorität eingeräumt werden.
Die Begriffe „thermische Energie“ und „Wärmeenergie“ und „Wärme“ werden im Rahmen dieser Offenbarung synonym zueinander verwendet, sofern nichts anderes angegeben ist. Die Begriffe „kühlen“ und „Wärmeenergie bereitstellen/abgeben“ werden im Rahmen dieser Offenbarung synonym zueinander verwendet, sofern nichts anderes angegeben ist. Die Begriffe „aufheizen“/„erwärmen“ und „Übertragen von Wärmeenergie“ werden im Rahmen dieser Offenbarung synonym zueinander verwendet, sofern nichts anderes angegeben ist.
In der gesamten Beschreibung, einschließlich der Schutzansprüche, ist der Begriff „umfassend/enthaltend einen“ als Synonym für „umfassend/enthaltend mindestens einem“ zu verstehen, sofern nichts anderes angegeben ist. Darüber hinaus ist jeder in der Beschreibung einschließlich der Schutzansprüche angegebene Bereich so zu verstehen, dass er seinen Endwert bzw. seine Endwerte einschließt, sofern nichts anderes angegeben ist. Spezifische Werte für beschriebene Elemente sollten so verstanden werden, dass sie innerhalb der akzeptierten Herstellungs- oder Industrietoleranzen liegen, die einem Fachmann bekannt sind, und jede Verwendung der Begriffe „im Wesentlichen“ und/oder „ungefähr“ und/oder „im Allgemeinen“ sollte so verstanden werden, dass sie innerhalb dieser akzeptierten Toleranzen liegen.
Obwohl die vorliegende Offenbarung hier unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, sind diese Ausführungsformen lediglich zur Veranschaulichung der Prinzipien und Anwendungen der vorliegenden Offenbarung gedacht.
Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft betrachtet werden, wobei der wahre Umfang der Offenbarung durch die folgenden Schutzansprüche angegeben ist.
Eine Bezugnahme auf ein Patentdokument oder ein anderes Dokument, das als Stand der Technik bezeichnet wird, ist nicht als Eingeständnis zu werten, dass das Dokument oder der sonstige Gegenstand bekannt war oder dass die darin enthaltenen Informationen zum Zeitpunkt der Priorität eines der Schutzansprüche zum allgemeinen Wissen gehörten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102022116248 B3 [0006]

Claims

Heiz- und Kühlsystem, das dazu konfiguriert ist, ein Gebäude zu heizen und/oder zu kühlen, wobei das System umfasst: eine Wärmepumpe (WP), die dazu konfiguriert ist, dem Gebäude Wärmeenergie bereitzustellen, einen Erdwärmekollektor (EWK), der dazu konfiguriert ist, Wärmeenergie abzugeben, und der dazu konfiguriert ist, Wärmeenergie aufzunehmen, einen thermischen Solarkollektor (TSK), der dazu konfiguriert ist, Wärmeenergie abzugeben, ein Zweiverbindungssystem, das ein erstes Fluid in einer ersten Fluidverbindung (FV1) und ein zweites Fluid in einer zweiten Fluidverbindung (FV2) enthält, wobei die erste Fluidverbindung (FV1) mit dem thermischen Solarkollektor (TSK) und dem Erdwärmekollektor (EWK) verbunden ist und das erste Fluid den thermischen Solarkollektor (TSK) mit dem Erdwärmekollektor (EWK) thermisch verbindet, wobei die zweite Fluidverbindung (FV2) mit dem Erdwärmekollektor (EWK) und der Wärmepumpe (WP) verbunden ist und das zweite Fluid den Erdwärmekollektor (EWK) mit der Wärmepumpe (WP) thermisch verbindet, wobei das Heiz- und Kühlsystem dazu konfiguriert ist, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor (TSK) an den Erdwärmekollektor (EWK) zu übertragen und Wärmeenergie an die Wärmepumpe (WP) zu übertragen, wobei das Heiz- und Kühlsystem dazu konfiguriert ist, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor (TSK) an den Erdwärmekollektor (EWK) zu übertragen und Wärmeenergie von dem Gebäude an den Erdwärmekollektor (EWK) zu übertragen.
Heiz- und Kühlsystem gemäß Anspruch 1, wobei das System ein thermisch aktiviertes Bauteil (TAB) umfasst, wobei das System dazu konfiguriert ist, Wärmeenergie an das thermisch aktivierte Bauteil (TAB) zu übertragen, wobei das System dazu konfiguriert ist, Wärmeenergie von dem thermisch aktivierten Bauteil (TAB) zu entnehmen.
Heiz- und Kühlsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das System dazu konfiguriert ist, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor (TSK) an den Erdwärmekollektor (EWK) zu übertragen und Wärmeenergie an das thermisch aktivierte Bauteil (TAB) zu übertragen, und wobei das System dazu konfiguriert ist, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor (TSK) an den Erdwärmekollektor (EWK) zu übertragen und Wärmeenergie von dem thermisch aktivierten Bauteil (TAB) zu entnehmen
Heiz- und Kühlsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das System dazu konfiguriert ist, Wärmeenergie von dem Gebäude und/oder von dem thermisch aktivierten Bauteil (TAB) an den Erdwärmekollektor (EWK) zu übertragen, ohne dass die Wärmepumpe (WP) in Betrieb ist.
Heiz- und Kühlsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das System weiterhin einen Wärmespeicher (WS) umfasst, wobei der Wärmespeicher (WS) mit der Senkenseite der Wärmepumpe (WP) thermisch verbunden ist, wobei der thermische Solarkollektor (TSK) mit dem Wärmespeicher (WS) thermisch verbunden ist, wobei das System dazu konfiguriert ist, gleichzeitig Wärmeenergie von dem thermischen Solarkollektor (TSK) an den Erdwärmekollektor (EWK) und an den Wärmespeicher (WS) zu übertragen.
Heiz- und Kühlsystem gemäß Anspruch 5, wobei ein Fluid den thermischen Solarkollektor (TSK) mit dem Wärmespeicher (WS) thermisch verbindet.
Heiz- und Kühlsystem gemäß einem der Ansprüche 5 bis 6, wobei die zweite Fluidverbindung (FV2) weiterhin mit dem thermischen Solarkollektor (TSK) und dem Wärmespeicher (WS) verbunden ist und das zweite Fluid den thermischen Solarkollektor (TSK) mit dem Wärmespeicher (WS) thermisch verbindet, oder wobei das Zweiverbindungssystem weiterhin ein drittes Fluid in einer dritten Fluidverbindung (FV3) enthält und wobei die dritte Fluidverbindung (FV3) mit dem thermischen Solarkollektor (TSK) und dem Wärmespeicher (WS) verbunden ist und das dritte Fluid den thermischen Solarkollektor (TSK) mit dem Wärmespeicher (WS) thermisch verbindet.
Heiz- und Kühlsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das System weiterhin eine Steuerungsvorrichtung umfasst, wobei die Steuerungsvorrichtung dazu konfiguriert ist, eine Menge von Wärmeenergie, die von dem thermischen Solarkollektor (TSK) an den Erdwärmekollektor (EWK) übertragen wird, und eine Menge von Wärmeenergie, die an die Wärmepumpe (WP) übertragen wird, jeweils zu steuern, wobei die Steuerungsvorrichtung ferner dazu konfiguriert ist, eine Menge von Wärmeenergie, die von dem thermischen Solarkollektor (TSK) an den Erdwärmekollektor (EWK) übertragen wird, und eine Menge von Wärmeenergie, die von dem Gebäude an den Erdwärmekollektor (EWK) übertragen wird, jeweils zu steuern.
Heiz- und Kühlsystem gemäß Anspruch 8, wobei die Steuerungsvorrichtung ferner dazu konfiguriert ist, eine Menge von Wärmeenergie, die an den Wärmespeicher (WS) übertragen wird, zu steuern.
Heiz- und Kühlsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die zweite Fluidverbindung (FV2) mit der Quellenseite der Wärmepumpe (WP) verbunden ist, und wobei das zweite Fluid den Erdwärmekollektor (EWK) mit der Quellenseite der Wärmepumpe (WP) thermisch verbindet.
Heiz- und Kühlsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die zweite Fluidverbindung (FV2) weiterhin mit dem thermischen Solarkollektor (TSK) thermisch verbunden ist und das zweite Fluid den thermischen Solarkollektor (TSK), den Erdwärmekollektor (EWK), die Wärmepumpe (WP) und das thermisch aktivierte Bauteil (TAB) thermisch miteinander verbindet.
Heiz- und Kühlsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die erste Fluidverbindung (FV1) und die zweite Fluidverbindung (FV2) jeweils geschlossene Fluidverbindungen sind, und wobei die erste und die zweite Fluidverbindung (FV1, FV2) jeweils voneinander getrennt sind.
Heiz- und Kühlsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der thermische Solarkollektor (TSK) ein PVT-Kollektor ist, der dazu konfiguriert ist, elektrische Energie bereitzustellen, wobei das System vorzugsweise dazu konfiguriert ist, die bereitgestellte elektrische Energie zum Betreiben der Wärmepumpe (WP) zu verwenden.
Heiz- und Kühlsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Durchschnittstemperatur des ersten Fluids höher ist als die Durchschnittstemperatur des zweiten Fluids.
Heiz- und Kühlsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Erdwärmekollektor (EWK) ein horizontaler Erdwärmekollektor ist, und wobei die erste Fluidverbindung (FV1) und die zweite Fluidverbindung (FV2) horizontale Bereiche unter der Erdoberfläche enthalten, oder wobei der Erdwärmekollektor (EWK) ein vertikaler Erdwärmekollektor ist, und wobei die erste Fluidverbindung und die zweite Fluidverbindung vertikale Bereiche unter der Erdoberfläche enthalten.
Heiz- und Kühlsystem gemäß Anspruch 15, wobei der horizontale Erdwärmekollektor (EWK) eine thermische Isolation enthält, wobei die Isolation im Wesentlichen horizontal im Erdreich oder an der Oberfläche des Erdreichs angeordnet ist, wobei die Isolation vorzugsweise in einem Bereich von 30cm - 1m oberhalb von oberen horizontalen Bereichen der ersten Fluidverbindung (FV1) und der zweiten Fluidverbindung (FV2) angeordnet ist, vorzugsweise in einem Bereich von 30cm - 75cm, stärker bevorzugt in einem Bereich von 40cm - 60cm.
Heiz- und Kühlsystem gemäß einem der Ansprüche 15 bis 16, wobei die horizontalen Bereiche der zweiten Fluidverbindung (FV2) in dem horizontalen Erdwärmekollektor (EWK) oberhalb der horizontalen Bereiche der ersten Fluidverbindung (FV1) angeordnet sind, und wobei die horizontalen Bereiche der zweiten Fluidverbindung (FV2) von horizontalen Bereichen der ersten Fluidverbindung (FV1) in Tiefenrichtung in einem Abstandsbereich von 20cm - 1,5m beabstandet sind, bevorzugt in einem Abstandsbereich von 30cm - 1m, stärker bevorzugt in einem Abstandsbereich von 30cm - 70cm, noch stärker bevorzugt in einem Abstandsbereich von 40cm - 60cm.
Heiz- und Kühlsystem gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei Bereiche der ersten Fluidverbindung (FV1) und Bereiche der zweiten Fluidverbindung (FV2) des horizontalen Erdwärmekollektors (EWK) horizontal in einem Tiefenbereich von 1m - 3m unterhalb der Erdoberfläche angeordnet sind, vorzugsweise in einem Tiefenbereich von 1,25m - 2,5m.
Heiz- und Kühlsystem gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei der horizontale Erdwärmekollektor (EWK) eine Fläche von unter 100% der Gebäudefläche eines Gebäudes aufweist, vorzugsweise unter 75%, stärker bevorzugt unter 66%, noch stärker bevorzugt unter 50%.
Heiz- und Kühlsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei der Erdwärmekollektor (EWK) lehmhaltigen Boden enthält.
Heiz- und Kühlsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die erste Fluidverbindung (FV1) und/oder die zweite Fluidverbindung (FV2) und/oder die dritte Fluidverbindung (FV3) jeweils ein Material enthält, das einen Wärmeleitungskoeffizienten von oberhalb von 0,5W/(m*K) aufweist, bevorzugt von oberhalb von 1W/(m*K), stärker bevorzugt von oberhalb von 2W/(m*K), noch stärker bevorzugt von oberhalb von 5W/(m*K) oder 10W/(m*K) oder 20W/(m*K) oder 50W/(m*K).
Heiz- und Kühlsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die erste Fluidverbindung (FV1) und/oder die zweite Fluidverbindung (FV2) und/oder die dritte Fluidverbindung (FV3) jeweils ein Metall enthalten, wobei die erste Fluidverbindung (FV1) und die zweite Fluidverbindung (FV2) vorzugsweise eine korrosionsbeständige Legierung enthält.