DE3037637C2 - Warmwasser-Heizungsanlage mit Wärmepumpe und Wärmepuffer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Warmwasser-Heizungsan- " lage mit Wärmepumpe, deren Kondensator von einem Doppelrohr-Wärmetauscher gebildet ist, dessen Innenrohr im Kreislauf über eine Umwälzpumpe an einen Wärmepuffer angeschlossen ist, der aus einem mit Heizwasser gefüllten aufrechtstehenden Pufferbehälter mit Anschlüssen für den Heizwasservor- und -rücklauf besteht

Zweck eines solchen Wärmepuffers ist es, den stoSartigen Wärmebedarf der Heizungsanlage gegenüber der verhältnismäßig geringen Leistung der Wärmepumpe auszugleichen und zu verhindern, daß letztere zu kurze Laufzeiten hat.

Bei den in der Praxis üblichen Warmwasser-Heizungsanlagen der eingangs genannten Art ist der in eine wirksame Isolierung eingeschlossene Kondensator mit dem Innenrohr über isolierte Rohrleitungen an den Pufferbehälter nahe dessen unterem bzw. oberem Ende angeschlossen, wobei die Umwälzpumpe zumeist in der oberen Leitung angeordnet ist und im Betrieb den Wasserinhalt des Pufferbehälters mehr oder weniger verwirbelL Aufgrund der geringen Leistung der Wärmepumpe kann es deshalb mehrere Stunden dauern, bis das Heizwasser im Pufferbehälter seine volle Betriebstemperatur erreicht hat. Diese lange Aufwärmzeit ist auch dadurch bedingt, daß die Leistung der Wärmepumpe stark von der Temperatur und damit dem Druck des Kältemittels im Kondensator abhängt Die Wärmepumpe arbeitet deshalb bei kaltem Wärmepuffer nur mit verminderter Leistung und erreicht die volle Nennleistung erst, wenn der Wasserinhal» des Wärmepuffers die vorgesehene Betriebstemperatur erreicht hat Die Wärmepumpe gibt folglich gerade dann, wenn von ihr die größte Leistung benötigt wird, nur einen Teil ihrer vollen Leistung ab und steigert die abgegebene Leistung erst allmählich mit zunehmender Erwärmung des Pufferinhalts.

Bei bloßer Brauchwasserbereitung mit einer Wärmepumpe ist es in der Praxis auch bereits bekannt, den Kondensator als einfache Rohrschlange in einem Brauchwasserboiler anzuordnen. Versuche, diese Anordnung auf Warmwasser-Heizungsanlagen mit Anordnung der Rohrschlange innerhalb des Pufferbehälters zu übertragen, haben jedoch zu mangelhaften Ergebnissen geführt. Die Erwärmung des ruhenden Pufferinhalts ist so ungleichmäßig, daß das Heizwasser in von der Rohrschlange entfernten Bereichen des Pufferbehälters noch kalt ist, wenn der Kondensator bereits seine volle Betriebstemperatur erreicht hat und die Wärmepumpe zur Vermeidung einer Überlastung abgeschaltet werden muß.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Warmwasser-Heizungsanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher die Wärmepumpe in wesentlich kürzerer Zeit als bei den bekannten Anlagen mit voller Leistung arbeitet und entsprechend früher im Wärmepuffer Heizwasser zu Heizzwecken mit der gewünschten Vorlauftemperatur zur Verfügung steht

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Kondensator innerhalb des Pufferbehälters in dessen oberem Bereich angeordnet ist und sein Innenrohr mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen in den oberen Bereich des Pufferbehälters mündet, während die Umwälzpumpe aus dem unteren Bereich des Pufferbehälters saugt, und daß im Normalbetrieb der Kältemitteldruck im Außenrohr des Kondensators mit Hilfe der Fördermenge der Umwälzpumpe auf einen konstanten Wert geregelt wird.

Die Anordnung des Kondensators einer Wärmepumpe innerhalb eines Pufferbehälters zum Ausgleich des stoßartigen Wärmebedarfs einer Heizungsanlage ge-

genüber der verhältnismäßig geringen Leistung der Wärmepumpe ist zwar für sich aus der DE-OS 26 04 942 bereits bekannt Dort befindet sich jedoch nicht nur der Kondensator, sondern die gesamte Wärmepumpe mit dem Verdampfer und dem Verdichter innerhalb des Pufferbehälters, welcher im Unterschied zur vorliegenden Erfindung nicht mit Heizwasser, sondern einer sowohl vom Heizwassersystem als auch vom Wärmepumpensystem getrennten Flüssigkeit wie z.B. Ol gefüllt ist Die vorbekannte Heizungsanlage arbeitet demzufolge nach einem anderen System, auf welches cie übrigen kennzeichnenden Merkmale der vorliegenden Erfindung nicht anwendbar sind.

Demgegenüber arbeitet die erfindungsgemäße Heizungsanlage wie folgt:

Beim Anfahren der Heizungsanlage, wenn das Heizwasser im Wärmepuffer noch kalt ist, bieibt die Umwälzpumpe zunächst außer Betrieb, und es wird kein Wasser aus dem Pufferbehälter durch das Innenrohr des Kondensators gepumpt Der Kondensator arbeitet folglich mit seinem vom heißen Kältemittel durchströmten Außenrohr wie ein Tauchsieder und gibt die von der Wärmepumpe geförderte Wärmeenergie an das umgebende Heizwasser im oberen Bereich des Wärmepuffers ab. Dadurch steht bereits nach kurzer Zeit warmes Wasser für Heizzwecke zur Verfugung. Wenn durch diese Erwärmung die vorgesehene Temperatur und damit der vorgesehene Druck des Kältemittels im Außenrohr des Kondensators erreicht sind, läuft die Umwälzpumpe an und fördert zunehmend kaltes Heizwasser aus dem unteren Bereich des Pufferbehälters durch das Innenrohr des Kondensators, wodurch der Druck des Kältemittels auf seinem optimalen Wert, beispielsweise 23 bar entsprechend einer Temperatur von 55—60⁰C konstant gehalten wird und die Wärmepumpe mit ihrer maximalen Leistung arbeitet. Auf diese Weise ist es möglich, anstelle eines teueren regelbaren Expansionsventils im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe eine feste Düse vorzusehen, die auf die optimalen Betriebsverhältnisse der Wärmepumpe ausgelegt ist. Das durch die Umwälzung aus den vielen Austrittsöffnungen des Innenrohrs mit geringer Strömung in den oberen Bereich des Pufferbehälters austretende erwärmte Heizwasser führt unter Aufrechterhaltung einer sich absenkenden ausgeprägten Trennschicht zu einer fortschreitenden Vergrößerung des Warmwasseranteils im Behälter, während die Umwälzpumpe nach wie vor kaltes Wasser aus dem unteren Behälterbereich ansaugt, das im Innenrohr des Kondensators unter voller Leistung der Wärmepumpe erwärmt wird. Diese wird erst abgeschaltet, wenn die Trennschicht zwischen warmem und kaltem Wasser den Behälterboden erreicht hat und damit der gesamte Inhalt des Wärmepuffers auf Betriebstemperatur gebracht worden ist.

Da der Heizwasservorlauf grundsätzlich vom oberen Ende des Wärmepuffers ausgeht, steht schon nach kurzer Zeit warmes Heizwasser zu Heizzwecken zur Verfugung. Damit das hierbei zurückgeführte Heizwasser, dem ein Teil seiner Wärme in den Heizwasserverbrauchern entzogen worden ist, die Schichtung im Wärmepuffer nicht stört, mündet in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung der Heizwasserrücklauf unterhalb des Kondensators in den Pufferbehälter und weist einen derart großen Austrittsquerschnitt auf, daß eine Verwirbelung des Heizwassers im Pufferbehälter im wesentlichen vermieden ist. Dies kann besonders vorteilhaft dadurch verwirklicht werden, daß der Heizwasserrücklauf ein horizontalem Rucklaufrohr mit einer Vielzahl von horizontal gerichteten Auslaßöffnungen aufweist Je nach der Lage der Trennschicht zwischen warmem und kaltem Wasser fällt oder steigt dann das aus diesen Auslaßöffnungen austretende rückgeführte Heizwasser.

Um nach vollständiger Erwärmung des Pufferinhalts auf die vorgesehene Betriebstemperatur eine Überlastung der Wärmepumpe zu vermeiden, iyt nach einem anderen Ausgestaltungsmerkmal der erfindungsgemäßen Heizungsanlage in der Zuleitung für das Heizwasser zum Innenrohr des Kondensators ein Temperaturfühler angeordnet der die Wärmepumpe und die Umwälzpumpe bei Erreichen einer bestimmten Heizwassertemperatur abschaltet

Besonders zweckmäßig ist es, den Kondensator als aufrei.htstehende Doppelrohrwendel auszubilden. Mit dieser Ausgestaltung läßt sich die Vielzahl von Austrittsöffnungen für das Innenrohr des Kondensators besonders vorteilhaft dadurch verwirklichen, daß das Innenrohr des Kondensators am oberen Ende der Doppelrohrwendel um eine Windung länger als das Außenrohr ist und die Austrittsöffnungen des Innenrohrs am Umfang dieser Windung verteilt sind. Mit der erfindungsgemäßen Heizungsanlage läßt sich auch Brauchwasser auf einfachste Weise und in kürzester Zeit aus der Energiezufuhr der Wärmepumpe erzeugen. Hierzu ist gemäß einem besonderen Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung im Pufferbehälter oberhalb des Kondensators unmittelbar vor den Austrittsöffnungen des Innenrohrs ein Brauchwassererhitzer angeordnet ist. Durch die Einbeziehung des Brauchwassererhitzers in den Wärmepuffer entfällt nicht nur die unwirtschaftliche Aufstellung eines gesonderten Brauchwasserboilers, der trotz seiner Wärmeisolation erhebliche Energieverluste verursacht; die gute Wärmeübertragung infolge der unmittelbaren Anströmung des Brauchwassererhitzers mit warmem Heizwasser aus dem Innenrohr des Kondensators gestattet es sogar, den Brauchwassererhitzer als Durchlauferhitzer auszugestalten, wodurch sich die Gesamtabmessungen des Wärmepuffers praktisch nicht erhöhen.

Die erfindungsgemäße Heizungsanlage läßt sich mit Vorteil auch bei einer bivalent-parallel bzw. bivalent-alternativ arbeitenden Warmwasser-Heizungsanlage verwenden, bei welcher neben der Wärmepumpe auch ein herkömmlicher Heizwasserkessel vorhanden ist, in dem nach einem besonderen Merkmal zur vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Heizwasseranschlüsse des Wärmepuffers zum Anschluß an mindestens einen solchen herkömmlichen Heizwasserkessel ausgebildet sind. Dadurch wird der Wärmepuffer auch bei Betrieb mit dem Heizkessel allein oder Mischbetrieb in den Heizwasserkreislauf einbezogen und bildet zumindest mit einem Teil seines Wasserinhalts einen zusätzlichen Speicher, von welchem insbesondere das Brauchwasser erhitzt wird, so daß der übliche Brauchwassererhitzer im Heizwasserkessel entfallen kann.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Warmwasser-Heizungsanlage ist im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Warmwasser-Heizungsanlage nach der Erfindung mit einem ^b5 Vertikalschnitt durch den Wärmepuffer gemäß Linie A-A für den oberen Pufferteil und B-B für den unteren Pufferteil nach F i g. 2 und
F i g. 2 eine Draufsicht auf den Wärmepuffer.

Die in der Zeichnung ohne die Verbraucher gezeigte Warmwasser-Heizungsanlage weist einen Wärmepuffer 1 auf, der aus einem geschlossenen Pufferbehälter 2 und einem von zwei Kältemittelleitungen 4 und 5, einem Heizwasservorlauf 6 und einem Heizwasserrücklauf 7 durchsetzten Deckel 3 besteht. Im Inneren des Pufferbehälters 2 ist in dessen oberem Bereich ein Kondensator 8 angeordnet. Der Kondensator 8 besteht aus einem Doppelrohr-Wärmetauscher mit einem Innenrohr 9, das in ein Außenrohr 10 koaxial eingeschoben ist. Das untere Ende des Innenrohrs 9 ist an eine Zuleitung 11 angeschlossen, die zum unteren Bereich 12 des Wärmepuffers 1 führt. In die Zuleitung 11 sind eine Umwälzpumpe 13 sowie ein Rückschlagventil 14 eingeschaltet. Vor der Umwälzpumpe 13 und hinter dem Rückschlagventil 14 ist je ein Absperrschieber 15 eingeschaltet Der Raum zwischen dem Innenrohr 9 und dem Außenrohr 10 des Kondensators 8 ist vom Kältemittel durchflossen. Hierbei ist das obere Ende des Außenrohres 10 an die Kältemittelleitung 5 angeschlossen. Das Innenrohr 9 endet im oberen Bereich des Wärmepuffers 1. Die letzte Windung des Innenrohrs 9 liegt frei im Wasser des Wärmepuffers 1 und weist an ihrer Oberseite eine Vielzahl von Austrittsöffnungen 22 auf, verteilt auf ihren ringförmigen Umfang. Oberhalb des Endes des Innenrohrs 9 ist mit geringem Abstand ein Brauchwassererhitzer 23 angeordnet, der entsprechend dem ringförmigen Ende des Innenrohrs 9 ausgebildet ist Der mit einem Kaltwasserzulauf 24 und mit einem Warmwasseraustritt 26 versehene Brauchwassererhitzer 23 liegt also unmittelbar über den Austrittsöffnungen 22 und dem Kondensator 8, so daß er wirksam mit dem warmen Wasser in Berührung kommt Unterhalb des Brauchwassererhitzers 23 ist am Pufferbehälter 2 ein Heizwasseranschluß 25 vorgesehen, dessen Funktion nachstehend noch erläutert werden wird.

Der Heizwasserrücklauf 7 endet als Rohr im unteren Bereich des Wärmepuffers 1 innerhalb des Pufferbehälters 2. Das Rohr ist mit Auslaßöffnungen 16 versehen, die zusammen einen Querschnitt aufweisen, der größer ist als der Querschnitt des Rohres des Heizwasserrücklaufs 7, so daß das aus den Auslaßöffnungen 16 austretende Wasser eine relativ geringe Geschwindigkeit hat und beim Eintritt in das Heizwasser des Wärmepuffers 1 keine wesentlichen Verwirbelungen verursacht Das aus dem Heizwasserrücklauf 7 austretende Wasser fällt dann oder steigt, je nach seiner Temperatur relativ zum Umgebungswasser.

In die Kältemittelleitung 4 sind ein Druckmeßgerät und ein Regler 17 eingeschaltet, welche den von der Wärmepumpe 18 kommenden Druck des Kältemittels messen und die Drehzahl und damit die Leistung der Umwälzpumpe 13 so regeln, daß der Kältemitteldruck im Kondensator 8 auf einen konstanten Wert geregelt wird. Die Wärmepumpe 18, die über die Kältemittelleitungen 4 und 5 an den Kondensator 8 im Wärmepuffer 1 angeschlossen ist, kann beliebiger Art sein.

Im Wärmepuffer 1 und in der Zuleitung 11 sind je ein Temperaturfühler 19 bzw. 20 eingeschaltet, deren Meßwerte einer Schalteinrichtung 21 zugeführt werden.

■-> Die Heizungsanlage arbeitet wie folgt: Befindet sich kaltes Wasser im Wärmepuffer 1, so wird der Druck des Kältemittels in der Kältemittelleitung 4 so niedrig sein, daß der Regler 17 die Umwälzpumpe 13 außer Betrieb hält. Bei dieser Betriebsweise durchströmt das Kältemit-

Hi tel den Kondensator 8 und gibt seine Wärme ähnlich einem Tauchsieder an die Umgebung ab. Da sich der Kondensator 8 im oberen Viertel des Wärmepuffers 1 befindet, wird dieser Bereich des Wärmepuffers 1 sehr schnell erwärmt, so daß bereits nach kurzer Zeit der Heiz- oder Brauchwasserbetrieb aufgenommen werden kann. Steigt die Temperatur des Heizwassers in der Umgebung des Kondensators 8, so erhöht sich der Druck des Kältemittels in der Kältemittelleitung 4, und die Umwälzpumpe 13 wird eingeschaltet. Nunmehr wird

2i) kaltes Wasser aus dem unteren Bereich des Wärmepuffers 1 dosiert dem Kondensator 8 durch das Innenrohr 9 zugeführt. Die Leistung der Umwälzpumpe 13 wird so gesteuert, daß der Druck des Kältemittels in der Kältemittelleitung 4 im wesentlichen konstant gehalten wird. Sollte die Umwälzpumpe 13 zuviel kaltes Wasser aus dem unteren Bereich des Pufferbehälters 2 fördern, so daß der Druck in der Kältemittelleitung 4 sinkt, so regelt der Regler 17 die Leistung der Umwälzpumpe 13 so lange herunter, bis der Druck wieder auf seinen vorgegebenen Sollwert steigt. Hierdurch kann jeweils die optimale Menge Wasser zu der Nennleistung der Wärmepumpe 18 erwärmt werden.

Der oberhalb des Kondensators 8 angeordnete Brauchwassererhitzer 23 wird über den Kaltwasserzulauf 24 mit Kaltwasser gespeist und gibt über den Warmwasseraustritt 26 sein Warmwasser ab. In den Warmwasseraustritt 26 ist ein Temperaturfühler 27 eingeschaltet, der die Temperatur des warmen Brauchwassers mißt Sollte diese Temperatur zu niedrig sein, was auf eine zu niedrige Temperatur im Wärmepuffer 1 zurückgeht, so wird entweder die Wärmepumpe 18 zugeschaltet oder, falls diese bereits arbeiten sollte und keine ausreichende Leistung erbringt, eine Zusatzheizung eingeschaltet Über diese Zusatzheizung wird dann über den Heizwasservorlauf 6 warmes Wasser in den Wärmepuffer 1 eingedrückt, das unmittelbar auf den Brauchwassererhitzer 23 trifft Dicht unterhalb des Brauchwassererhitzers 23 ist der oben erwähnte Heizwasseranschluß 25 angeordnet, über den das über den Heizwasservorlauf 6 eingedrückte Wasser zur Zusatzheizung zurückfließt Diese Anordnung gestattet es, auf einen zusätzlichen Behälter für die Brauchwassererzeugung zu verzichten. Erreichi die Temperatur in der Zuleitung 11 einen vorgegebenen Sollwert, so werden die Wärmepumpe 18 und die Umwälzpumpe 13 abgeschaltet

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Wannwasser-Heizungsanlage mit Wärmepumpe, deren Kondensator von einem Doppelrohr- Warmetauscher gebildet ist, dessen Innenrohr im Kreislauf über eine Umwälzpumpe an einen Wärmepuffer angeschlossen ist, der aus einem mit Heizwasser gefüllten aufrechtstehenden Pufferbehälter mit Anschlüssen für den Heizwasservor- und ι ο -rücklauf besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (8) innerhalb des Pufferbehälters (2) in dessen oberem Bereich angeordnet ist und sein Innenrohr (9) mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen (22) in den oberen Bereich des Pufferbehälters (2) mündet, während die Umwälzpumpe (13) aus dem unteren Bereich des Pufferbehälters (2) saugt, und daß im Normalbetrieb der Kältemitteldruck im Außenrohr (10) des Kondensators (8) mit Hilfe der Fördermenge der Umwälzpumpe (13) auf einen konstanten Wert geregelt wird.

2. Heizungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwasserrückiauf (7) unterhalb des Kondensators (8) in den Pufferbehälter (2) mündet und einen derart großen Austrittsquerschnitt aufweist, daß eine Verwirbelung des Heizwassers im Pufferbehälter (2) im wesentlichen vermieden ist

3. Heizungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwasserrücklauf (7) ein horizontales Rücklaufrohr mit einer Vielzahl von horizontal gerichteten Auslaßöffnungen (16) aufweist.

4. Heizungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zuleitung (11) für das Heizwasser zum Innenrohr (9) des Kondensators (8) ein Temperaturfühler (20) angeordnet ist, der die Wärmepumpe (18) und die Umwälzpumpe (13) bei Erreichen einer bestimmten Heizwassertemperatur abschaltet.

5. Heizungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (8) als aufrechtstehende Doppelrohrwendel ausgebildet ist. "5

6. Heizungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (9) des Kondensators (8) am oberen Ende der Doppelrohrwendel um eine Windung langer als das Außenrohr (10) ist und die Austrittsöffnungen (22) des Innenrohrs (9) am Umfang dieser Windung verteilt sind.

7. Heizungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis

6, dadurch gekennzeichnet, daß im Pufferbehälter (2) oberhalb des Kondensators (8) unmittelbar vor den Austrittsöffnungen (22) des Innenrohrs (9) ein Brauchwassererhitzer (23) angeordnet ist.

8. Heizungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis

7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwasseranschlüsse (6, 25) zum Anschluß an mindestens einen herkömmlichen Heizwasserkessel ausgebildet sind.