DE3108139A1

DE3108139A1 - Verfahren und anlage zur warmwasserbereitung und raumkuehlung

Info

Publication number: DE3108139A1
Application number: DE19813108139
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Sigloch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-03-04
Filing date: 1981-03-04
Publication date: 1982-09-23

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur I

Warmwasserbereitung und Raumkühlung, wie im Oberbegriff [:

des Anspruchs 1 beschrieben, insbesondere zur Anwendung '■

in Wohnhäusern und kleineren Betrieben. j

Mit einem solchen Verfahren und einer entsprechenden Anlage . j kann zentral Brauchwarmwasser bereitet werden und gleich- j

zeitig ein Raum, z. B. der Vorratsraum oder Heizungsraum, i

gekühlt werden. ;

Es ist bekannt, für diese Zwecke eine Kleinwärmepumpe i

(Bild 1/1) z.B. im Vorratsraum aufzustellen, die dessen Luft Wärme entzieht (s. Prospekt der Fa. Happel, Herne, über die Brauchwasserwärmepumpe BW 300) und Brauchwasser in einem Speicher (2) erwärmt. Allerdings sind die meisten Vorratsräume viel zu klein, um auf diese Weise aus dem geschlossenen Raum genügend Wärme gewinnen zu können (bei Einfamilienhäusern Brauchwasserenergiebedarf ca. 10 kWh/Tag, aus einer Raumluftmenge von 40 Kubikmetern werden bei Abkühlung um 10° C ca. 0,15 kWh frei). Um die Wärmepumpe besser auszunutzen, wird von Heizungsfirmen empfohlen, die Wärmepumpe in der Nähe eines offenen Fensters aufzustellen, um Außenluft beizumischen. Dabei kann jedoch ausreichende Raumkühlung im Sommer nicht mehr garantiert werden, während in der kälteren Jahreszeit der durch das Fenster unkontrolliert beigemischte Anteil Außenluft evtl. nicht ausreicht, auch wenn die Außentemperatur noch über der Bivalenztemperatur liegt, die Wärmepumpe längere Zeit zu betreiben.

Die Wärmepumpe könnte besser ausgenutzt werden, wenn sie, wie in der Heizungstechnik üblich, auf der Zu- und/oder Abluftseite je einen Luftkanal erhalten würde, die ins Freie führen, jedoch wäre damit keine Raumkühlung möglich.

Heizenergie, die nicht von der Wärmepumpe gewonnen wird, muß durch eine, relativ unwirtschaftliche, Zusatzheizung (5) erbracht werden.

Der Erfindung liegen folgende Aufgaben zugrunde:

- Warmwasser ausschließlich mit der Wärmepumpe zu bereiten, solange die Außentemperatur über derBivalenztemperatur liegt;

- die Raumkühlung aufrecht zu erhalten, solange die Speichertemperatur den Wärmepumpenbetrieb erlaubt, d.h. solange sie unter ihrem.Sollwert liegt und außerdem, den Wärmepumpenbetrieb möglichst lange auszudehnen;

- bei Verwendung einer elektrischen Wärmepumpe diese während der Niedertarifzeit den Hauptanteil ihrer Heizarbeit erbringen zu lassen, wobei jedoch Wärmepumpenbetrieb bei Hochtarif dem Zusatzheizungsbetrieb vorzuziehen ist.

Diese Aufgaben werden erfindungsmäßig so gelost, wie dies in den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche angegeben ist.

Anders als bisher, wird bei der Erfindung nicht entweder nur Raumluft oder, über Kanäle, nur Außenluft von der Wärmepumpe ungewälzt, und man läßt auch nicht, etwa durch ein Fenster, Außenluft sich mit der Raumluft vermischen und führt dieses Gemisch der Wärmepumpe zu. Vielmehr verhindert man durch die Trennung der Entnahmestellen (Bild 2/14, 15), daß die Außenluft die Raumtemperatur unkontrollierbar beeinflußt. Durch die Steuerung oder Regelung des Raumluftanteils erreicht man, daß von der Kühlleistung der Wärmepumpe (1), die indirekt durch die Speichertemperaturregelung vorgegeben wird, ein Anteil an die Raumluft abgegeben wird, der zwischen O und 1OO# variiert werden kann. Raumkühlung und Warmwasserbereitung sind damit entkoppelt, solange die Kühlleistung der. Wärmepumpe die für den Raum erforderliche übersteigt.

Der Raumtemperaturregler wirkt mit seinem Ausgang entweder- v

direkt auf den Verstellantrieb der Luftklappen (4) oder er ;

gibt den Sollwert für eine unterlagerte Stellungsregelung j

der Luftklappen vor. Wenn die Raumtemperatur über ihren \.

Sollwert steigt, verstellt er die Luftklappen so, daß mehr >

Raumluft und weniger Außenluft durch die Wärmepumpe strömen, J

wenn sie darunter sinkt, verstellt er in umgekehrter Richtung. ·

Bei einer stetigen Raumtemperaturregelung müssen auch \.

Änderungen der Außentemperatur mit ausgeregelt werden. Bei \

einer Zweipunktregelung entfällt dies, da Raum- und Außenluft j

abwechselnd der Wärmepumpe zugeführt werden, sie vermischen j

sich in diesem Fall nicht. '

Insbesondere kann die Wärmepumpe auch dann noch betrieben \

werden, wenn die Raumtemperatur nicht mehr weiter sinken darf, '

nämlich mit reiner Auisenluft, sofern deren Temperatur über der {.

Bivalenztemperatur liegt. j

Der andere Sonderfall, daß die Wärmepumpe nur mit reiner ί

Raumluft betrieben wird, ist einmal gegeben, wenn die Außen- '.

temperatur unter der Bivalenztemperatur liegt, es ist dann !

technisch nur möglich, die Raumluft als Wärmequelle für die ; Wärmepumpe heranzuziehen. Zum andern werden elektrische Wärme-

pumpen teilweise während der Hochtarifzeit absichtlich so ;

betrieben, nämlich im Sommer, wenn die Wärmepumpe auch während ^: der Niedertarifzeit (nachts) ausreichend hohe Außentemperaturen
vorfindet. Man "beschrankt sich dann während der Hochtarif zeit
(tagsüber) auf die Raumkühlung und bereitet die wesentliche
Warmwassermenge während der Niedertarifzeit.

Wenn die Wärmepumpe steht, wird zu- und abluftseitig die
Verbindung zur Außenluft durch die Luftklappen (4) gesperrt.
Dadurch wird die Wärmepumpe im Winter vor Prost geschützt.

Da die Wärmepumpe nur laufen kann, wenn noch Wasser im Speicher (2) zu erwärmen ist, ist es günstig, die volle Warmepumpenleistung einzusetzen, bis. die Speichertemperatur einige Grade unter ihrem Sollwert liegt, und dann die Leistung zu vermindern, vorausgesetzt, daß die Wärmepumpe leistungsregelbar ist. Auf diese Weise wird das Ende der Warmwasserbereitung hinausgezögert und damit über längere Zeit die Raumkühlung erhalten.

Technisch durchführbar ist dies durch einen Speichertemperaturregler mit P-Verhalten, dessen Ausgang die Wärmepumpenleistung steuert. Seine Verstärkung wird so gewählt, daß sein Ausgang die obere Begrenzung erreicht, wenn die Speichertemperatur einige Grade unter die Solltemperatur sinkt.

Wenn die Wärmepumpe nicht leistungsregelbar ist, kann das Ende der Warmwasserbereitung hinausgezögert werden, indem die Wärmepumpe am Schluß nur noch mit Raumluft, als Wärmequelle, betrieben wird, wobei eine effektive Leistungsminderung durch das Aus- und Einschalten der Wärmepumpe, aufgrund der Raumtemperaturregelung, erreicht wird.

Die Luftklappen (Bild 2/4) werden zweckmäßigerweise so ausgelegt, daß sie es erlauben, den Raumluftanteil im Gesamtluftstrom proportional zu der Klappenstellung zu verändern, ohne daß eine wesentliche Änderung des Gesamtluftstroms (= Raumluftstrom + Außenluftstrom) eintritt. Dies gilt, wenn eine stetige Raumtemperaturregelung angewandt wird. Bei einer Zweipunktregelung reichen Klappen, die entweder nur Raumluft oder nur Außenluft durchlassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Bild 5 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

■Μ-

Der grobe Aufbau der Anlage ist im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 5 beschrieben. Raumthermostat (Bild 2/17)» Außenthermostat (18) und Speicherthermostat (19) sind Schalter, die bei Überschreiten eines oberen Temperaturgrenzwerts schalten und, da mit einem gewissen Totbereich behaftet, bei Unterschreiten eines unteren Temperaturgrenzwerts zurückschalten. Der Stromtarifgeber (20) ist ein Kontakt, der Niedertarif/Hochtarif meldet. Wärmepumpe (1) und Zusatzheizung (3) werden vom Steuer- und Regelgerät (16) entweder ein- oder ausgeschaltet. Raumluft- (4a) und Außenluftklappen (4b) werden entweder ganz auf- oder ganz zugesteuert, wenn die einen geöffnet werden, werden die andern geschlossen. Es werden handelsübliche elektrische Lamellenklappen verwendet.

Das Steuer- und Regelgerät koordiniert die Zusammenarbeit der einzelnen Anlagenkomponenten. Seine Wirkungsweise ist, soweit diese mit der Wärmepumpe zusammenhängt, in den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 5 und 6 beschrieben. Die elektrische Zusatzheizung wird dann eingeschaltet, wenn die Raumtemperatur einen unteren Grenzwert unterschritten hat, die Außentemperatur unter der Bivalenztemperatur liegt, und Niedertarifzeit ist.

Am Steuer- und Regelgerät kann ein Taster angebracht sein, dessen Betätigung ein einmaliges, unbedingtes Aufheizen des Speicherinhalts auf/Solltemperatur bewirkt, also auch wenn dies mit der Zusatzheizung während der Hochtarifzeit geschehen müßte.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß das Steuer- und Regelgerät folgende Prioritäten setzt:

1. Wärmepumpenbetrieb mit Raumluft

2. Wärmepumpenbetrieb mit Außenluft

3. Zusatzheizungsbetrieb.

Wenn die Außentemperatur über der Bivalenztemperatur liegt, wird zwischen 1. und 2. gewechselt, sonst zwischen 1. und 3«. Wenn der Schalter (21) in Stellung "Sommer" steht und Hochtarifzeit ist, wird nur 1. eingesetzt.

Die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 8 erwähnte Möglichkeit, die Raumluftklappen (4a) direkt an der Verzweigung des Luftkanals anzubringen, wird dann angewandt, wenn die Wärmepumpe im zu kühlenden Raum selbst aufgestellt ist. Im andern Pail wird über einen Schlauch Raumluft herangeführt.

Eine elektrische Raum- und eine Außenluftklappe könnten durch solche ersetzt werden, die sich durch Luftdruck selbsttätig öffnen. Allerdings müßte dann der Raum abgedichtet sein, sonst könnte die Luft durch Fugen strömen und sich nicht genügend Druckdifferenz aufbauen, um die Außenluftklappe zu öffnen.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind, daß die Wärmepumpe wesentlich besser ausgenutzt wird, als dies bisher bei der Brauchwasserbereitung möglich war, ohne daß dies auf Kosten der Raumkühlung geht. Die Wärmepumpe wird sogar bis an ihre technischen Grenzen ausgenutzt. Damit wird der Energieverbrauch der Anlage minimal. Die Energiekosten werden noch weiter dadurch verringert, daß die wesentliche Aufheizarbeit in der Niedertarifze it geleistet werden kann.

Die Tatsache, daß der Wärmepumpenbetrieb garantiert ist, solange die Außentemperatur über der Bivalenztemperatur liegt, erlaubt es, die Wärmepumpe so klein auszulegen, daß sie es während der Niedertarifzeit gerade schafft, den Speicherinhalt voll aufzuwärmen. Eine kleine Wärmepumpe bedeutet niedrige Investitionskosten. Eine schwache Wärmepumpe, und damit lange tägliche Laufzeiten, sind auch wegen der, damit verbundenen, guten Raumkühlung erwünscht.

-JH-

Begriffserläuterungen

Bxvalenzt emp eratur

= Lufttemperatur, unterhalb der die Wärmepumpe, z.B. wegen Vereisung, nicht mehr laufen kann und statt dessen die Zusatzheizung eingeschaltet wird.

Speichertemperatur

= Temperatur des Warmwassers im Speicher.

Raumluft

= Luft des zu kühlenden Raumes

Außenluft

= Luft außerhalb des zu kühlenden Raumes, normalerweise aus dem Freien oder aber aus einem anderen, energiemäßig für diesen Zweck praktisch unerschöpflichen Raum.

Räumt emp eratur

=· Temperatur der Luft des zu kühlenden Raumes

Außentemperatur

= Temperatur der Außenluft

Leerseite

Claims

3 10 8 13

Patentansprüche:

( 1.yVerfahren und Anlage zur Warmwasserbereitung und Raumkühlung, bei dem eine Luft - Wasser - Wärmepumpe (Bild 2/1) und wahlweise eine Zusatzheizung (3), welche beide stetig oder stufenweise leistungsregelbar sein können, Wasser oder eine andere Flüssigkeit in einem Speicher (2) temperaturgeregelt erwärmen, wobei die Temperatur durch Verändern der Heizleistung der Wärmepumpe bzw. Zusatzheizung geregelt wird; dabei wird die Kühlwirkung, die die Wärmepumpe auf die sie durchströmende Luft ausübt, dazu benutzt, einen Raum (10) temperaturgeregelt zu kühlen, da der Raumluft jedoch nicht genügend Energie zur Warmwasserbereitung entzogen werden kann, wird auch Außenluft durch die Wärmepumpe geleitet, solange die Außentemperatur über der Bivalenztemperatur liegt, während,wenn sie darunter liegt, die Zusatzheizung zur Warmwasserbereitung eingeschaltet wird, gekennzeichnet durch einen Raumluft- (Bild 2/8) und einen Außenluftkreislauf (9), deren Strömungspfade von getrennten Entnahmestellen (14, 15) der Raum- bzw. Außenluft ausgehen, vor der Wärmepumpe (1) zusammenlaufen, durch die Wärmepumpe hindurchgehen, nach der Wärmepumpe wieder verzweigen und in die Raum- bzw. Außenluft münden, und weiterhin dadurch, daß die Raumtemperatur durch automatische Steuerung oder Regelung des Luftdurchflusses im Raumluftkreislauf (8) geregelt wird, bei,von der Wärmepumpe vorgegebener ,Summe (7) der Luftdurchflüsse beider Kreisläufe.

Verfahren und Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daii der Außenluftkreislauf (Bild 2/9) in den folgenden Fällen a) u. b) gesperrt wird und dann nur Raumluft durch die Wärmepumpe (1) strömt,wobei die Raumtemperatur,auf bekannte Weise,durch Verändern der Kühlleistung der Wärmepumpe geregelt wird:

a) obligatorisch, wenn die Außentemperatur unter der Bxvalenztemperatur liegt;

b) optionell, während der Hochtarifzeit des elektrischen Stromes, unabhängig von der Außentemperatur.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ,daß beim Erwärmen des Wassers im Speicher (Bild 2/2), die Heizleistung der Wärmepumpe (1), einige Grade bevor die Temperatur im Speicher (2) ihren Sollwert erreicht, vermindert wird.

Verfahren und Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluß im Raumluftkreislauf (Bild 2/8) durch verstellbare Luftklappen (4, Prinzipdarstellung) gesteuert oder geregelt wird, die Teile eines Zu- (5) und eines Abluftkanals (6) sind, wobei diese Kanäle die in Anspruch 1 genannten Strömungspfade sind.

5. Anlage nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß an ein Steuer- und Regelgerät (Bild 3/16) eingangsseitig ein Raumthermostat (17), ein Außenthermostat (18), ein Speicherthermostat (19) und ein Strömtarifgeber (20) angeschlossen, und ausgangsseitig eine elektrische Wärmepumpe (1), 2 Raumluft- (4a) und 2 Autfenluftklappen (4b) und, wahlweise, eine elektrische Zusatzheizung (3) angeschlossen sind, wobei die Luftklappen an den Mündungen der Luftkanäle (5,6) zur Raumluft bzw. Außenluft sitzen.

Anlage nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Steuer- und Regelgerät (Bild 3/16) einen Schalter (21) mit 2 Stellungen (Sommer/Winter) besitzt, durch den es veranlaßt wird, die in Anspruch 2, Absatz b), beschriebene Option zu erfüllen (in Stellung Sommer).

7« Anlage nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuer- und Regelgerät (Bild 5/16) einen Zweipunkt-Raumtemperaturregler und «inen Zweipunkt-Speichertemperaturregler enthält' und mit diesen folgende -Funktionen durchführt:

- wenn die Speicherteniperatur (.19) einen oberen Grenzwert überschritten hat, schließt es die Außenluftklappen (4b), öffnet die Raumluftklappen (4a), und schaltet die Wärmepumpe (1) ab;

wenn die Speichertemparatur einen unteren Grenzwert unterschritten hat, verfährt es nach einem der folgenden ι Fälle a) bis e):

a) wenn die Raumtemperatur einen oberen Grenzwert überschritten hat, schließt es die Außenluftklappen, öffnet die Raumluftklappen und schaltet die Wärme- j pumpe ein; j

b) wenn die Raumtemperatur einen unteren Grenzwert j unterschritten hat und die Außentemperatur unter der ; Bivalenztemperatur liegt, schließt es die Außenluft- ■ klappen, öffnet die Raumluftklappen und schaltet die : Wärmepumpe aus; ^

c) wenn die Raumtemperatur denselben unteren Grenzwert, wie bei b), unterschritten hat, die Außentemperatur jedoch über der Bivalenztemperatur liegt und der Schalter (21) in Stellung "Winter" steht, schließt es die Raumluftklappen, öffnet die Außenluftklappen und schaltet die Wärmepumpe ein;

d) wenn die Raumtemperatur denselben unteren Grenzwert, wie bei b), unterschritten hat, die Außentemperatur über der Bivalenztemperatur liegt,
der Schalter (21) jedoch in Stellung "Sommer"
steht und der Stromtarifgeber (20) Niedertarif
meldet, schließt es die Raumluftklappen, öffnet
die Außenluftklappen und schaltet die Wärmepumpe ein;

e) wenn die Raumtemperatur denselben unteren Grenzwert, wie bei b), unterschritten hat, die Außentemperatur über der Bivalenztemperatur liegt, der Schalter (21) in Stellung "Sommer" steht,jedoch
der Stromtarifgeber (20) Hochtarif meldet, schließt es die Außenluftklappen, öffnet die Raumluftklappen und schaltet die Wärmepumpe aus.

8. Anlage nach Anspruch 4- und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzweigungen der Luftkanäle (Bild 4) in
Richtung Raumluft als Plansch (11) gestaltet sind, so daß daran entweder ein zweiter Flansch (13) angeschraubt werden kann, der zur Befestigung eines Schlauches (12) dient, oder aber direkt eine Raumluftklappe (4a).