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Zusammenfassung
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Wärmepumpe
zur Raumheizung und zur Warmwasserbereitung und mit Erdreich als
Wärmequelle
für den
Verdampfer und Sole als Trägermedium
der Erdreichwärme,
sowie der direkten Nutzung der Sole im Sommer zur Luftkühlung und
mit Unterstützung
durch Umschaltung der Sonden auf Kühlbetrieb, indem die Sole in
mindestens zwei Sonden (11) und (12) geführt wird,
von denen mindestens eine (11) im Sommer durch Umschaltung
mittels Dreiwegeventilen (18) und (19) zur Nutzung
der Sole als Kühlmedium
in einem oder mehreren Luftkühlern (20)
und mindestens eine weitere durch Umschaltung mittels Dreiwegeventilen
(16) und (17) zur Nutzung als Wärmesenke
für die
im Verflüssiger
(7) anfallende Verflüssigungswärme bei
Wärmepumpen-Kühlbetrieb
durch Umschaltung des Dreiwegeventils 24 auf einen Heizungswasser-Sole-Wärmeübetrager
vorgesehen sind.
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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe
zum Heizen und zur Warmwasserbereitung während der Heizperiode, zur
Warmwasserbereitung außerhalb der
Heizperiode und zur Warmwasserbereitung und Luftkühlung in
der warmen Jahreszeit.
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Wärmepumpen
sind ökologisch
vorteilhafte Heizgeräte,
indem sie die bei verhältnismäßig geringer
Temperatur anfallende Umweltwärme
aus Oberflächen- oder Grundwasser,
Luft, Erdreich oder anderen Wärmequellen
auf ein für
die Raumheizung erforderliches Temperaturniveau durch Zuführung technischer
Arbeit anheben, wobei die dafür
aufgewendete technische Arbeit nur ein Bruchteil der Arbeit für die gesamte
Heizleistung ausmacht. Der größere Anteil wird
durch die Umweltenergie aufgebracht.
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Die Wärmepumpen basieren auf einem
Prozesskreislauf, der dem einer Kältemaschine entspricht, jedoch
wird im Gegensatz zu dieser in der einfachsten Ausführung die
warme Seite zur Gewinnung der Heizenergie genutzt und die Energie
der kalten Seite aus der Umgebung oder einer anderen niedertemperaturigen
Wärmequelle
entnommen. Der Aufbau der Grundschaltung der Wärmepumpe besteht aus dem Verdichter,
der das Prozessmedium, im allgemeinen Kältemittel genannt, verdichtet,
dem Heizverflüssiger,
in dem das Kältemittel
bei einer Temperatur verflüssigt
wird, die über
der erforderlichen Heizungsvorlauftemperatur liegt oder bei direkter
Heizung durch das Kältemittel
dieser entspricht. Dann folgen im Kreislauf das Expansionsventil
und der Verdampfer, aus dem das verdampfte Kältemittel wieder zum Verdichter
gelangt. Die Verdampfungsenergie nimmt der Verdampfer aus einer
der o.g. geeigneten Wärmequellen
auf.
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Für
die Heizung von Einfamilienhäusern
und ihnen entsprechenden ähnlichen
Heizobjekten hat sich bei mitteleuropäischen Klimaverhältnissen
vorteilhaft als Wärmequelle
das Erdreich erwiesen, wobei der Wärmeentzug aus dem Erdreich
sowohl mit direkter Verdampfung in einem Erdreichverdampfer oder
mit einem zwischengeschalteten Solekreislauf üblich ist. Die Sole strömt dabei
in Erdsonden zwischen dem Verdampfer und dem Erdreich in Erdsonden
in einem geschlossenen Kreislauf. Die Sonden können vertikal, horizontal oder
in jedem beliebigen Winkel im Erdreich angeordnet sein. Es gibt
darüber hinaus
Anlagen, die auch die Warmwasserbereitung für den Haushalt von der Wärmeleistung
der Heizwärmepumpe
abzweigen, entweder durch Reihen- oder Parallelschaltung der dafür benötigten Wärmeübertrager,
die außerhalb
oder innerhalb eines Warmwasser-Speicherbehälters angeordnet sein können.
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Als weitere Möglichkeit ist bekannt, die
Wärmepumpe
in der warmen Jahreszeit zur Raumkühlung zu nutzen, indem insbesondere
bei Luft oder Wasser als Wärmequelle
die Umschaltung des Prozesskreislaufes in der Weise erfolgt, daß die Verflüssigerwärme in die
Umgebung abgegeben wird und die Raumheizer als Kühler benutzt werden. Bei dieser
Variante müssen
Vorkehrungen getroffen werden, um die Kondenswasserbildung am Kühler zu vermeiden
oder sicher abzuführen.
Dieses System wird für
Luft-Luft-Wärmepumpen
mit Kühlfunktion
bevorzugt angewendet.
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Für
Wärmepumpen
mit Edreich bzw. Erdreich-Sole oder Wasser als Wärmequelle ist eine Umschaltung
derart üblich,
die Verflüssigung
in der warmen Jahreszeit nicht im Heizwärmeübertrager vorzunehmen, sondern
das zu verflüssigende
Medium durch Umschaltung eines Dreiwegeventils in der Druckleitung
der Wärmepumpenverdichter
zu einem luft- oder wassergekühlen
Verflüssiger
zu führen
und dann verflüssigt
im ursprünglichen
System weiter zu führen.
Der an den Verdampfer angeschlossene Solekreislauf wird dabei nicht
in das Erdreich geführt, sondern
zu den Luftkühlern
an den Külstellen.
Dieses System benötigt
den zusätzlichen
Verflüssiger
und die Umschalttechnik. Die Erdsonde bleibt dabei unbenutzt.
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Eine andere bekannt gewordene Möglichkeit mit
geringerem Kosten- und Energieaufwand besteht darin, den Solekreislauf
in der warmen Jahreszeit direkt einem Luftkühler zuzuführen, indem die gegenüber der
Raumtemperatur kältere
Sole die Raumwärme
aufnimmt und bei der Rückströmung in
das Erdreich diese dabei an das um die Sonde herum befindliche Erdreich
abgibt. Das führt
zu einer allmählichen Erwärmung des
Erdreiches bis zum Erreichen eines Beharrungszustandes, der in Abhängigkeit
von der Wärmeeinbringung
und den Wärmeleitbedingungen des
Erdreiches bei Temperaturen liegen kann, die keine ausreichend effektive
Kühlung
mehr erlauben. Damit bietet dieses System zwar eine Behandlung der
zu kühlenden
Luft, aber bestimmte Sollwerte sind meist nur bei begrenztem Kühlleistungsbedarf
oder bei großen
Wärmeübertragerflächen in
den Luftkühlern,
verbunden mit mehr bzw. größeren Sonden
als es für
den Heizbetrieb im Winter erforderlich ist, zu realisieren. Damit
ist die prinzipielle Anwendbarkeit dieser Lösung und ihre Wirtschaftlichkeit
auf Sonderfälle
begrenzt.
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Deshalb wurde eine weitere Variante
geschaffen, die darin besteht, die direkte Nutzung des Wärmeeintrages
in das Erdreich mit dem Wärmeeintrag
in den Verdampfer der Wärmepumpe
zu kombinieren, indem die Sole nach dem Verlassen des Luftkühlers im
erwärmten
Zustand nicht nur durch die Sonde im Erdreich, sondern zusätzlich durch
den Verdampfer der Wärmepumpe
strömt
und durch Betrieb der Wärmepumpe
im Kühlbetrieb
auf die erforderliche Temperatur abgekühlt wird. Zur Abführung der
Verflüssigerwärme dient
wiederum ein zusätzlich vorgesehener
luft- oder wassergekühlter
Verflüssiger,
der durch Umschaltung eines Dreiwegeventils anstelle des Heizverflüssigers
in den Prozeßkreislauf eingebunden
wird.
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Die Verfügbairkeit von Kühlwasser
für den zusätzlichen
Verflüssiger
ist meist nicht gegeben, so daß der
Luftkühlung
der Vorzug gegeben werden muß.
Durch die Notwendigkeit von dessen Aufstellung meist im Außenbereich
eines Wohngebäudes ergibt
sich das Platzproblem zu dessen Aufstellung und zusätzlich tritt
eine Belastung der Umwelt durch den bei Luftkühlung unvermeidlichen Schallpegel des Lüfters auf.
Damit ist auch diese Lösung,
abgesehen von den zusätzlichen
Kosten des Verflüssigers,
nicht immer anwendbar.
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Das kann umgangen werden, indem für die Nutzung
der Erdwärme
als Wärmequelle
die erforderlichen Sondenabmessungen auf mindestens zwei parallel
geschaltete Sonden aufgeteilt werden. Im Heizbetrieb wird die Sole
aller Sonden dem Verdampfer zugeführt, um die von ihr aufgenommene Erdwärme maximal
zu nutzen.
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Für
den Kühlbetrieb
wird die Sole von mindestens einer der zwei oder mehr installierten
Sonden weiterhin durch den Verdampfer geführt, danach aber nicht direkt
zurück
in das Erdreich, sondern auf einem Umweg durch den oder die Luftkühler zur Raumkühlung. Dabei
nimmt die Sole die aus dem zu kühlenden
Raum abzuführende
Wärmeenergie
auf und fördert
diese in das Erdreich, um sie an dieses abzugeben und im abgekühlten Zustand
wieder zum Luftkühler
zu gelangen. Die Wärmequelle
wird zur Wärmesenke.
Dabei handelt es sich um einen zeitlich veränderlichen Vorgang, d.h. das
Erdreich um die Sonde erwärmt
sich bis zu einem Beharrungszustand und die Wärmeaufnahmekapazität des Erdreiches
reduziert sich. Um trotzdem den gewünschten Kühleffekt zu erreichen, wird
bei Bedarf entsprechend der Solltemperatur des zu kühlenden
Raumes der Wärmepumpenprozesskreislauf
eingeschaltet, durch den der Sole im Verdampfer zusätzlich Wärme entzogen
wird, wodurch sie sich auf die erforderliche Temperatur abkühlt. Danach
wird der Prozesskreislauf wieder stillgesetzt. Da in dieser Verfahrensweise mit
dem dynamischen Verhalten das Erdreich um die Sonde herum auch eine
Speicherfunktion übernimmt,
kann einlangzeitig stabiler Betrieb gesichert werden.
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Die dabei anfallende Verflüssigerwärme wird im
erforderlichen Maße
weiter zur Warmwasserbereitung genutzt, der größere Anteil ist aber dabei
ungenutzt und bedarf eines zusätzlichen
Verflüssigers. Dafür wird nun
erfindungsgemäß der Solekreislauf mit
mindestens einer der installierten Sonden genutzt, indem durch Umschaltung
des Soleflusses und des Kältemittels
ein zusätzlicher
Verflüssigerkreis
mit einem als Sommerverflüssiger
bezeichneten Kältemittel-Sole-Verflüssiger mit
dem Erdreich als Wärmesenke
gebildet wird. Damit kann die Verflüssigung des Kältemittels
mit einem wesentlich kostengünstigern
Verflüssiger
als bei der üblichen
Luftkühlung, sowie
mit geringerem Energieaufwand für
die Verflüssigung
und ohne Schallbelastung der Umgebung erfolgen. Diese Lösung ist
im GM ... dargelegt.
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Der Vorteil dieser Lösung besteht
in der komplett vorhandenen Heiz- und Kühlfunktion der Wärmepumpe.
Als nachteilig erweist sich dabei die kältetechnische Prozessumschaltung
mit zusätzlichem Umschaltventil
und Einrichtungen zur Verhinderung von unerwünschten Kältemittelverlagerungen bei Funktionsumschaltung.
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Es wurde deshalb nach einer Lösung gesucht,
die die Nachteile der angeführten
Systeme überwindet
und seine Vorteile nutzt, indem ein hohes technisches und wirtschaftliches
Niveau der Heizung, Warmwasserbereitung und Kühlung gewährleistet werden kann.
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Erfindungsgemäß wurde die Aufgabe mit den
Maßnahmen
des Anspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 4 enthalten.
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Mit der Erfindung wird im angegebenen
Anwendungsfall während
der Heizperiode der Heizleistungsbedarf im gesamten Bedarfsspektrum
eines Jahres gedeckt. Die Warmwasserbereitung erfolgt bedarfsgerecht
zu allen Jahreszeiten und während der warmen
Jahreszeit wird der Wohnbereich bedarfsgerecht gekühlt. Dabei
kann als wesentlichem Vorteil auf die Umschaltung des Kältekreislaufes
verzichtet werden.
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Mittels einer geeigneten Regelung
des Prozesses wird immer vorzugsweise der passive Solekreislauf
mit dem Erdreich als Wärmesenke
zur Raumkühlung
benutzt und erst bei einem darüber
hinaus gehendem Kältebedarf
der aktive Kühlprozeß zugeschaltet,
wobei die Verflüssigung
weiterhin mit dem Heizungswasser erfolgt, das jedoch statt in dien Heizkreislauf
zu einem weiteren Wärmeübertrager geführt wird,
der die Wärme
in den Erdwärmekreislauf
der zweiten Sonde abgibt. Das ist in Verbindung mit der allgemein
bei Flüssigkeitskühlung erreichbaren
niedrigeren Verflüssigungstemperatur
ein weiteres wesentliches Element der Energieeinsparung gegenüber der
luftgekühlten
Verflüssigung.
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In einer Abwandlung der Lösung kann
die Wärme
auch ohne Zwischenschaltung eines Wärmeübertragers direkt in eine zusätzliche
Erdsonde für Wasserbetrieb
abgegeben werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
wird an Hand der 1 und 2 erläutert.
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Die 1 zeigt:
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- das Funktionsschema der Erdreich-(Sole)-Wasser-Wärmepumpe
mit Warmwasserbereitung und Sonden-Umschaltung zum Kühlen in
der warmen Jahreszeit.
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Die 1 zeigt:
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- Das Funktionsschema nach 1 mit Zusatzsonde für die Verflüssigungswärme bei Sommerbetrieb.
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Im Heizmodus mit Warmwasserbereitung wird
das Kältemittel
vom Verdichter 6 zum Verflüssiger 7 , zum Expansionsventil 8 und
zum Verdampfer 9 gefördert,
von wo aus es wieder vom Verdichter 6 angesaugt wird. Der
Kreislauf ist geschlossen. Der Verflüssiger 7 gibt die
Verflüssigungswärme an das Heizungswasser
ab, das von der Pumpe 10 in den Heizkreislauf, z. B. eine
Fußbodenheizung 1 gefördert wird.
In einem Sekundärkreislauf
aus Wärmeübertrager 2 und
Pumpe 21 wird die Wärme
entnommen, die im Speicher 3 benötigt wird, um die Warmwasserbereitung
durchzuführen.
Dazu gehört
die Pumpe 21 sowie die Verbraucherseite 4 mit
der Zirkulationspumpe 23. Zusätzlich ist für den Bedarf
an höhertemperaturigem
Wasser bzw. für
die Schnellaufheizung ein elektrischer Zusatzheizer 5 angeordnet.
Durch eine Warmwasservorrangschaltung außerhalb des Heizbetriebes wird
in diesem Betriebszustand der Heizkreislauf umgangen.
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Am Verdampfer sind die beiden Erdsonden 11 und 12 angeschlossen,
die im Heizmodus die Verdampfungsenergie mittels der in ihnen strömenden Sole,
die von der Solepumpe 13 gefördert wird, an das Erdreich
leiten.
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In der warmen Jahreszeit wird das
System auf Kühlbetrieb
umgeschaltet. Dazu leitet das 3/2-Wegeventil 24 die Verflüssigungswärme des
Heizungswassers an den Wärmeübertrager 15,
der über die
ebenfalls umzustellenden Ventile 16 und 17 an die
Sonde 11 angeschlossen wird. Die Pumpe 14 fördert die
Sole dann über
den Wärmeübertrager 15 in die
Sonde 11. Die 3/2-Wegeventile 18 und 19 werden so
umgeschaltet, daß die
Sole von der Solepumpe 13 nach dem Passieren des Verdampfers 9 zum
Rumluftkühler 20 und
dann wieder in das Erdreich gelangt. Der Raumkühler 20 nimmt die
abzuführende Raumwärme auf, überträgt sie an
die Sole in der Sonde 12 und fördert sie in das Erdreich.
Sobald das Erdreich so weit erwärmt
ist, daß die
gewünschte Raumtemperatur
nicht mehr eingehalten werden kann, wird der Kältekreislauf mit dem Verdichter 6 zugeschaltet.
Die Verflüssigerwärme des
Kältemittels gelangt
zum Wärmeübertrager 15 und
wird an die Sole der Sonde 11 und von dieser an das Erdreich übertragen.
Durch das Einschalten der Wärmepumpe
wird die Sole der Sonde 12 zusätzlich für den Betrieb des Luftkühlers 20 abgekühlt. In
diesem Betriebsmodus wird wie beim Heizbetrieb die Warmwassererwärmung im
Wärmeübertrager 2 durchgeführt, der
nach Erreichen der Solltemperatur durch Abschalten der Pumpen 21 und 22 außer Betrieb
genommen wird. Nach Erreichen der unteren Temperaturgrenze der Luft
des zu kühlenden
Raumes wird der Verdichter 1 wieder ausgeschaltet und die
Sole läuft
ohne Zusatzkühlung
durch den Verdampfer 10. Die Speicherfunktion des um die
Sonde 12 befindlichen Erdreiches gewährleistet einen stabilen Betrieb ohne
zu häufige
Verdichterschaltzyklen und ohne zu große Temperaturschwankungen.
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Eine weitere Variante ergibt sich,
wenn man entsprechend 2 zusätzlich die
Sonde 25 für
die Einbringung der Verflüssigungswärme in das
Erdreich anordnet und über
das Umschaltventil 24 in den Heizkreis so einbindet, dass
die Heizung umgangen wird. Dann können mit geringerem Umschaltaufwand am
Umschaltventil 18 beide Sonden zur direkten Kühlung mit
der Erdkühle
benutzt werden und in der Sonde 25 wird die Verflüssigungswärme eingebracht, wenn
eine Zusatzkühlung
durch den Kältekreislauf erforderlich
ist. Diese Lösung
ist vorzugsweise dann zweckmäßig, wenn
infolge ausreichender Kapazität für die Heizfunktion
nur eine Sonde verfügbar
ist.
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Die Sonden für Heizen und Kühlen sollten wegen
des unterschiedlichen Temperaturniveaus nicht zu dicht nebeneinander
angeordnet werden.