DE3129742A1

DE3129742A1 - Einrichtung zur beheizung eines gebaeudes

Info

Publication number: DE3129742A1
Application number: DE19813129742
Authority: DE
Inventors: Bernd 8011 Neukeferloh Kellner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-07-28
Filing date: 1981-07-28
Publication date: 1983-02-17

Description

Bernd Kellner .·..". ." ' *: .". .?H/HP 1124

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Beheizung eines Gebäudes, mit einem Sonnenkollektor, einem vom Sonnenkollektor beladbaren Ladespeicher, einem vom Ladespeicher über eine Pumpe und ein Ventil aufladbaren Brauchwasserspeicher, einer Wärmepumpe, welche primärseitig mit dem Ladespeicher und sekundärseitig über eine Pumpe mit Verbrauchern und dem Brauchwasserspeicher verbunden ist.

Eine solche Einrichtung· ist bekannt (DE-OS 26 19 744). Die bekannte Einrichtung sieht unter Verwendung einer großen Anzahl von Dreiwegeventilen, die die Kosten für die Anlage verteuern, eine Vielzahl von alternativen Verschaltungsmöglichkeiten zwischen Sonnenkollektor, Wärmepumpe und den Speichern vor, um allen möglichen Energieangeboten gerecht zu werden. Daneben ist auch noch eine konventionelle Heizung mit fossilen Brennstoffen vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Beheizungseinrichtung der eingangs genannten Art, die in der Verschaltung ihrer einzelnen Elemente möglichst einfach ist und dabei unterschiedlichen Angeboten an Sonnenenergie gerecht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vier Zweiwegeventile vorgesehen sind, die in parallel liegenden Paaren in Reihe geschalteter Ventile zwischen den Vor- und Rückläufen der in Reihe liegender Wärmetauscher von Ladespeicher und Brauchwasserspeicher, wobei die Wärmetauscher einzeln umgehbar sind, angeschlossen sind, und daß der Vorlauf der Sekundärseite der Wärmepumpe mit dem gemeinsamen Punkt der Ventile eines Paares und der Rücklauf der Sekundärseite der Wärmepumpe mit dem gemeinsamen Punkt der Ventile des anderen Paares verbunden ist. Sind die paarweise vorgesehenen vier Ventile geschlossen, so

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werden die sekundärseitig an die Wärmepumpe angeschlossenen Verbraucher, also Heizkörper, allein geheizt. Bei gleichzeitigem öffnen eines der mit dem Vorlauf der Wärmepumpe verbundenen Zweiwegeventile und eines der mit dem Rücklauf der Wärmepumpe verbundenen Zweiwegeventile ist gleichzeitig ein Aufheizen des Brauchwasserspeichers möglich. Wird die Umwälzpumpe, über die die Wärmepumpe mit den Verbrauchern verbunden ist, dabei abgestellt, so wird allein der Brauchwasserspeicher aufgeheizt. Soll der Ladespeicher direkt zur Beheizung der Verbraucher herangezogen werden, so werden die jeweils anderen Ventile der beiden Paare geöffnet, wobei sich ein Kreislauf aus dem Ladespeicher, durch die Verbraucher und zurück zum Ladespeicher ergibt, je nachdem ob der Brauchwasserspeicher dabei mitaufgeheizt werden soll oder nicht, wird er umgangen oder nicht. Zur Umgehung der einzelnen Speicher sind keine Mehrwegeventile notwendig, dies läßt sich mit einem in Reihe mit dem Wärmetauscher des jeweiligen Speichers liegenden Ventil und einer parallel zu dieser Reihenschaltung in der Umgehungsleitung liegenden, geeignet berechneten Drosselstelle bewerkstelligen.

Vorzugsweise sind die vier Zweiwegeventile als eine Baueinheit vorgesehen, weil damit die für die Strömungsführung in den einzelnen Kreisläufen notwendigen Elemente als vorfertigbare Einheit zusammengefaßt sind, die unabhängig von den sonstigen baulichen Gegebeneheiten der Anlage vorgefertigt und an zentraler Stelle eingesetzt werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegt das Ventil, über welches und die Pumpe der Brauchwasserspeicher vom Ladespeicher aufladbar ist, parallel zu den in Paaren in Reihe liegender Ventile. Damit ist direkt und unabhängig vom Wärmepumpe-Verbraucherkreislauf eine direkte übertragung von Wärme aus dem Ladespeicher in den Brauchwasserspeicher möglich. Vorzugs-

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weise ist dieses Ventil als von der Pumpe aufdrückbares Druckventil ausgebildet, wobei das Druckventil vorzugsweise Teil der Verteilereinheit ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein weiterer Speicher mit umgehbarem Wärmetauscher in Reihe mit dem Ladespeicher und Brauchwasserspeicher an die parallel liegenden Paare in Reihe liegender Ventile angeschlossen. Hierdurch wird bei gleicher Ventilstellung der vier Ventile wie zur Aufheizung des Brauchwasserspeichers - dessen Wärmetauscher dabei geschlossen ist -, ggf. unter gleichzeitiger Bedienung der Verbraucher durch die Wärmepumpe, ein Aufladen dieses weiteren Speichers möglich, womit Energie auf höherer Temperatur im Hinblick auf nachfolgende Wärmepumpensperrzeiten eingelagert werden kann, mit der während dieser Zeiten auch bei Ausfall nutzbarer Sonnenenergie die Beheizung des Gebäudes sichergestellt werden kann. Ebenso ist es mittels dieses weiteren Speichers in Verbindung mit dem Ladespeicher auch möglich, die von der Wärmepumpe aufgenommene elektrische Energie zur Heizung zu verwenden, indem im Wechsel zunächst der weitere Speicher über die Wärmepumpe aus dem Ladespeicher aufgeladen, dann die im weiteren Speicher eingelagerte Energie in den Ladespeicher übertragen und von dort über die Wärmepumpe während eines nächsten Zeitintervalls an die Verbraucher abgegeben wird. Vorzugsweise sind der weitere Speicher und der Ladespeicher so eingerichtet, daß das Speichermedium zwischen dem weiteren Speicher und dem Ladespeicher direkt austauschbar ist.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Ventil-Baueinheit, die diese im Aufbau und in der Steuerung der Ventile besonders einfach machen, sind Gegenstand .der Ansprüche 8 und 9. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit der ^beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser zeigt:

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Fig. 1 schematisch die Gesamtanlage, und

Fig. 2 und 3 Schnitte in zwei zueinander senkrechten Ebenen durch eine bevorzugte Ausführungsform der Durchgangsventileinheit.
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Ein Sonnenkollektor 11 (in üblicher Bauweise oder als Vakuumkollektor, ggf. in Hybridausführung/ d.h. als Luft/ Wasserkollektor) gibt die in ihm durch Sonneneinstrahlung erzeugte Wärme an einen Ladespeicher 15 ab. Aus dem Ladespeicher 15 wird die Wärme durch die Wärmepumpe 17 primärseitig abgezogen und sekundärseitig, auf eine höhere Temperatur transformiert, über eine Vorlaufleitung 22,95 vermittels einer Umwälzpumpe 35 an über einen Verteiler angeschlossene Verbraucher 18 abgegeben. Der Rücklauf des Wärmeträgermediums, Wassers, zur Wärmepumpe 17 erfolgt über eine Rücklaufleitung 27, 96 mit einer Pumpe 21. Die Vorlaufleitung 22, 95 ist mit dem gemeinsamen Punkt zweier in Reihe liegender Durchgangs- bzw. Zweiwegeventile 1 und 2 verbunden, während die Rücklaufleitung 26, 97 mit dem gemeinsamen Punkt zweier weiterer in Reihe liegender Durchgangs- bzw. Zweiwegeventile 3 und 4 verbunden ist, die zu den beiden erstgenannten Ventilen 1 und 2 parallel liegen und mit ihnen zusammen eine Baueinheit bilden. Die äußeren Endpunkte der Parallel-Reihenschaltung aus den vier Ventilen 1 bis 4 sind mit dem abgabeseitigen Wärmetauscher 55 des Ladespeichers 15, der durch eine mit einer Drosselstelle versehene Umgehungsleitung 65 umgehbar und mit einem Ventil 7 absperrbar ist, verbunden.

An den Ladespeicher 15 ist ein Brauchwasserspeicher angeschlossen, wobei der Wärmetauscher 54 des Brauchwasserspeichers 14 in Reihe mit dem Wärmetauscher 55 des Ladespeichers 15 liegt und ebenfalls durch ein Ventil, 6, absperrbar und durch eine mit einer Drosselstelle versehene Umgehungsleitung, 64, umgehbar ist.

Desweiteren ist noch ein Pufferspeicher 16 vorgesehen,

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dessen Wärmetauscher 56 wiederum in Reihe mit dem abgabeseitigen Wärmetauscher 55 des Ladespeiehers 15 und damit auch in Reihe mit dem Wärmetauscher 54 des Brauchwasserspeichers 14 liegt. Auch der Wärmetauscher 56 des Puffer-Speichers 16 ist durch ein Ventil, 8, absperrbar und durch eine mit einer Drosselstelle versehene Umgehungsleitung, 66, umgehbar.

Die drei Speicher 14, 15 und 16 sind damit einzeln oder in beliebiger Kombination in Reihe zwischen den Endpunkten der Reihen-Parallelschaltung der vier Zweiwegeventile 1 bis 4 schaltbar.

Im Kreis zwischen den Ventilen 1 bis 4 und den Speichern 14 bis 16 liegt ferner eine Umwälzpumpe 32. Parallel zu den Reihenschaltungen aus den Ventilen 1 und 2 bzw. den Ventilen 3 und 4 liegt ein Ventil 5, das vorzugsweise als durch die Pumpe 32 offenbares Druckventil ausgebildet ist.

Wenn der Ladespeicher 15 durch ausreichende Sonneneinstrahlung auf den Sonnenkollektor 11 auf eine hinreichend hohe Temperatur aufgeheizt ist, kann seine Wärme den Heizkörpern 18 direkt zugeführt werden. Hierzu werden die Ventile 1 und 4 der Verteilereinheit geöffnet und das in den Leitungen zu den Heizkörpern fließende Wasser mittels der Pumpe 32 zwischen dem Ladespeicher und den Heizkörpern 18 umgewälzt. Das Ventil 7 im Ladespeicher 15 ist dabei natürlieh geöffnet, die Ventile 6 und 8 des BrauchwasserSpeichers 14 bzw. des Pufferspeichers 16 sind geschlossen, so daß das zirkulierende Wasser die Wärmetauscher der Speicher 14 und 16 umgeht. Die Wärmepumpe steht, da sie zur Heizung der Heizkörper 18 in dieser Phase nicht benötigt wird.

Soll die im Ladespeicher 15 gespeicherte Wärme direkt an den Brauchwasserspeicher 14 abgegeben werden, so bleiben die Ventile 1 bis 4 der Einheit 19 geschlossen, die Umwälzpumpe 32 wird in Gang gesetzt, wodurch das Druckventil 5 öffnet, die Ventile 6 und 7 in den Wärmetauscherkreisen der Speicher 14 und 15 werden geöffnet, das entsprechende Ventil 8

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im Pufferspeicher 16 wird geschlossen gehalten, und mit alledem ergibt sich eine übertragung von Wärme aus dem Ladespeicher 15 in den Brauchwasserspeicher 14. Gleichzeitig kann die Wärmepumpe 17 aus dem Ladespeicher 15 arbeiten und über den Kreis aus Vorlaufleitung 22, 95 mit Umwälzpumpe 35 undRücklaufleitung 27, 96 den Heizkörpern 18 Wärme zuführen.

Soll zur Zwischenspeicherung von Wärmeenergie auf hohem Temperatur für ggf. vorliegende Wärmepumpensperrzeiten und um den Ladespeicher 15 so ausreichend kalt halten zu können, daß auch geringe Sonneinstrahlung genutzt werden kann, der Pufferspeicher 16 geladen werden, so werden hierzu die Ventile 2 und 3 der Verteilereinheit 19 geöffnet. Das Ventil 8 des Wärmetauschers 56 des Pufferspeichers 16 ist geöffnet, die entsprechenden Ventile 6 und 7 der Speieher 14 und 15 werden geschlossen gehalten; die Umwälzpumpe 32 läuft. Damit kommt ein Kreislauf über die Vorlaufleitung 22, das Ventil 2, durch die Umwälzpumpe 32, an den Speichern 14 und 15 vorbei von der Wärmepumpe 17 zum Speicher 16 und über das Ventil 3 und die Rücklaufleitung 27 mit Pumpe 21 zurück zur Wärmepumpe 17 zustande, über den aus dem Ladespeicher 15 und dem elektrischen Netz stammende Energie bei höherer Temperatur als im Ladespeicher 15 im Speicher 16 zwischengelagert werden kann. Gleichzeitig ist eine Beheizung der Heizkörper über die Wärmepumpe 17 bei laufender Umwälzpumpe 35 möglich.

Außerdem ermöglichen der Pufferspeicher 16 in Kombination mit dem Speicher 15 über gewisse Zeiträume ein Ausnützen der von der Wärmepumpe aufgenommenen elektrischen Energie zum Heizen, wenn kein Angebot an Umweltenergie zur Verfügung steht und der Speicher 15 bereits nahezu ausgekühlt ist. Dann kann nämlich die Wärmepumpe 17 aus dem Speicher 15 allein auf den Speicher 16 pumpen, in dem Energie auf höherem Temperaturniveau eingelagert wird. Diese Energie kann dann wiederum in den Ladespeicher 15 übertragen werden, wozu zweckmäßigerweise das Speichermedium selbst zwischen den Spei-

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ehern 15 und 16 ausgetauscht wird. Hierzu ist ein eigener Kreis vorgesehen, in dem sich eine Umwälzpumpe 34 befindet. Ein solcher direkter Austausch des Speichermediums ist natürlich nur möglich, wenn auch das ausgekühlte Speichermedium noch flüssig ist, es sich also beispielsweise um Solespeicher handelt. Bei Verwendung von Latentspeichern kann der Austausch von Energie nur über Wärmetauscher erfolgen, wobei dann an die Stelle des eigenen, die Umwälzpumpe 34 enthaltenen Kreises der das Druckventil 5 enthaltende Kreis in ähnlicher Weise wie bei der Beladung des Brauchwasserspeichers treten kann.

Aus dem solchermaßen wiederum aufgewärmten Speicher 15 kann dann die Energie wieder zum Heizen der Verbraucher 18 abgezogen werden, solange bis der Speicher 15 wieder nahezu ausgekühlt ist, worauf mit der Wärmepumpe 17 wiederum der Speicher 16 beladen wird, usw.

Bei 13 zeigt Fig. 1 ferner schematisch einen Grundwasserkreislauf, mit dem zusätzlich zur Sonnenenergie dem Grundwasser Energie entzogen werden kann. Dies ist möglich, weil der Ladespeicher 15 mittels der Wärmepumpe immer auf einem solchen Temperaturniveau gehalten werden kann, daß eine Energieaufnahme aus dem Grundwasser noch möglich ist. Neben dem Grundwasser kann auch der Luft in gleicher Weise noch Energie entzogen werden.

In gleicher Weise wie der Brauchwasserspeicher kann auch ein Schwimmbad angeschlossen sein und beheizt werden. Dieses Schwimmbad läßt sich auch als Groß-Wärmespeicher einsetzen, dem durch Umkehr des Beladeprozesses bei Bedarf wieder Wärme entzogen wird.

Mit der vorliegenden Heizungseinrichtung ist das Beheizen eines Gebäudes ohne Einsatz fossiler Brennstoffe in praktisch allen vorkommenden Fällen möglich. Wenn trotzdem eine Zusatzheizung auf Basis fossiler Brennstoffe vorgesehen werden soll, so muß sie parallel zur Wärmepumpe 17 an den erwähnten gemeinsamen Punkten der Ventile 1 und 2 bzw» 3 und 4

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der Baueinheit 19 angeschlossen werden.

Durch Umkehrung des Betriebs der Wärmepumpe 17, also ihren Einsatz als Kältmaschine, kann dem Gebäude über die Heizkörper Wärme entzogen und in den Speichern eingelagert bzw. auch abgeführt werden. Auf diese Weise läßt sich mit der Anlage eine Kühlung des Gebäudes etwa während der Sommermonate bewirken.

Die Fig. 2 und 3 zeigen in zwei zueinander senkrechten Schnitten eine besonders günstige Ausführungsform der Ventil-Baueinheit 19. Die einzelnen Ventile 1 bis 4 werden hierbei durch quer zu ihrer Achse durchbohrte in zylindrischen Sitzen 71, 72 drehbare Zylinder 73, 74 gebildet. Die zylindrischen Sitze 71, 72 weisen in ihren Mantelwänden öffnungen 75 bis 82 auf, die mit Kammern 84 bis 87 in Verbindung stehen, die ihrerseits mit den die Baueinheit 19 mit den Speichern 14, 15, 16 verbindenden Leitungen 23, 24 bzw. den die Baueinheit 19 mit der Wärmepumpe 17 und den Verbrauchern verbindenden Leitungen 22, 95 und 96, 27 in Verbindung stehen.

Die relative Winkellage der Bohrungen in den Zylindern 73 und 74 ist so gewählt, daß in einer bestimmten Drehstellung der Zylinder 73 und 74 alle Ventile 1 bis 4 geschlossen, in einer anderen Drehstellung nur die Ventile 2 und 3 und in einer wiederum anderen Drehstellung nur die Ventile 1 und geöffnet sind. Auf diese Weise lassen sich die weiter oben beschriebenen Kreisläufe herstellen.

Ferner enthalten die Ventilzylinder 73 und 74, wie in Fig. 3 zu sehen, noch zwei weitere Bohrungen, die die Kammern und 85 über öffnungen 88, 89 bzw. 90, 91 der zylindrischen Sitze 71, 72 mit einer weiteren Kammer 92 verbinden. Diese beiden zuletzt angesprochenen Bohrungen der Zylinder 73, 74 sind so angelegt, daß die Ventile 1 bis 4 geschlossen sind, wenn durch sie die Kammer 84 und 85 über die Kammer 92 miteinander verbunden werden. Auf diese Weise wird das parallel zu den Ventilen 1 und 2 bzw. 3 und 4 liegende Ventil 5 in der Baueinheit 19 verwirklicht.

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Die Ventilzylinder 73 und 74 können mechanisch so verbunden sein, daß mit einem einzigen Antrieb beide Zylinder 73 und 74 zur Herstellung der einzelnen weiter oben angesprochenen Ventilstellungen gemeinsam gesteuert werden.

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Leerseite

Claims

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PATENTANWÄLTE

EUROPEAN PATENT ATTORNEYS EUROPÄISCHE PATENTVERTRETER MANDATAIRES EN BREVETS EUROPEENS

DR. ROLF E. WILHELMS DR. HELMUT KILIAN

GEIBELSTRASSE

8OOO MÜNCHEN

TELEFON (0 89) 47 40 73· TELEX 52 34 67 (wilp-d) TELEGRAMME PATRANS MÜNCHEN TELECOPIER gr. 2 (089) .22

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Bernd Kellner
8011 Neukeferloh

Einrichtung zur Beheizung eines Gebäudes

PATENTANSPRÜCHE

1 .JEinrichtung zur Beheizung eines Gebäudes mit einem Sonnenkollektor, einem vom Sonnenkollektor beladbaren Ladespeicher, einem vom Ladespeicher über eine Pumpe und ein Ventil aufladbaren Brauchwasserspeicher, einer Wärmepumpe, welche primärseitig mit dem Ladespeicher und sekundärseitig über eine Pumpe mit Verbrauchern und dem Brauchwasserspeicher verbunden ist, dadurch gekennzeichnet , daß vier Durchgangsventile (1, 2, 3, 4) vorgesehen sind, die in parallel liegenden Paaren in Reihe liegender Ventile (1, 2; 3, 4) zwischen den Vor- und Rückläufen der in Eeihe liegenden Wärmetauscher von Ladespeicher (15) und Brauchwasserspeicher (14), wobei die Wärmetauscher einzeln urngehbar sind,

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angeschlossen sind, und daß der Vorlauf der Skundärseite der Wärmepumpe (17) mit dem gemeinsamen Punkt der Ventile (1, 2) eines Paares und der Rücklauf der Sekundärseite der Wärmepumpe mit dem gemeinsamen Punkt der Ventile (3, 4) des anderen Paares verbunden ist.
2. Einrichtung nach Anspruch T, dadurch gekennzeichnet , daß die vier Durchgangsventile (1, 2, 3, 4) als eine Baueinheit (19) vorgesehen sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Ventil (5) über das und die Pumpe (32) der Brauchwasserspeicher (14) vom Ladespeicher (15) aufladbar ist, parallel zu den Paaren in Reihe liegender Ventile (1, 2; 3, 4) liegt.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil durch ein von der Pumpe (32) aufdrückbares Druckventil gebildet ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Druckventil Teil der Baueinheit (19) ist.
6. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß ein weiterer Speicher (16) mit umgehbarem Wärmetauscher in Reihe mit dem Ladespeicher (15) und Brauchwasserspeicher (14) an die parallel liegenden Paare in· Reihe liegender Ventile (1, 2, 3, 4) angeschlossen ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e -

kennzeichnet, daß das Speichermedium zwi-

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sehen dem weiteren Speicher (16) und dem Ladespeicher (15) direkt austauschbar ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile durch Kegel- bzw. Zylinderventile gebildet sind, wobei jeweils ein Zylinder bzw. Kegel mehreren Ventilen gemeinsam ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gemeinsam steuerbare Zylinder bzw. Kegel vorgesehen sind.