DE2608873A1

DE2608873A1 - Waermepumpe mit speicher

Info

Publication number: DE2608873A1
Application number: DE19762608873
Authority: DE
Inventors: Herbert Ing Grad Kirn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-03-04
Filing date: 1976-03-04
Publication date: 1977-09-08
Also published as: DE2608873B2; DE2608873C3

Description

Wärmepumpe mit Speicher

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der Heizung mittels Wärmepumpen, wobei der Spitzenwärmebedarf, der während eines Jahres an sehr kalten Tagen auftritt, aus Speichern unter Zwischenschaltung von Wärmepumpen gedeckt wird.

Bekannt sind Verfahren, bei denen Wärmepumpen zur Wohnraum heizung als Wärmequelle die Außenluft nutzen. Nachteilig bei diesen Verfahren ist, daß die Temperatur der Wärmequelle in gleichem Maße absinkt, wie der Wärmebedarf des Gebäudes zunimmt, wodurch sich die Leistungsziffer der Wärmepumpe fortschreitend mit absinkender Außentemperatur verschlechtert, weshalb eine Wärmepumpe hoher Leistung installiert werden muß, die nur mit geringer Benutzungsdauer während des Jahres ausgenutzt wird. Wesentlich günstigere Ei-gebnisse werden erzielt, wenn die Wärmepumpe nur bei durchschnittlicher Kälte Wärme unmittelbar der Außenluft entzieht, bei tiefen Außentemperaturen jedoch einen Speicher als Wärmeträger nutzt. Bekannt ist die Patentanmeldung P 2509905-^jin der eine Wärmepumpe mit Latentspeicher auf der kalten Seite beschrieben ist. Ein solcher Speieher braucht nur für etwa 15 Tage Jahresheizungsarbeit zu speichern, weil die Anzahl sehr kalter Tage im mitteleuropäischen Baum gering ist, jedoch muß selbst bei Ausnutzung der Schmelzwärme eines Wasserspeichers ein·Speichervolumen von etwa 12 20 nr installiert werden. Die Unterbringung eines so großen Speichers ist oft schwierig.

Bekannt sind ferner Wärmepumpenkaskaden, bei denen die zu überbrückende Temperaturdifferenz T-T₀ auf mehrere Kompressoren aufgeteilt wird, so daß ein Kompressor nur einen Teil des gesamten TemperatürSprunges bewältigen

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muß. Eine Anwendung dieses Verfahrens in vorliegendem Fall derart, daß die Kaskade bei sehr tiefen Außentemperaturen von der Wärmequelle Außenluft auf die Wärmequelle Latentspeieher umschaltet, bringt keine namhafte Minderung des Speichervolumens mit sich, die Anlage wird aber komplizierter und teurer im Aufbau.

Bekannt sind auch mehrstufige Wärmepumpen, bei denen die Heizleistung aus Gründen der besseren Itegelbarkeit auf mehrere, getrennt zu-und abschaltbare Kompressoren aufgeteilt wird. Dieses Verfahren kann auch bei Nutzung eines Latentspeichers angewandt werden, bringt aber außer der besseren Regelbarkeit keine Vorteile, ermöglicht es also ebenso wenig wie die zuvor beschriebene Kaskade, daß der Latentspeieher in seinem Volumen vermindert werden kann, ist jedoch erheblich aufwendiger als eine einstufige Wärmepumpe mit Latentspeieher.

Durch das Verfahren nach der Erfindung sollen vorgenannte Mängel behoben werden. Es umfaßt zwei Wärmepumpenkompressoren, deren einer die Grundlast deckt und hierzu ganzjährig in Betrieb ist, wobei er der Außenluft Wärme entzieht, die dem Gebäude als Heizungswärme zufließt, während der zweite Kompressor nur an sehr kalten Tagen mit θ <C O⁰C in Betrieb geht, den Latentspeieher als Wärme-

quelle nutzt und den über die Grundlast hinaus an sehr kalten Tagen erforderlichen Spitzen-Heizwärmebedarf deckt.

Die Grundlast-Wärmepumpe ist für eine Außentemperatur um 0⁰C ausgelegt. Bei höheren Außentemperaturen wird ihre Wärmeabgabe an das Gebäude, dessen Wärmebedarf dann angemessen niedriger ist, durch eine Steuereinrichtung, z.B. eine Ein- und Aus-Steuerung, dem Wärmebedarf des Gebäudes angepasst. Sinkt die Außentemperatur unter den Auslegepunkt ab, dann geht die Grundlastwärmepumpe in

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Dauerbetrieb über und führt dem Gebäude stetig eine bestimmte Wärmemenge zu, die mit kalter werdendem Vetter etwas zurückgeht. Bei allen Betriebszuständen wird die Unterkühlungswärme, die in dem Kreisprozeß der Grundlast-Wärmepumpe anfällt, in einen Wasserspeicher eingebracht, um an sehr kalten Tagen genutzt zu werden.

Unterschreitet die Außentemperatur den Auslegepunkt der Wärmepumpe, dann geht die Spitzenlastwärmepumpe in Betrieb, die als Wärmequelle den vorgenannten Speicher nutzt und dessen Inhalt bis zum Vereisungspunkt abkühlt, um danach die Vereisungswärme durch fortschreitende Eisbildung zu gewinnen. Zwischen Speicher und Verdampfer der Spitzenlastwärmepumpe wird eine frostfeste Flüssigkeit umgewälzt, derart, daß diese Flüssigkeit, nachdem sie den Wärmeaustauscher des Speichers, z.B. eine Rohrschlange im Speicher, durchflossen hat, einen Wärmeaustauscher im Kreislauf der Grundlast-Wärmepumpe durchfließt, deren Unterkühlungswärme aufnimmt und dadurch nacherwärmt wird, ehe ihr der Verdampfer der Spitzenlastwärmepumpe Wäi'ine entzieht. Die beiden Kompressoren sind in Energieflußrichtung nicht wie eine Kaskade in Reihe geschaltet, derart, daß das zweite Aggregat die vom ersten geförderte Wärme nochmals um eine bestimmte Temperaturspanne anhebt, sondern das zweite Aggregat hebt nur die bei dem ersten Aggregat, der Grundlastwärmepumpe, anfallende, ansonsten nicht nutzbare Unterkühlungswärme, die über einen längeren Zeitraum in einem Speieher angesammelt wurde, auf ein höheres Temperaturniveau an den wenigen sehr kalten Tagen an.

Die Zeichnung, Fig. i, zeigt den grundsätzlichen Aufbau des Verfahrens nach der Erfindung. Wärmepumpenkompressor i kann während der gesamten Heizperiode in Betrieb gehen.

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Außenluftwärmeaustauscher 6 entwärmt die Außenluft, und in Wärmeaustauscher 4 wird die gewonnene Wärme an die Warmwasserheizung 14 abgegeben. Die Unterkühlungswärme der Wärmepumpe 1 wechselt über Wärmeaustauscher 5 in den Solekreislauf der Umwälzwärmepumpe 10 über. Dieser Solekreislauf führt die Unterkühlungswärme dem Wärmeaustauscher 7 zu, und falls sie ihm dort nicht entzogen wird, fließt sie über Wärmeaustauscher 12 in den Speicher 11, um bevorratet zu werden. Die Spitzenlastwärmepumpe 2 arbeitet erst bei Außentemperaturen unterhalb des Auslegungspunktes der Grundlas twärmepumpe 1 und entzieht dem Solekreislauf, der durch Pumpe 10 umgewälzt wird, Wärme. Die abgekühlte Seile nimmt in Speicher 11 wieder Wärme auf, wird mit der Unterkühlungswärme in Wärmeaustauscher 5 nachgeheizt und im Verdampfer 7 der Spitzenlast-Wärmepumpe 2 entwärmt. Die Spitzenlast-Wärmepumpe 2 heizt das Heizungswasser, das durch Pumpe 15 umgewälzt wird, nach, so daß es für die Warmwasserheizungsanlage 14 die erforderliche Vorlauftemperatur besitzt. Speicher 14 gleicht bei Zweipunktsteuerung (Ein- Aus-Steuerung) der Wärmepumpenkompressoren die TemperatürSchwankungen aus.

Gesteuert werden die Wärmepumpen durch die Temperaturfühler θ . θ, . und θ,, über ein Steuergerät, das vera j-cii/ ν

anlaßt, daß wenn die Wärmelieferung der Wärmepumpe 1 nicht mehr ausreicht, um den Wärmebedarf des Gebäudes zu decken, Wärmepumpe 2 zusätzlich eingeschaltet wird.

Wird ein Kühlbetrieb im Sommer gewünscht, dann sind auße: Expansionsventil 3 auch Expansionsventil 13 und Vierwegventil 18 erforderlich, wobei die Expansionsventile 3 und 13 durch Rückschlagventile ergänzt werden müssen.

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Die Magnetventile 20 und 21 ermöglichen bei Gebäudekühlung im Sommer, daß, solange Speicher 11 noch aufnahmefähig ist, die dem Gebäude entzogene Wärme über Wärmeaustauscher 5 dem Speicher 11 zugeführt wird. Ist Ventil 21 geschlossen und Ventil 2o geöffnet, dann kann die anfallende Abwärme über den als Kondensator arbeitenden Wärmeaustauscher 5 in den Speieher eingebracht werden. Seine Überhitzungswärme gibt der Grundlastkompressor an den Gebrauehswarmvasserspeicher 17 ab, auch wenn er im Sommer auf Kühlbetrieb umgeschaltet ist.

Bild 2 zeigt die Leistungseinsparungen des Verfahrens im Vergleich mit einer monovalenten Wärmepumpe Q„. oder einer einstufigen Wärmepumpe mit Speicher auf der kalten Seite Q„₂. Wie man sieht, erbringt das Verfahren nach der Erfindung einen kleineren Summenleistungsbedarf Q_T,- und einen gleichmäßigeren Leistungsverlauf während der Heizperiode als die beiden anderen Verfahren.

Der Hauptvorteil des Verfahrens liegt darin, daß nur mit 25 bis 35 % des Speichervolumens einer einstufigen Wärmepumpe mit Latentspeicher auszukommen ist. Bild 3 zeigt, daß bei einer monovalenten Wärmepumpe die Fläche A-E-D-A als Heizungsarbeit an das Gebäude abgegeben werden muß. Bei der einstufigen Wärmepumpe mit Latentspeicher wird Wärme, die der Fläche B-C-E-D-B entspricht, aus dem Latentspeicher gedeckt. Hierfür werden l/3 als Antriebsarbeit aus dem elektrischen Versorgungsnetz entnommen, während 2/3 der nutzbaren Heizwärme dem Latentspeicher entstammen. Bei dem Verfahren nach der Erfindung erbringt die Grundlast-Wärmepumpe 1, die dauernd in Betrieb ist, Heizwärme entsprechend der Fläche A-E-F-B-A. Es ist zu erkennen, daß bei tiefen Außentemperaturen die Heizleistung deses Aggregates von Punkt B zum Punkt F

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zurückgeht. Bei Außentemperaturen unterhalb der bei Punkt B herrschenden Temperatur schaltet sich die Wärmepumpe 2 ein und entzieht die erforderliche Wärme dem Latentspeicher unter gleichzeitiger Ausnutzung der Unterkühlungswärme des Wärmepumpenkreislaufes 1. Wärmepumpe 2 erbringt die Heizungsarbeit der Fläche B-F-D-B. Von dieser Heizungsarbeit deckt wiederum die Antriebsarbeit der Wärmepumpe 2 ein Drittel, während zwei Drittel der Heizungswärme dem Latentspeicher entzogen werden. Man erkennt aus dem Bild, daß, je nach Klimazone und Gegend, die Fläche B-F-D-B nur etwa 25 bis 35 % der Fläche B-C-E-D-B ausmacht und daher auch nur 25 bis 35 % Speichervolumen bei dem Verfahren nach der Erfindung gegenüber einer einstufigen Wärmepumpe mit Latentspeicher notwendig sind, um die Wärmepumpe 2 an sehr kalten Tagen mit Wärme zu versorgen. Für ein Einfamilienhaus mindert sieh damit das Speichervolumen auf 3 bis 6 m . Kubische Speicher dieser Größe brauchen nun nicht mehr als betonierte Becken baulich vorgesehen werden, sondern lassen sich industiell fertigen. Mit Rücksicht auf die relativ geringe notwendige Speicherwärme kann u.U. auf einen im Gebäude direkt untergebrachten Wasserspeicher verzichtet und auf einen Erdspeicher zurückgegriffen werden, der im Gegensatz , zu einer Erdreich-Wasser-Wärmepumpe von vorn-herein so knapp bemessen ist, daß das Erdreich um die Rohrschlange in der Erde gefriert und bei durchschnittlichem Wärmebedarf im Winter durch die Unterkühlungswärme der Wärmepumpe wieder aufgetaut wird, um bei einem erneuten Kälteeinbruch als Speicher wieder Wärme abgeben zu können. Berücksichtigt man die spezifische Wärme der Erde und die Möglichkeit, durch Vereisung der Erde latente Wärme zu gewinnen, dann sind nur

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Erdflächen von etwa 15 bis 30 m notwendig, bei denen in Tiefen von etwa 1 m eine soledurchflos'sene Rohrschlange verlegt werden muß.

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Leerseite

Claims

/i.}Wärmepumpe mit Speicher, dadurch gekennzeichnet, daß ein ^—^ Wärmepumpenkompressor den Grundwärmebedarf eines Heizprozesses durch Wärmeentzug aus einem geeigneten Wärmeträger deckt und seine Unterkühlungswärme in einen Speicher einbringt, während ein zweiter Wärmepumpenkompressor den Spitzenwärmebedarf des Heizprozesses durch Wärmeentzug aus dem mit der Unterkühlungswärme des ersten Kompressors aufgeheizten Speicher deckt.
2. Verfahren nach Anspruch eins, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verdampfer des zweiten Wärmepumpenkompressors die Unterkühlungswärme des ersten Wärmepumpenkompressors unmittelbar zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch eins und zwei, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator des ersten Wärmepumpenkompressors das zu erwärmende Medium vorerwärmt und den Kondensator des zweiten Wärmepumpenkompressors das gleiche Medium auf die gewünschte Endtemperatur nacherwärmt.
4. Verfahren nach Anspruch eins und den folgenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Speicher, der der zweiten Wärmepumpe als Wärmequelle dient, um einen Latentspeicher handelt, bei dem die Schmelzwärme des Wassers zur Wärmespeicherung genutzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch eins und den folgenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß als Speicher Erdreich dient.
6. Verfahren nach Anspruch eins und den folgenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Wärmepumpenkompressor Überschußwärme in den Latentspeicher zurückbringen. ₍
7. Verfahren nach Anspruch eins und den folgenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmepumpenkompressoren ihre Überhitzungswärme in einen Wasserspeicher für Gebrauchswasser einbringen.

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ORtQINAL INSPECTED