DE2848530A1

DE2848530A1 - Heizungsanlage mit waermepumpe

Info

Publication number: DE2848530A1
Application number: DE19782848530
Authority: DE
Inventors: Franz Kreuzinger
Original assignee: Enig Energieberatung Inno GmbH; Enig Energieberatung Innovation GmbH
Current assignee: Enig Energieberatung Innovation 6300 Giessen GmbH
Priority date: 1978-11-09
Filing date: 1978-11-09
Publication date: 1980-05-29

Description

Beschreibung:

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizungsanlage für die Beheizung mehrerer, voneinander getrennter Räume, in denen Heizkörper installiert sind, mit einer Wärmepumpe und mit Absorbern zur Aufnahme von Strahlungswärme der Sonne und von in Umgebungsluft enthaltener Wärme.

Mit Wärmepumpen läßt sich eine erhebliche Ersparnis an Heizmaterial, z.B. Heizöl, erzielen, da der Umgebungsluft wesentlich mehr Wärme entzogen werden kann als die Wärmemenge, die die Wärmepumpe zu ihrem Betrieb benötigt. Allerdings ist der Energieverbrauch von Wärmepumpen noch so groß, daß die üblichen elektrischen Anschlußwerte von Gebäuden, insbesondere von Wohnhäusern, nicht ausreichen, um die gesamte Wärme mittels einer Wärmepumpe aus der Umgebung zu gewinnen. Eine allgemeine Einführung von großen Wärmepumpen wäre schon deshalb nicht möglich, weil das bestehende Leitungsnetz für die Stromversorgung nicht genügend elektrische Energie transportieren kann.

Die Beheizung von Gebäuden alleine mit aus der Strahlung der Sonne gewonnener Wärme ist bei vielen Klimaten, vor allem in den gemäßigten und kühleren Breiten nicht möglich, da gerade dann, wenn der Wärmebedarf groß ist, die Sonnen-

030022/0034 " ⁵ "

• 1 * H ■* ft - *

— 5 —

scheindauer wegen der kurzen Tage und verbreiteter Bewölkung nur gering ist und auch wegen des tiefen Sonnenstandes selbst bei Sonnenschein nur wenig Wärme gewonnen werden kann. Auf eine Wärmepumpe kann deshalb nicht verzichtet werden, wenn Umgebungswärme, die ja letztlich auch Sonnenwärme ist, auch während der Heizperiode benutzt werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heizungsanlage der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine Wärmepumpe mit einem elektrischen Anschlußwert verwendet werden kann, der so niedrig ist, daß eine übliche Hausstromversorgung für ihren Betrieb ausreicht.

Die erfindungsgemäße Heizungsanlage der eingangs genannten Art ist gekennzeichnet durch die nachgenannten Anlagenteile:

a) einen Wärmespeicher,

b) ein Leitungssystem, mit dem die Absorber wahlweise als Verdampfer an die Wärmepumpe oder an den Wärmespeicher anschließbar sind,

c) für jeden Raum ein Lüftungsgerät zum Ansaugen von Frischluft und zum Ausblasen von Raumluft, wobei in einem Wärmeaustauscher des Lüftungsgerätes in der Raumluft enthaltene Wärme auf die Frischluft übertragen wird,

d) ein Steuer- und Regelsystem, mit dem die Zufuhr von Wärme für jeden einzelnen Raum sowie der Betrieb des Lüftungsgerätes individuell nach einem Zeitprogramm und dem Wärmebedarf einstellbar sind.

Durch die Kombination dieser Anlagenteile läßt sich der gesamte Wärmebedarf so weit herabsetzen, daß eine relativ kleine Wärmepumpe ausreicht. Die Energieaufnahme der Wärmepumpe be-

030022/4034

trägt etwa 15 - 20 Watt pro Quadratmeter Bodenfläche der zu
beheizenden Räume. Bei einem Einfamilienhaus mit einer Wohnfläche von 125 qm ergibt sich somit ein Anschlußwert von etwa 2,0 - 2,5 kW. Ein Anschlußwert dieser Größe kann von einem
üblichen Hausanschluß ohne weiteres verkraftet werden. Diese Leistung entspricht der normalen Leistung eines elektrischen Heizlüfters. Durch die Möglichkeit, die Absorber wahlweise
an den Wärmespeicher oder an die Wärmepumpe anzuschließen,
kann bei großem Wärmeangebot, also bei Sonnenschein, der

Wärmespeicher unter Umgehung der Wärmepumpe unmittelbar aufgeladen werden. Wenn hingegen Wärme nur bei niedriger Temperatur angeboten wird, also z.B. während der Nachtzeit, kann
auch diese Wärme mit Hilfe der Wärmepumpe benutzt werden, wobei dann der Wärmespeicher über die Wärmepumpe aufgeladen

wird, deren Kondensator in diesem Fall mit dem Wärmespeicher verbunden ist. Eine wichtige Rolle spielt auch die Steuerung und Regelung der Temperatur in jedem einzelnen Raum gemäß
dem Merkmal d) _r weil damit erreichbar ist, daß jeder Raum
nur dann beheizt wird, wenn er tatsächlich benutzt wird. Bei den bis heute üblichen Steueranlagen, mit denen nur eine
Nachtabsenkung vorgesehen wird, werden viele Räume tagsüber
voll beheizt, obwohl sie möglicherweise überhaupt nicht oder nur kurzzeitig benutzt werden. Mit besonderen Lüftungsgeräten gemäß dem Merkmal c) werden die großen Wärmeverluste vermieden, die bei einer Fensterlüftung entstehen, da eine kontrollierte Lüftung stattfindet und zudem in der Raumluft
enthaltene Wärme teilweise auf die zutretende Frischluft übertragen wird. Auch hierbei ist wesentlich, daß jeder Raum individuell belüftet werden kann, so daß bei einem nicht be-

nutzten Raum ein Wärmeverluste verursachender starker Luftaustausch unterbleiben kann. Für solche Räume genügt die
Lüftung über unvermeidliche Fugen.

Besonders vorteilhaft ist die Ausführungsform nach Anspruch 2, d.h. die Ausnutzung von Gebäudeteilen selber, insbesondere
von Fußböden,als Wärmespeicher. Dies bringt den Vorteil, daß

030022/0034

unvermeidliche Speicherverluste nicht verloren gehen, sondern zur Erwärmung des Gebäudes genutzt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß kein zusätzlicher Raum für Wärmespeicher, die naturgemäß relativ groß sein müßten, benötigt wird. Gemäß Anspruch 3 kann man die Wärmeverluste so groß machen, d.h. die Isolierung so ausbilden, daß eine Grundheizung der Räume allein durch die Wärmeverluste bewirkt wird. Besonders vorteilhaft ist es gemäß Anspruch 4 die Fußböden (oder andere Begrenzungswände des Raumes) so miteinander zu verbinden, daß ein Wärmetransport zwischen verschiedenen Räumen möglich ist. Dadurch können auch nur selten benutzte Räume zur Speicherung von Wärme genutzt werden, die in dauernd benutzten Räumen gebraucht wird.

Eine Herabsetzung der Baukosten erreicht man, wenn die Absorber gemäß Anspruch 5 direkt als Dacheindeckung verwendet werden. Für die thermischen Eigenschaften der Anlage hat dies jedoch keine Bedeutung. Unter die Erfindung fallen deshalb auch Anlagen, bei denen die Absorber nicht zugleich als Dacheindeckung benutzt werden.

Im allgemeinen wird man gemäß Anspruch 6 einen Heizkessel vorsehen, um bei Witterungsverhältnissen, die einen Wärmegewinn aus der Umgebung nicht in genügendem Umfang zulassen, eine Heizung sicherzustellen. Eine Wärmegewinnung aus der Umgebung ist z.B. nicht mehr ohne weiteres möglich, wenn die Außentemperatur so niedrig ist, daß eine Vereisung der Absorber eintritt. Die Einzelsteuerung und Regelung der Heizung und Lüftung in jedem Raum kann besonders vorteilhaft mit den Mitteln des Anspruches 7 erreicht werden. Die Installation eines separaten Steuer- und Regelgerätes in jedem Raum gestattet eine besonders genaue Programmierung und erfordert geringere Installationskosten als eine Steuerung und Regelung von einer zentralen Stelle aus.

Mit einem Gerät nach Anspruch 8 vermeidet man eine überbeanspruchung des Stromnetzes. Dies ist insbesondere dann von

030022/0034 _ ₈ _

·_ ο _■

Interesse, wenn erfindungsgemäße Heizungsanlagen in vielen Häusern angeordnet sind, die eine gemeinsame Stromversorgung haben.

Ein Pufferspeicher gemäß Anspruch 9 gestattet die Speicherung von Überschußwärme, die bei voll aufgeladenen Wärmespeichern noch anfällt.

Mit einem Steuergerät gemäß Anspruch 10 werden im Falle eines Wärmemangels Energie verbrauchende Haushaltsgeräte abgeschaltet, wie z.B. eine Spülmaschine oder eine Waschmaschine oder auch die Beheizung weniger wichtiger Räume. Dadurch wird Energie für den Betrieb der Wärmepumpe frei, so daß die nötige Wärme auch bei geringer Außentemperatur gewonnen werden kann.

In der Zeichnung ist eine erfindungsgemäße Heizungsanlage schematisch dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine Gesamtanlage,

Fig. 2 einen vertikalen Längsschnitt durch einen Heizkörper und einen Wärmespeicher entsprechend der Linie II-II in Fig. 3 und

Fig. 3 einen Querschnitt entsprechend der Linie

III-III in Fig. 2.

In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch ein Haus 1 gezeigt, wobei zwei Räume 2 und 3 geschnitten sind. Die Räume sind unten von einem Fußboden 4 begrenzt, der als Wärmespeicher ausgebildet ist. Der Fußboden 4 enthält ein wärmespeicherndes Material 5, das nach unten hin durch eine Isolierschicht 6 und nach oben hin durch eine Isolierschicht 7 isoliert ist. In dem wärmespeichernden Material 5 ist eine Rohrschlange 8 verlegt.

Unter Fenstern 9 und 10 der Räume 2 und 3 sind Heizkörper und 12 installiert. Diese Heizkörper sind an den Wärmespeicher 4 angeschlossen, nämlich über Vorlaufleitungen 13, 14 und Rücklaufleitungen 15, 16. In die Vorlaufleitungen 13 und 14 sind Ventile 17 eingebaut, die eine Umschaltung des Wasserstromes derart gestatten, daß das Wasser über eine Umgehungsleitung 18 unmittelbar von der Vorlaufleitung zur Rücklauf-

030022/0034 - 9 -

leitung geführt werden kann, ohne vorher den Heizkörper passieren zu müssen.

Die Ventile 17 werden von Steuer- und Regelgeräten 19 beeinflußt, die einen Raumthermostaten 20 und eine Schaltuhr 21 enthalten. Das Gerät wirkt über eine Steuerleitung 22 auf ein Ventxlbetätigungsorgan 23 ein. Das Ventilbetätxgungsorgan 23 enthält vorzugsweise einen Ausdehnungskörper, der mittels einer elektrischen Widerstandsheizung beheizbar ist. Im Falle der Beheizung dehnt sich der Körper aus, wodurch das Ventil 17 derart betätigt wird, daß der weitere Zufluß zum Heizkörper abgesperrt wird.

In jedem Raum befindet sich ein Lüftungsgerät 24, 25 mit einem Gebläse 26 und einem Wärmeaustauscher 27. Das Gebläse ist so beschaffen, z.B. als Doppel-Axialgebläse ausgebildet, daß es sowohl Raumluft entsprechend dem Pfeil 28 nach außen fördert als auch Frischluft entsprechend dem Pfeil 29 in das Innere des Raumes 2 (bzw. 3) fördert. Auch die Lüftungsgeräte sind über Steuerleitungen 30 an das Gerät 19 angeschlossen.

Weitere Bestandteile der Anlage sind Absorber 31, eine Wärmepumpe 32, ein Heizkessel 33 und ein Pufferspeicher 34, deren Anordnung in der Gesamtanlage nachfolgend erläutert wird.

Die Absorber 31 sind vorzugsweise billige Absorber aus Kunststoff. Sie sind so ausgebildet, daß sie auch durch Konvektion Wärme aus der Umgebungsluft aufnehmen können. Die Absorber können in das Dach 35 des Hauses 1 eingebaut sein. Zum Absorber führt eine Leitung 36, in die eine Förderpumpe 37 eingebaut ist. über eine weitere vom Absorber 31 abgehende Leitung 38 wird im Absorber 31 erwärmte Flüssigkeit abgeführt. Die Leitungen 36 und 38 führen zur Wärmepumpe 32. Über die Leitung 3 6 wird aus der Wärmepumpe flüssiges Medium zu dem Absorber geführt, wo es bei Wärmepumpenbetrieb ver-

- 10 -

030022/0034

-" ιό* -

dampft und dabei der Umgebung Wärme entzieht. Der Dampf wird über die Leitung 38 zurückgeführt, in der Wärmepumpe komprimiert und im Kondensator 39 wieder verflüssigt. Hierbei wird die Kühlflüssigkeit des Kondensators erwärmt. °i^e Kühlflüssigkeit wird über die Leitung 4 0 zugeführtund über die Leitung 41 abgeführt.

Die Anlage enthält ferner Verbindungsleitungen 42 und 43, die eine KurzSchließung der Leitungen 36 und 41 bzw. 38 und 40 unter Umgehung der Wärmepumpe ermöglichen. Zur Umschaltung auf diese Umgehungsleitungen sind Ventile 44, 45 vorgesehen.

Der Pufferspeicher 34 ist der Wärmepumpe vorgeschaltet und gestattet die Speicherung von Wärme, die von den Absorbern 31 aufgenommen wurde. Diese Wärme kann später von der Wärme- ·] 5 pumpe aus dem Pufferspeicher entnommen werden.

Der Heizkessel 33 hat einen ölbrenner oder Gasbrenner 46 und ist mit einem Warmwasserbereiter 47 ausgerüstet. An den Heizkessel ist eine Vorlaufleitung 48 angeschlossen, in die eine Förderpumpe 49 eingebaut ist, die zu einem Wärmetauscher so in Form eines Gegenstromapparates führt. Die im Heizkessel erzeugte Wärme wird über eine Rohrschlange 51 abgegeben, die über eine Rücklaufleitung 52 mit dem Kessel verbunden ist.

Der Warmwasserbereiter 47 kann sowohl unmittelbar vom Heizkessel 33 beheizt werden, als auch vom Wärmetauscher 50 aus. Im letzteren Fall wird über die Absorber 31 aufgefangene Wärme benutzt, um das Brauchwasser zu erwärmen. Zu diesem Zweck ist eine Rohrschlange 53 vorgesehen, die über Leitungen 54 und 55 mit dem Warmwasserbereiter 47 verbunden ist. In der Leitung 54 befindet sich wieder eine Förderpumpe 55.

Fig. 2 zeigt eine Alternative für die Heizkörper 11 und 12. Der hier insgesamt mit 56 bezeichnete Heizkörper ist als Konvektor ausgebildet. Dieser Konvektor hat einen Luftschicht 56 in dem ein Heizelement 57 mit Lamellen 57a angeordnet ist, die

030022/0034

- Ίί -'

wärmeleitend mit einem Rohr 57b verbunden sind. Unterhalb des Heizelementes 57 sind zwei Gebläse 58 und 59 angeordnet, die von einem Steuer- und Regelgerät 60 ein- und ausgeschaltet werden können. Das Gerät 60 entspricht dem Gerät 19, d.h. es enthält eine Schaltuhr, die beliebig programmierbar ist und einen Raumthermostaten. Die Rohrleitung 57b ist an den hier mit 4¹ bezeichneten Wärmespeicher angeschlossen.

Die Anlage arbeitet wie folgt. Bei großem Wärmeangebot von den Absorbern 31, d.h. dann, wenn die Abgabetemperatur genügend hoch liegt, wird Heizmedium direkt über die Umgehungsleitungen 42, 43 in das Speicher- und Heizsystem eingeleitet. Wenn die Temperatur nicht ausreichend ist, sind die Umgehungsleitungen 42, 43 durch die Ventile 44, 45 abgesperrt und die in den Absorbern 31 aufgefangene Wärme wird in die Wärmepumpe transportiert und dort auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. Die Wärme wird dann über das in den Leitungen 40 und 41 strömende Medium in den Speicher und Heizkreislauf gebracht.

Der Wärmeverbrauch im Haus 1 wird dadurch möglichst niedrig gehalten, daß eine Zufuhr von Heizmedium zu den Heizkörpern 11 und 12 nur während der Benutzungsdauer bzw. mit einer gewissen zeitlichen Phasenverschiebung zur Benutzungsdauer, zugeführt wird. Dies wird durch die Schaltuhren 9 bewirkt, die für jeden Raum individuell programmiert werden können. Auch eine Lüftung über die Lüftungsgeräte 24 und 25 wird von diesen Geräten aus gesteuert. Während des Heizbetriebes wird die Raumtemperatur mit den Raumthermostaten 20 geregelt. Wenn eine Einleitung von Heizmedium in die Heizkörper 11 und 12 nicht stattfindet, wird über die Isolierschicht 7 etwas Wärme aus dem Wärmespeicher abgegeben. Diese Wärmeabgabe 0 dient zur Aufrechterhaltung einer Grundheizung.

Wenn über die Absorber 31 nicht genügend Wärme aufgenommen werden kann, wird der Heizkessel 33 in Betrieb gesetzt. Dieser gibt im Wärmeaustauscher 50 Wärme an das Speicher- und Heizsystem ab.

- 12 -

030022/0034

Bei Verwendung von Heizgeräten gemäß den Fig. 2 und 3 sind Ventile zur Absperrung der Heizmediumzufuhr nicht vorgesehen, vielmehr wird die Wärmezufuhr zum Raum durch die Gebläse 58, 59 gesteuert. Wenn diese Gebläse stillstehen, wird über die Konvektoren nur wenig Wärme abgegeben, die wieder zur Grundheizung des Raumes dient. Man könnte aber auch bei einem Heizgerät nach den Fig. 2 und 3 gleichzeitig mit den Gebläsen die Zufuhr von Heizmedium abstellen.

0 30022/0034

Leerseite

Claims

Patentanwälte ;

Dipl.-Ing. Helmut M i s s I i η g 6300 Giessen 8.11.1978

Dipl.-Ing. Richard Schlee Biamarckstrasse 43

Telefon: (0641) 71019

Dipl.-Ing. Arne Missling

S/B 13.597

ENIG GmbH Energieberatung Innovation,
6300 Lahn-Wetzlar 2

Heizungsanlage mit Wärmepumpe

Ansprüche:

M.j Heizungsanlage für die Beheizung mehrerer, voneinander getrennter Räume, in denen Heizkörper installiert sind, mit einer Wärmepumpe und mit Absorbern zur Aufnahme von Strahlungswärme der Sonne und von in Umgebungsluft enthaltener
Wärme, gekennzeichnet durch die nachgenannten Anlageteile:

a) einen Wärmespeicher (4; 4'),

b) ein Leitungssystem (36, 38, 42, 43), mit dem die Absorber (31) wahlweise als Verdampfer an die Wärmepumpe (32) oder an den Wärmespeicher (4; 4¹) anschließ- bar ist,

c) für jeden Raum (2, 3) ein Lüftungsgerät (24, 25) zum Ansaugen von Frischluft (29) und zum Ausblasen von
Raumluft (28), wobei in einem Wärmetauscher (27) des Lüftungsgerätes in der Raumluft enthaltene Wärme auf die Frischluft übertragen wird,

030022/0 0 34

d) ein Steuer- und Regelsystem (19; 60), mit dem die Zufuhr von Wärme für jeden einzelnen Raum (2, 3) sowie der Betrieb des Lüftungsgerätes (24, 25) individuell nach einem Zeitprogramm und dem Wärmebedarf einstellbar sind.
2. Heizungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (4; 4¹) durch die Fußböden oder andere Raumbegrenzungen der Räume gebildet ist und ein Rohrleitungssystem (8) für die Durchleitung eines flüssigen Wärmeträgers enthält, wobei die Heizkörper (11, 12; 56) an das Rohrleitungssystem (8) anschließbar sind.
3. Heizungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung (7) des Wärmespeichers (4; 4¹) so bemessen ist, daß bei der Entladung des Speichers innerhalb eines Tages etwa 20 - 30 % des Speicherinhaltes über die Isolierung entweichen, während der Rest von 80 - 70 % über die Heizkörper (11, 12; 56) entnehmbar ist.
4. Heizungsanlage nach einem der Ansprüche 2 und 3, gekennzeichnet durch ein Leitungssystem zur Verbindung der Wärmespeicher der verschiedenen Räume (1, 2) untereinander derart, daß Wärme aus den Wärmespeichern in andere Räume transportierbar ist. ·
5. Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorber (31) mindestens einen Teil der Dacheindeckung eines Gebäudes bilden.
6. Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Heizkessel (33) , der über einen Wärmetauscher (50) an den Wärmespeicher (4; 4') angeschlossen ist.
7. Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Raum (1, 2) ein Steuer-

030022/0034

Λ Λ. * «I · *·■-■,

Ι»* W Λ UK»·.·- m * ι*

und Regelgerät (19; 60) mit einer Schaltuhr (21) und einem Raumthermostaten (20) angeordnet ist, das auf an den Heizkörpern angeordnete Absperrventile (17) oder äquivalente Organe einwirkt, wobei die Ventile vorzugsweise mittels eines Ausdehnungskörpers bewegbar sind, der mittels einer elektrischen Widerstandsheizung künstlich erwärmt werden kann.
8. Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Steuergerät zur Stromüberwachung, das bei Erreichen eines maximalen Stromes mindestens während bestimmten Tageszeiten die Wärmezufuhr zu untergeordneten Räumen absperrt.
9. Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Pufferspeicher (34) , der vorzugsweise von den Absorbern (31) aufladbar ist und beim Verdampfen des Wärmepumpenmediums entladbar ist.
10. Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Steuergerät, an das ein Fühler für den Ladungszustand des Wärmespeichers und ein Fühler für das Wärmeangebot der Umgebung angeschlossen ist und das in Abhängigkeit vom Ladungszustand des Wärmespeichers und vom Wärmeangebot der Umgebung Wärmeverbraucher zuschaltet oder abschaltet.

030022/0034