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Titel: Wärmepumpen - Speichersystem Anwendungsgebiet: Einrichtung
zur höchstmöglichen Wärmerückgewinnung und Speicherung über die Wärmepumpe, vorgesehen
für den ganzjährige Einsatz in Haushalt und Gewerbe.
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Zweck: wiird Elektroenergie zur Beheizung von Räumen eingesetzt, so
wird z.Zt. fast ausschließlich die elektr. Widerstandsheizung, also die direkte
Umwandlung von Elektroenergie in Wärmeenergie, gewählt. Die Wirtschaftlichkeit ist
begrenzt, bei Nachtstromspeicherung sind gewisse Vorteile zu erkennen.
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Der Einsatz von Wärmepumpen bietet sich an, da der ärmegewinn ein
vielfaches der aufgewendeten Antriebsenergie entspricht. Sollte die Möglichkeit
bestehen, mittels Nachtstrom über die Wärmepumpe Energie zu speichern, so tritt
die besondere Wirtschaftlichkeit dieses Systemes ganz klar in den Vordergrund.
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Der Einsatz der Wärmepumpe ist nicht ganz unproblematisch, da bei
tiefen Außentemperaturen (während der Eeizperiode) nicht immer geeignete wärmeträger
zur Verfügung stehen. Die Wärmeentnahme aus dem wasser, sei es Fluß-Grund-Stadtwasser,
ist begrenzt möglich, da von seiten der Behörde mit gewissen Auflagen gerechnet
werden muß, bezw. die Entnahme von Grundwasser nicht erlaubt wird. Stadtwasser scheidet
aus fiostengründen aus, Flußwasser steht in den seltensten Fällen zur Verfügung.
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Die Wärmeentnahme aus der Luft ist möglich, jedoch ist die Leistungsziffer
der Wärmepumpe bei tiefen Außentemperaturen nicht besonders überzeugend. Es wurden
zwar Anlagen mit Elektro-Zusatzheizung gebaut, äedoeh wäre auch hier eine Verbesserung
der Wirtschaftlichkeit in Erwägung zu ziehen.
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Aufgabe: Wärmepumpensystem, bei dem so wenig wie möglich Slektroenergie
direkt in Wärme umgesetzt wird, und soviel wie möglich über die tfärmepumpe Wärme
oder Kälte gespeichert wird, bei höchstmöglichem Wärmerückgewinn der Verbraucher
aus dem Haushalt.
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Lösung Alle Abwasser, ausgenommen Fäkalien, werden über einen Speicher
geleitet. Von dort aus wird automatisch über die Wärmepumpe diese Energie in weitere
Speicherbehälter geleitet.
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Ilier steht nun Warmwasser direkt für die Heizkörper zur Verfügung.
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Sollte nach einer gewissen Zeit der Entladung die iJassertemperatur
nicht mehr ausreichen, so werden die VJasserkreisläufe umgeschaltet, und Wärme dem
Speicher über die Wärme pumpe entzogen.
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Durch Hinzugabe von Frostschutz in den gesamten 'xJasserkreislauf,
einschließlich Speicher, besteht nun die W;öglichkeit, Wärme bis weit unter +0°O
zu entziehen. Bei dieser Betriebsweise (-.Järmeentzug aus dem Speichersystem) dient
ein Behälter als Puffer, um zu kurze Laufzeiten der Wärmepumpe zu verhindern. Darüber
hinaus ist sichergestellt, daß die wärmepumpe auch bei geringerem Wärmebedarf von
seiten der Verbraucher, unter Vollast läuft und somit die bestmögliche Wirtschaftlichkeit
gewährleistet ist.
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Der Wärmeentzug über das Speichersystem wird in der Regel dann angewendet,
wenn die Außentemperatur recht tief ist, und auf die Elektro-Zusatzheizung verzichtet
werden soll.
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Sollte die ärmespeicherung total erschöpft sein, und keine Abwasser
zur Verfügung stehen, wird wärme aus der Luft entzogen. Ebenfalls wird zur ersten
Aufladung des Systemes die Wärme der Außenatmosphäre entnommen. Dieser Zeitpunkt
der Aufladung kann mit Ueberlegung gewählt und so gelegt werden, daß die Anlage
a.) mit Tagstrom und aufgrund der höheren Außentemperatur mit relativ guter Leistungsziffer
arbeitet b.) mit günstigem Nachtstrom und, bedingt durch die in der Regel tieferen
Außentemperaturen, mit etwas schlechterer Leistungsziffer arbeitet.
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Je nach Auslegung der Anlage sind diese Speichermöglichkeiten klar
überschaubar und mittels Automatik problemlos und wirtschaftlich einstellbar.
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Erzielbare Vorteile: (Winterbetrieb) Höchstmögliche Wirtschaftlichkeit
durch Wärmerückgewinn und 2-stufiger Speicherung durch spezielle Schaltung der Wärmepumpe
und der Speicher.Elektro-Heizung nur in Notfällen erforderlich (Sommerbetrieb) +
0 Durch "Kältespeicherung" bis weit unter +o°O bestmögliche Wirtschaftlichkeit der
Anlage.
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Beschreibung eines Ausführungsbeispieles entsprechend beiliegendem
Schema ;;ärmetauscher A entzieht dem Abwasser die Wärme. Durch die besondere Konstruktion
setzen sich die Verunreinigungen im Sumpf des Behälters ab und werden nach Abkühlung
und erfolgtem Wärmeentzug durch das übrige, bereits etwas geklärte wasser, fortgespült.
Die Durchspülung wird eingeleitet durch einen Thermostaten. Als Sicherheit dient
eine Schaltuhr, welche bei fehlendem wärmeentzug regelmäßig abschlämmt. Desweiteren
ist ein überlauf als Sicherung vorhanden, der so angeordnet ist, daß nur die unteren
Wasserschichten ablaufen können.
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Wärmepumpe B besteht im wesentlichen aus dem a.)Kältemittelverdichter
1 in hermetischer, halbhermetischer oder offener Bauweise. Verwendet werden Sicherheitskältemittel
R 12 oder R 22.
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Entsprechend der gewünschten Wasservorlauftemp.
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im Heizsystem wird die Kältemaschine einstufig oder zweistufig ausgeführt.
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b.) Kondensator 2, in dem das gasförmige Kältemittel verflüssigt
und somit Wärme an den Heizwasserkreislauf abgegeben wird.
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c.) den beiden Verdampfern 3+4, über die äe nach Bedarf aus der Luft
oder aus dem Speichersystem Wärme entzogen wird. Bei Wärmeentzug aus der Luft wird
der gegebenenfalls eintretende Eisansatz am Lamellen-System durch kurzfristiges
Umschalten der Kältemittelkreisläufe abgetaut.
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Demzufolge ist der luftseitige Verdampfer so geschaltet, daß bei
Sommerbetrieb Wärme abgegeben werden kann. (Kondensator) d.) Wärmetauscher 5 entzieht
dem Verdichter die Uberhitzungswärme und ist als Warmwasserboiler für das Brauchwasser
vorgesehen. Spezielle Regelgeräte sind nicht erforderlich, da die Wassertemperatur
nicht höher als die Uberhitzungstemperatur ansteigen kann. Bei aufgeheiztem Boiler
steht die Uberhitzungswärme dem eigentlichen Wärmetauscher (Kondensator) zur Verfügung.
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e.) den erforderlichen Regel-und Uberwachungsgeräten elektrischer
und kältetechnischer Art, die einen vollautomatischen Betrieb der Wärmepumpe ganzjährig
gewährleisten.
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Speicherbatterie I,II,III, besteht in vorliegendem Beispiel aus 3,
entsprechend stark, isolierten Behältern (gängige Größen bezw. Norm-Behälter) Entsprechend
der gewünschten Speicherkapazität kann die Anzahl der Behälter erweitert oder verringert
werden.
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Folgende Betriebsmöglichkeiten sind nun gegeben: 1.) Einspeichern
über die Wärmepumpe bei Wärmeentzug aus der Luft oder Abwässern.
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Die Wärmepumpe wird so geschaltet, daß entweder Verdampfer 3 oder
4 in Betrieb ist. Falls erforderlich, können beide Verdampfer in Betrieb gehen.
Die ärmeausbeute wird dort am größten sein, wo die höhere Temperatur herrscht.
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Wird Wärme aus Behälter A entzogen, so ist Magnetventil 07, 02, 03
und 08 geschlossen. fIagnetventile 01, 05, Q6 und 09 sind geöffnet. Umwälzpumpe
21 ist in Betrieb.
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Drei-egeventil 11 ist auf Stellung Abzweig.
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2.) Entladen über alle 3 Speicher; falls zweckmäßig, kann über die
Wärmepumpe zusätzlich aufgeladen werden. Wärmeentzug dabei aus der Luft oder aus
dem Abwasser (Schaltung der Wärmepumpe wie unter 1.) Verbraucherpumpe 4.1 ist in
Betrieb und drückt über die Heizkörper direkt in die Speicher. Ventile 04, 05, 03,
06 und 08 sind geschlossen, 07, 02 und 01 sind geöffnet.
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3.) Entladen mittels Wärmepumpe, wobei aus 2 Behältern +di8 Wärme
entnommen wird und die Temperatur darin weit unter -0 C abgesenkt werden kann. Behälter
I dient dabei als Puffer.
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Ealtwasser-und armwasserkreislauf ist wie folgt geschaltet: Verbraucherpumpe
41 und Pumpe 21 u. 31 sind in Betrieb.
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Ventile 01, 07, 05 und 06 geschlossen, 04, 02, 03 und 08 geöffnet,
G9 nach Bedarf geschlossen oder geöffnet.
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Drei-Wegeventil in Stellung Abzweig 4.) Bei Sommerbetrieb Kältespeicherung
über alle 3 Behälter, bei wärmeabgabe an die Luft Wärmepumpe ist so geschaltet,
daß Verdampfer 4 nun als Kondensator dient. Kondensator 2 ist nur dann in Betrieb,
wenn Boiler 5 Vorrang hat.
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Wasserkreislauf ist wie folgt geschaltet: Ventile 01, 09, 08, 02
und 07 geschlossen, 05, 06, 03 geöffnet.
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Drei-Wegeventil auf Durchgang geschaltet.
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5.) Entladung-Sommerbetrieb über alle 3 Behälter, falls zweckmäßig,
kann während diesem Vorgang zusätzlich gekühlt werden.
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;*iasserkreislauS wie unter 2.) beschrieben Wärmepumpe wie unter
4.) gegebenenfalls in Betrieb.
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6.) Boilerbetrieb. balls bei entsprechender AuPentemperatur weder
geheizt noch gekühlt werden muß, kann Warmwasser (Brauchwasser) erzeugt werden.
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Schalten der Wärmepumpe wie unter 1.), 2.) oder 4.) beschrieben.
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7.) Notheizung, falls eine Störung an der Wärmepumpe vorliegen sollte
Elektrodurchlauierhitzer tritt in Betrieb, 'iMasserkreislauf wie unter 2.) oder
5.) beschrieben.
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Die Speicherkapazität einer 3000 1 Batterie mit 1 stufiger Wärmepumpe
wäre z.B. wie folgt: Die erzielbare Wassertemperatur bei einem einstufigen VerdichtOer
betrieben mit dem Kältemittel R 12 beträgt ca. +55 (5. Zugrunde gelegt wurde dabei
eine Verdampfungstemp. zwischen -5 und -100, die sich je nach Auslegung des Luftverdampfers
einstellt bei ca.
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Außentemperatur.
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Die Mindestvorlauftemp. bei Verwendung von Gebläsekonvektoren als
Heizkörper oder Fußbodenheizung beträgt ca. +30°C.
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Speicherung somit 30001 x 25°C x 0,92 = 69000 ketal cp x #= 0,92
bei Wasser- Frostschutzgemisch.
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Umschaltung danach auf Betriebsweise, wie zuvor unter 3.) beschrieben,
also Wärmeentzug aus 2 Behältern. Durch Zugabe von Frostschutz besteht keine Gefahr
der Vereisung, sodaß die Wassertemp. bis auf z.B. -10° gesenkt werden kann. Wassertemp.
in Behälter I dabei ebenfalls bis zu +55°C.
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Wärmeentzug somit 20001 x 40°C x 0,92 = 73600 kcal Zusätzlicher Wärmegewinn
aus dem elektr. Wärmeäquivalent des Verdichterantriebsmotors bei einer Leistungsziffer
von 2,75 im Mittel ca 35% = 73600 ketal x 0,35 = 25760 kcal Gesamt speicherkapazität
elnschließl. Wärmerückgewinn= 168360 ketal Alle die in der Beschreibung und in nachfolgender
Zeichnung dargestellten Merkmale und Detaile, können sowohl einzeln als auch in
beliebiger Kombination erfindungsrechtliehe / Bedeutung haben.
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Erläuterung zum Schema Wärmepumpen-Speichersystem 01 bis 10 Magnetventile
1 Kältemittel-Verdichter 2 Kondensator 3 Verdampfer 4 Verdampfer (Luft) und Kondensator
5 Warmwasser-Boiler 6 Elektro-Notheizung 7 Ausdehnungsgefäße in geschlossener Ausführung
2.1 bis 4.1 Umwälzpumpen 11 Drei-Wege-Ventil A Wärmetauscher, Abwässer B Wärmepumpe,
beinhaltet 1, 2, 3, 4 u. 5 I,II,III Speicherbehälter