DE2919751C2 - Betriebsschaltung für eine mit einem Heizkessel kombinierte Wärmepumpe - Google Patents

Betriebsschaltung für eine mit einem Heizkessel kombinierte Wärmepumpe

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Description

Die Erfindung betrifft eine Betriebsschaltung für eine mit einem Heizkessel kombinierte Wärmepumpe, wobei beide Wärmeerzeuger über ihre Vor- und Rücklaufleitungen an denselben Wasserkreislauf angeschlossen sind und ihre Ein- und Ausschaltzeitpunkte durch Temperaturfühler bestimmt sind, die sowohl die Wassertemperatur als auch die Außentemperatur überwachen, wobei der Betrieb der Wärmepumpe nur bei Überschreiten einer vorgegebenen Außentemperatur möglich ist.
Zur Raumheizung und zur Brauchwassererwärmung ist die Verwendung von Wärmepumpen allein nicht wirtschaftlich genug. Sie werden deshalb im allgemeinen mit konventionellen Heizkesseln, insbesondere Olbrennern, kombiniert. Dabei ergibt sich das Problem, daß zwei unterschiedlich geregelte Wärmeerzeuger *·"> miteinander gekoppelt werden müssen, wozu man bisher eine relativ aufwendige Steuerung mit Magnetventilen. Motorventilen, Relais und elektronische Überwachungseinheiten benötigt. Vor allem aus diesem Grund sind die meisten Betriebsschaltungen so ausgelegt, daß der Heizkessel und die Wärmepumpe im Alternativbetrieb arbeiten. Das heißt, daß beispielsweise bei Außentemperaturen unter 3°C wegen des schlechten Wirkungsgrades der Wärmepumpe nur der Heizkessel betrieben wird, wohingegen bei Temperaturen oberhalb 3° C nur die Wärmepumpe arbeitet. Dabei müssen beide Wärmeerzeuger so konzipiert werden, daß sie jeweils allein in der Lage sind, den gesamten Wärmebedarf zur Verfügung zu stellen.
Eine derartige Betriebsschaltung ist durch die DE-OS 26 59 806 bekannt. Von ihr geht der Oberbegriff des Patentanspruchs 1 aus. Die genannte Druckschrift befaßt sich mit dem Problem, je nach Außentemperatur entweder die Wärmepumpe oder aber den Heizkessel einzuschalten, wobei der jeweils andere Wärmeerzeuger abgeschaltet wird. Es handelt sich also um bivalenten Alternativbetrieb. Beide Wärmeerzeuger müssen jeweils allein in der Lage sein, den Gesamtwärmebedarf zur Verfugung zu stellen. Die Investitionskosten sind daher sehr hoch.
Zwar ist es auch bekannt, im bivalenten Parallelbetrieb zu arbeiten, d. h., daß bei bestimmten Verhältnissen beide Wärmeerzeuger gleichzeitig arbeiten. Dabei ist jedoch, die eingangs schon erwähnt, der steuerungstechnische Aufwand sehr hoch.
Hiervon ausgehend liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Betriebsschaltung für mit Heizkesseln kombinierte Wärmepumpen zu entwickeln, die sich durch außerordentlich einfachen Aufbau auszeichnet und dennoch sowohl für den bivalenten Alternativbetrieb als auch für den bivalenten Parallelbetrieb geeignet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der im Wasserrücklauf angeordnete Temperaturfühler die Wärmepumpe bei Unterschreiten einer vorgegebenen Temperatur Ti unabhängig vom Betrieb des Heizkessels einschaltet und daß das Einschalten des Heizkessels ebenfalls durch einen Temperaturfühler im Wasserrücklauf erfolgt, der bei Unterschreiten einer vorgegebenen Temperatur Γ2, die kleiner als Ti ist, den Heilkessel unabhängig vom Betrieb der Wärmepumpe einschaltet.
Dadurch ergibt sich folgende Betriebsweise: Wird die vorgegebene Außentemperatur unterschritten, so erfolgt wegen des schlechteren Wirkungsgrades der Wärmepumpe die gesamte Wärmeerzeugung, und zwar sowohl die Raumheizung als auch die Brauchwassererwärmung, allein durch den Heizkessel, wie an sich bekannt. Wird hingegen die vorgegebene Außentemperatur überschritten, so erfolgt die Wärmeerzeugung primär durch die Wärmepumpe allein. Die Wärmepumpe braucht jedoch nicht auf den maximalen Wärmebedarf ausgelegt zu werden, da bei der vorgegebenen Außentemperatur von beispielsweise +3°C, ab der die Wärmepumpe in Betrieb genommen werden kann, normalerweise ein viel geringerer Wärmebedarf zu erfüllen ist als bei starkem Frost und da die Wärmepumpe in diesem Temperaturbereich im Parallelbetrieb, also zusätzlich zum Heizkessel arbeitet. Vermindert sich der Wärmebedarf, so steigt die Temperatur im Wasserrücklauf und der für den Heizkessel zuständige Temperaturfühler schaltet den Heizkessel ab, so daß nur noch die Wärmepumpe läuft. Dieser Betriebszustand stellt sich im Sommer und in den wärmeren Übergangsmonaten ein. Kommt es nun in dieser Zeit beispielsweise durch hohe Brauchwasserent-
nähme zu einem starken Wärmeentzug, so sinkt die Rücklauftemperatur unter den vorgegebenen Wert Ti ab und der Heizkessel wird der Wärmepumpe im Parallelbetrieb zugeschaltet.
Durch die erfindungsgemäße Betriebssch altung benötigt man somit lediglich drei aufeinander abgestimmte Temperaturfühler, um die beiden Wärmeerzeuger sowohl alternativ als auch parallel betreiben zu können. Kostspielige Magnet- oder Motorventile oder 4-Wece-Ventile erübrigen sich, auch bedarf es beim Wechsel des Wärmeerzei.gers keinerlei Handumschaltung.
Meist ist der Boiler zur Brauchwassererwärmung direkt in den Heizkessel eingebaut. In diesem Fall ist der Wärmepumpen-Vodauf zweckmäßigerweise an den Heizkessel angeschlossen. Liegt der Boiler hingegen als separates Bauteil vor, so kann der Wärmepumpen-Vorlauf direkt an den Boiler oder an die Verbindungsleitung zwischen Heizkessel und Boiler angeschlossen werden. Die Rücklaufleitung für die Wärmepumpe ist vorteilhafterweise zwischen dem Heizkesselaustrin und dem Mischventil an den Wasserkreislauf angeschlossen.
Schließlich ist es zweckmäßig, wenn die Wärmepumpe eine integrierte Umwälzpumpe aufweist, die das Wasser durch den Heizkessel mit dem eingebauten Boiler pumpt, wohingegen der Kreislauf des Wassers durch die Heizkörper hindurch durch eine weitere Umwälzpumpe erfolgt. Durch Zuschalten dieser Umwälzpumpe wird automatisch unabhängig von der Brauchwassererwärmung ein Wasserkreislauf durch die Heizkörper hindurch aufrechterhalten.
Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert; diese zeigt die Betriebsschaltung in schematischer Darstellung.
Als bivalente Wärmeerzeuger fungieren ein Heizkessei 1 mit einem ölbrenner 14 und eine Wärmepumpe 2. In den Heizkessel 1 ist ein Boiler 3 zur Brauchwassererwärmung eingebaut. Am Ölbrenner ist schematisch die Kesselsteuerung angedeutet, die die üblichen steuertechnischen Komponenten enthält.
Die Wärmepumpe 2 ist der Einfachheit halber als Kompaktwärmepumpe mit integriertem Verdampfer dargestellt. Der Verdampfer steht durch Zuluft- und Abluftleitungen mit der Umgebungsluft in Verbindung, um ihr die zum Betrieb notwendige Wärme zu entziehen. Im oberen Teil der Wärmepumpe ist die übliche Steuerung untergebracht.
Der Heizkessel 1 ist in herkömmlicher Weise mit seiner Vorlaufleitung la an ein Vierwegemischventil mit dem Bezugszeichen 4 angeschlossen. Zwei andere Anschlüsse dieses Vierwegemischventils stehen für den Wasserkreislauf durch die mit dem Bezugszeichen 5 angedeuteten Heizkörper zur Verfügung, während sein letzter Anschluß zur Rücklaufleitung 16 geht, die im unteren Bereich des Heizkessels 1 mündet. An die Vorlaufleitung la ist in üblicher Weise ein Manometer 6 und ein Druckausgleichsbehälter 7 angeschlossen.
Das Mischventil 4 dient in der üblicher Weise zur Steuerung des Heizungswasserkreislaufes, d. h., daß je nach den Temperaturverhältnissen ein mehr oder weniger großer Teil des in der Vorlauf leitung la strömenden Wassers durch eine im Heizungswasserkreislauf angeordnete Umwälzpumpe 8 abgezogen und durch die Heizkörper 5 gepumpt wird, wohingegen im Sommerbetrieb das Wasser lediglich durch den Kessel 1 strömt, um die Brauchwassererwärmung im Boiler 3 sicherzustellen.
Die Wärmepumpe 2, die mit einer Umwälzpumpe 9 und einer Rückschlagsperre 10 im Wasserkreislauf bestückt ist, steht über ihre Vorlaufleitung 2a und ihre Rücklaufleitung Ib unmittelbar mit dem Wassermantel im Heizkessel 1 in Verbindung. Dabei ist die Rücklauf leitung \b des Kessels vor dem Eintritt in den Kessel an die Vorlaufleitung 2a der Wärmepumpe angeschlossen, wohingegen der Wärmepumpen-Rücklauf Ib von der Vorlaufleitung la abzweigt Selbstverständlich könnte der Anschluß der Wärmepumpe an den ι ο Wasserkreislauf auch an anderer Stelle erfolgen. Es muß lediglich dafür gesorgt sein, daß die Durchströmung des Heizkessels zur Boilererwärmung in der gleichen Richtung erfolgt. Befindet sich der Boiler 3 außerhalb des Heizkessels so kann die Wärmepumpe direkt an ihn is angeschlossen werden.
Neben den üblichen Temperaturfühlern zur Steuerung des Heizkessels sind in der Rücklaufleitung zur Wärmepumpe zwei Temperaturfühler 11 und 12 angeordnet, während ein dritter Temperaturfühler 13 die Temperatur der Zuluft mißt, die dem Verdampfer der Wärmepumpe zugeführt wird.
Die Betriebsweise ist folgende: Liegt die vom Temperaturfühler 13 gemessene Umgebungstemperatur über einem vorgegebenen Mindestwert von beispielsweise 5°C, so ist die Wärmepumpe entriegelt und entsprechend dem Wärmebedarf in Betrieb, wohingegen der Brenner 14 verriegelt ist. Das am nicht näher dargestellten Kondensator der Wärmepumpe aufgewärmte Wasser wird durch die Umwälzpumpe 9 μ und durch die Vorlaufleitung 2a dem Kessel und damit dem Boiler 3 zugeführt, um das Brauchwasser auf die vorgegebene Temperatur zu erwärmen bzw. auf dieser Temperatur zu halten. Das Wasser strömt dann über die Rücklaufleitung 2b wieder zur Wärmepumpe 2 zurück. Ist zusätzlich zur Brauchwassererwärmung auch die Raumheizung angeschaltet, so wird von der Umwälzpumpe 8 ein Teil des zirkulierenden Wassers aus der Vorlaufleitung la abgesaugt, durch die Heizkörper 5 hindurchgepumpt und über die Rücklaufleitung \b wieder dem Wärmepumpenvorlauf 2a zugemischt. Die Steuerung dieses Kreislaufes kann in der üblichen Weise durch das Vierwegemischventil 4 erfolgen.
Die Überwachung der Wassertemperatur erfolgt durch den Temperaturfühler 11, und zwar derart, daß die Wärmepumpe eingeschaltet wird, sobald die Rücklauftemperatur beispielsweise 500C unterschreitet, und daß sie abgeschaltet wird, wenn die Rücklauftemperatur beispielsweise über 55°C beträgt.
Wird beispielsweise durch sehr hohe Brauchwasserin entnahme soviel Wärme entzogen, daß die Kapazität der Wärmepumpe nicht mehr ausreicht, so sinkt die Rücklauftemperatur zwangsläufig ab. Sinkt sie unter einen vorgegebenen Wert von beispielsweise 45°C, so schaltet der Temperaturfühler 12 unter Überbrückung >5 der Brennerverriegelung den Brenner ein. Die Wärmepumpe läuft dabei jedoch weiter, so daß Parallelbetrieb herrscht. Dadurch kann in kurzer Zeit eine hohe Wärmemenge zur Verfügung gestellt werden. Ist die Rücklauftemperatur wieder auf einen gewünschten M' Wert von beispielsweise 500C angestiegen, so schaltet der Temperaturfühler 12 den Brenner aus und die Brennerverriegelung aufgrund des Temperaturfühlers 13 tritt wieder in Funktion.
Fälit die vom Temperaturfühler 13 gemessene ^ Außentemperatur unter einen vorgegebenen Wert von beispielsweise 5°C ab, so daß der Wirkungsgrad für die Wärmepumpe schlecht ist, so wird die Wärmepumpe verriegelt und die gesamte Wärmeerzeugung erfolgt
nur noch durch den ölbrenner 14. Die Überwachung der Wassertemperatur erfolgt in diesem Fall durch die übliche Kessel-Steuerung. Es ist daher ein einfacher Anbau der Wärmepumpe an bereits bestehende Kesselanlagen möglich.
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Temperaturfühler 11 und 12 nicht in der Wärmepumpe, sondern am Kesselausgang bzw. am Boilerausgang vorzusehen, so daß sie nicht nur zur Steuerung der Wärmepumpe, sondern auch zur Steuerung des ölbrenners 14 dienen.
Ferner besteht die Möglichkeit, die Temperaturfühler 11 und 12 in einem einzigen Temperaturfühler zu kombinieren, der bei den vorgegebenen Temperaturen die verschiedenen An- und Ausschaltsignale auslöst.
Durch die Zusammenschaltung der Temperaturfühler 11,12 und 13 wird dafür gesorgt, daß die Wärmepumpe auf einem geringfügig höheren Temperaturniveau als der Kessel betrieben wird, sofern dies die Außentemperatur und der Wärmebedarf zulassen. Ein »Pendeln« der Wärmepumpe bei Zulufttemperaturen um 5°C wird vermieden, da in diesem Temperaturbereich weitgehend Parallelbetrieb vorherrscht. Das heißt, die Kesselwassertemperatur wird in diesem Temperaturgrenzbereich der Zulufttemperatur weitgehend vom Brenner auf 55°C gehalten, so daß die Wärmepumpe
κι nicht mehr so häufig anläuft. Die Umschaltung auf Parallelbetrieb bei erhöhtem Wärmebedarf, wie er vor allem im Heizbetrieb mit gleichzeitiger Brauchwasserentnahme morgens und abends auftritt, erfolgt vollautomatisch. Die Brennstoffeinsparungen sind erheblich
i) größer, da die Wärmepumpe bei erhöhtem Wärmebedarf zusätzlich zum Brenner mitarbeitet.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Betriebsschaltung für eine mit einem Heizkessel kombinierte Wärmepumpe, wobei beide Wärmeerzeuger über ihre Vor- und Rücklaufleitung an denselben Wasserkreislauf angeschlossen sind und ihre Ein- und Ausschaltzeitpunkte durch Temperaturfühler bestimmt sind, die sowohl die Wassertemperatur als auch die Außentemperatur überwachen, wobei der Betrieb der Wärmepumpe nur bei ι υ Überschreiten einer vorgegebenen Außentemperatur möglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß der im Wasserrücklauf angeordnete Temperaturfühler (11) die Wärmepumpe (2) bei Unterschreiten einer vorgegebenen Temperatur Ti unabhängig vom Betrieb des Heizkessels (1) einschaltet und daß das Einschalten des Heizkessels (1) ebenfalls durch einen Temperaturfühler (12) im Wasserrücklauf erfolgt, der bei Unterschreiten einer vorgegebenen Temperatur T2, die kleiner als Γι ist, den Heizkessel (1) unabhängig vom Betrieb der Wärmepumpe (2) einschaltet.
2. Betriebsschaltung nach Anspruch 1, wobei der Heizkessel einen Boiler zur Brauchwassererwärmung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der 2^ Wärmepumpen-Vorlauf (2a) an den Heizkessel (1) angeschlossen ist.
3. Betriebsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücklaufleitung (2b) zur Wärmepumpe (2) zwischen dem Heizkessel- ;" austritt und einem Mischventil (4) für den Heizkörperkreislauf angeschlossen ist.
4. Betriebsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturfühler (11 und 12) im Wärmepumpen- r> rücklauf (2b) angeordnet sind.
5. Betriebsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Temperaturfühler (U und 12) in einem einzigen Fühlerelement zusammengefaßt sind.
6. Betriebsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmepumpe (2) eine integrierte Umwälzpumpe (9) aufweist und daß eine weitere Umwälzpumpe (8) im Heizkörperkreislauf vorgesehen ist. «
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