DE3115697C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur Beheizung von Gebäuden und zur Erwärmung von Brauchwasser, bestehend aus einem Heizkreislauf und einem Brauchwasser-Speicher, die von dem Kreislauf einer Wärmepumpe mit Pufferspeicher und bedarfsweise von einem Heizkessel beaufschlagbar sind.

Aus dem DE-GM 78 16 917 ist eine Anlage zur Beheizung von Gebäuden und zur Erwärmung von Brauchwasser bekannt, die aus einem Heizkreislauf und einem Brauchwasser-Speicher besteht, die von dem Kreislauf einer Wärmepumpe mit Puffer­ speicher und von einem Heizkessel beaufschlagbar sind. Dabei sind der Pufferspeicher und der Braucherwasserspeicher als zwei getrennte Behälter ausgebildet, wobei der Brauchwasser­ speicher lediglich im Pufferspeicher angeordnet ist. Bei der Entnahme von erwärmtem Brauchwasser wird dasselbe nur aus demBrauchwasserspeicher entnommen. Der Pufferspeicher dient zur Erwärmung des Brauchwassers; das im Pufferspeicher vorhandene Wasser kann jedoch nur ausschließlich in den Heizkreislauf eingeleitet werden. Diese bekannte Anlage weist imPufferspeicher eine Rohrschlange auf, in der das Wärmeträgermedium von oben nach unten fließt, während das im Pufferspeicher befindliche Wasser von unten nach oben strömt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Pufferspeicher- Wassers im Bereich der Rohrschlange ist jedoch verhältnis­ mäßig gering, was sich nachteilig auf den Wärmeübergang auswirkt und eine verhältnismäßig große Rohrschlange erfor­ derlich macht. Zusätzlich kann es bei der bekannten Anlage vorkommen, daß dann, wenn zu viel Wasser aus dem Puffer­ speicher für den Heizkreislauf entnommen wird, das Wasser im Brauchwasserspeicher abkühlt und somit kein Brauchwasser mehr mit der angestrebten Temperatur zur Verfügung steht. Ein grundsätzlicher Nachteil einer solchen Anlage besteht darin, daß für die Erwärmung des Brauchwassers zuerst das Wasser im Pufferspeicher aufgeheizt und immer auf einem vorgegebenen Temperaturniveau gehalten werden muß. Dazu ist insbesondere in der Zeit, in der kein Wasser aus dem Pufferspeicher benötigt wird, unnötige Energie erforderlich.

Aus der DE-OS 21 53 654 ist ein Doppelrohr-Gegenstrom- Wärmeaustauscher bekannt, der aus zwei mit radialem Abstand ineinander angeordneten Rohrschlangen mit unterschiedlichem Durchmesser besteht. Dabei wird das innere Rohr von einem zu kühlenden Medium durchströmt, während der Raum zwischen Innenrohr und Außenrohr von dem Kältemittel durchflossen wird.

Ausgehend von dem aus dem DE-GM 78 16 917 bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine im Wirkungsgrad verbesserte Anlage zur Beheizung von Gebäuden und zur Erwärmung von Brauchwasser zu schaffen, die bei Verringerung der Investitionen und Minderung des Installations- und Steueraufwandes eine Reduzierung der Schalthäufigkeit und eine bestimmte Mindestlaufzeit der Wärmepumpe sicher­ stellt. Zusätzlich soll der Platzbedarf verringert und der Aufwand für Frostschutzmittel herabgesetzt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer Anlage nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorge­ schlagen, daß der Pufferspeicher und der Brauchwasserspeicher durch einen einzigen Behälter mit einem Doppelrohr-Gegen­ strom-Wärmeaustauscher gebildet sind und daß der Doppelrohr- Gegenstrom-Wärmeaustauscher aus zwei mit radialem Abstand ineinander angeordneten Rohren mit unterschiedlichem Durch­ messer besteht, von denen das innere Rohr einen wesentlichen Reil des Wärmepumpenkreislaufes bildet, während das äußere Rohr an den Heizkreislauf angeschlossen ist.

Durch diese Ausbildung wird der Installations- und Steueraufwand ver­ ringert, wobei eine geringe Schalthäufigkeit und eine hohe Mindestlaufzeit der Wärmepumpe erreichbar ist. Durch die Trennung von Wärmepumpenkreislauf und Heizkreislauf ergibt sich bei der Außenaufstellung der Wärmepumpe nur eine kleine Flüssigkeitsmenge, die mit Frostschutzmittel frostsicher gemacht werden muß. Der Durchflußwiderstand und die Umlauf­ menge des Wärmepumpenkreislaufes sind konstant.

Dadurch, daß die innere Rohrschlange mit dem Wärmepumpen­ kreislauf und die äußere Rohrschlange mit dem Heizkreislauf verbunden ist, wird sichergestellt, daß bei aufgeheiztem Puffer-Brauchwasser-Speichervolumen die volle Wärmeleistung der Wärmepumpe an den Heizkreislauf abgegeben werden kann.

Ein optimaler Wärmeübergang von dem Wärmepumpenkreislauf zum Heizkreislauf im Gegenstrom-Wärmetauscher ist dann zu erzielen, wenn derselbe aus zwei ineinander integrierten Rohrschlangen gebildet ist. Das Merkmal des Anspruches 3 trägt dazu bei, daß das Brauchwasser vorrangig erwärmt wird. Dabei ist es zweckmäßig, den Doppelrohr-Gegenstrom-Wärme­ austauscher im unteren Bereich des Pufferspeichers anzuordnen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer Anlage gemäß der Erfindung und

Fig. 2 eine Aufrißdarstellung eines Rohrschlangen-Gegen­ stromwärmeaustauschers.

Die in der Fig. 1 gezeigte Anlage dient zur Beheizung von Gebäuden und zur Erwärmung von Brauchwasser und besteht aus einem Puffer-Brauchwasser-Speicher 1, der aus einem gut isolierten Behälter 2 aus Edelstahl oder Stahl mit Innebe­ schichtung und einem Fassungsvermögen von etwa 600 l-800 l gebildet ist und der in seinem unteren Bereich einen Zulauf 3 für Kaltwasser sowie in seinem oberen Bereich einen Ablauf 4 für Warmwasser aufweist. In dem unteren Bereich des Be­ hälters 2 ist ein an sich bekannter Gegenstromwärmeaus­ tauscher 5 (Fig. 2) angeordnet, der in diesem Ausführungsbei­ spiel aus zwei ineinander integrierten Rohrschlangen 6, 7 besteht.

Die Rohrschlange 6 weist einen geringeren Rohrdurchmesser als die Rohrschlange 7 auf und ist unter Erhaltung eines ring­ förmigen Strömungsquerschnittes über den größten Teil ihrer Länge in der Rohrschlange 7 angeordnet. Im vorliegenden Aus­ führungsbeispiel ist die Rohrschlange 6 jedoch erheblich länger als die Rohrschlange 7 ausgebildet, so daß sie zumindest mit einigen Windungen über dem Gegenstromwärmeaustauscher 5 frei im Behälter 2 bzw. im Puffer-Brauchwasser-Speicher 1 geführt ist. Zusätzlich ist hier die Rohrschlange 6 auch untrhalb des Gegenstromwärmeaustauschers 5 über einen verhältnismäßig kleinen Teil ihrer Länge frei im Behälter 2 geführt.

Mit ihren freien Enden 8, 9 ist die Rohrschlange 6 an den Rohr­ kreislauf 10 einer Wärmepumpe 11 angeschlossen, wobei die Wärmequelle für die Wärmepumpe 11 beliebig sein kann. Die in dem Rohrkreislauf 10 befindliche Wärmeträgerflüssigkeit, beispielsweise mit Frostschutzmittel gemischtes Wasser, wird über eine thermostatgesteuerte Pumpe 12 über das obere Ende 8 der Rohrschlange 6 in den Gegenstromwärmeaustauscher 5 ein­ geleitet und kehrt über das untere Ende 9 wieder zur Wärme­ pumpe 11 zurück.

Mit ihren freien Enden 13, 14 ist die Rohrschlange 7 an einen mit einer Umwälzpumpe 15 versehenen Heizkreislauf 16 ange­ schlossen. Dabei fördert die Umwälzpumpe 15 eine von dem Wärmepumpen-Kreislauf getrennte Wärmeträgerflüssigkeit, näm­ lich Wasser, vom oberen Ende 13 der Rohrschlange 7 über die angeschlossenen, in der Zeichnung nicht näher dargestellten Heizkörper bzw. auch über einen Fußbodenheizungs-Kreislauf zum unteren Ende 14 der Rohrschlange 7 zurück.

Die Wärmeträgerflüssigkeit des Heizkreislaufes 16 wird im Gegenstromwärmeaustauscher 5 durch die Wärmeträgerflüssig­ keit des Wärmepumpen-Kreislaufes 10 aufgeheizt. Dadurch, daß die Rohrschlange 6 über dem Gegenstromwärmeaustauscher 5 frei im Behälter 2 geführt ist, wird die in der Wärmeträgerflüssig­ keit des Wärmepumpen-Kreislaufes 10 enthaltene Wärme vor­ rangig an das im Behälter 2 befindliche Brauchwasser abge­ geben. Besondere Steuereinrichtungen oder Regelorgane sind dazu nicht erforderlich. Sobald das diesen Bereich der Rohr­ schlange 6 umgebende Brauchwasser das Temperaturniveau der Wärmeträgerflüssigkeit in diesem Bereich der Rohrschlange 6 erreicht hat, wird die volle Wärme der Wärmeträgerflüssig­ keit des Wärmepumpen-Kreislaufes 10 nur noch an die Wärme­ trägerflüssigkeit des Heizkreislaufes 16 abgegeben bzw. über­ tragen. Eine hydraulische Umschaltung ist dazu nicht er­ forderlich. Der den Gegenstromwärmeaustauscher 5 umgebende Teil des Brauchwasser, also der im unteren Teil des Be­ hälters 2 enthaltene Wasservorrat dient ständig dem Temperatur­ ausgleich und als Wärmepuffer.

Die sich im oberen Teil des Behälters 2 aufbauende Temperatur­ schichtung des Brauchwassers steht ständig zur Entnahme zur Verfügung und wird über den Heizkreislauf 16 bzw. die Rohr­ schlage 7 nicht abgebaut. Nachströmendes Kaltwasser bildet bei Wasserentnahme eine untere kältere Wasserschichtung, die wiederum mit günstigem Wirkungsgrad der Wärmepumpe 11 vorrangig erwärmt wird. Die Stillstandzeiten der Wärmepumpe 11 werden bei dieser Anlage durch die Sättigung des Puffer- Brauchwasser-Speichers 1 und des Heizkreislaufes 16 einge­ leitet. Der langsame Temperaturablauf im unteren Bereich des Behälters 2 stellt den geforderten Stillstand der Wärme­ pumpe 11 über einen längeren Zeitraum, ohne daß eine Ver­ sorgungslücke eintritt, sicher und verhindert ein zu häufiges Takten der Anlage.

Hinter der Pumpe 15 mündet in die Vorlaufleitung des Heiz­ kreislaufes 16 eine Leitung 17, die an den Auslaß eines an sich bekannten Heizkessels 18 angeschlossen ist und in die ebenfalls eine Umwälzpumpe 19 eingesetzt ist. Ferner führt von der Rücklaufleitung des Heizkreislaufes 16 ein Abzweig 20 an den Einlaß des Heizkessels 18. Über einen Temperatur­ fühler 21 kann der Heizkessel 18 bzw. dessen Heizein­ richtung 22 bei Ausfall der Wärmepumpe 11 bzw. bei Unter­ deckung des Wärmebedarfs angechaltet werden. Um nun zu ver­ meiden, daß der Heizkessel 18 bereits bei einer kurzzeitigen, vorübergehenden Unterdeckung des Wärmebedarfs angeschaltet wird, wirkt der Temperaturfühler 21 in vorteilhafter Weise auf ein einstellbares Zeitrelais 21, das erst nach Ablauf der eingestellten Zeit den Heizkessel 18 zuschaltet. Wenn in dieser eingestellten Zeit die Wärmepumpe 11 die Unterdeckung des Wärmebedarfs ausgleichen kann, unterbleibt die An­ schaltung des Heizkessels 18.

Über eine Leitung 23 mit einem aufsteuerbaren Ventil 24 kann der obere Bereich des Behälters 2, der sogenannte Brauchwasserbereich, vom Heizkessel 18 erwärmt werden, wobei die Rohrschlange 7 jedoch in umgekehrter Richtung durch­ strömt wird. Der untere Bereich, die Pufferzone, des Be­ hälters 2 bzw. des Puffer-Brauchwasser-Speichers 1 wird dabei nicht erwärmt und ist dadurch beim Anschalten der bzw. Umschalten auf die Wärmepumpe 11 voll aufnahmefähig.

Claims (4)

1. Anlage zur Beheizung von Gebäuden und zur Erwärmung von Brauchwasser, bestehend aus einem Heizkreislauf und einem Brauchwasser-Speicher, die von dem Kreis­ lauf einer Wärmepumpe mit Pufferspeicher und bedarfs­ weise von einem Heizkessel beaufschlagbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Pufferspeicher (1) und der Brauchwasser- Speicher durch einen einzigen Behälter (2) mit einem Doppelrohr-Gegenstromwärmeaustauscher (5) gebildet sind und daß der Doppelrohr-Gegenstromwärmeaustauscher (5) aus zwei mit radialem Abstand ineinander angeordneten Rohren (6, 7) mit unterschiedlichem Durchmesser besteht, von denen das innere Rohr (6) einen wesentlichen Teil des Wärmepumpenkreislaufes (10) bildet, während das äußere Rohr (7) an den Heizkreislauf (16) angeschlossen ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Doppelrohr-Gegenstromwärmeaustauscher (5) aus zwei ineinander angeordneten Rohrschlangen (6, 7) besteht.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Rohr (6) zumindest an einem Ende des Doppelrohr-Gegenstromwärmeaustauschers (5) aus dem äußeren Rohr (7) herausragt und über eine vorbestimmte Länge frei im Behälter (2) geführt ist.

4. Anlage nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Doppelrohr-Gegenstromwärmeaustauscher (5) im unteren Bereich des Behälters (2) ange­ ordnet ist.