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Wärmepumpenw / ärespeicheranlage
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und deren Regelung Diese Erfindung beschreibt eine Wärmepumpen-(WP)
Anlage, bestehend aus einer Wärmequellen-(WQ)Anlage und einem Wärmespeicher. Dieser
Wärmespeicher (WS) kann auf der Warmseite, der Wärmesenke, wie auch auf der Kaltseite,
der Wärmequelle angeordnet sein.Es ist eine bekannte Tatsache, daß Wärmeerzeugungsanlagen,
die auf einen irgendwie gearteten Wärmespeicher wirken, eine Phasenverschiebung
zwischen Wärmebereitstellung und deren Abruf besitzen. Bei konventionellen Wärmegewinnungsanlagen,
wie z.B.
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einem Ölheizkessel, sind die Kosten der durch diesen Phasenverlauf
im wesentlichen unberührt. Hingegen spielen die Zustände in der WQ-Anlage im Betrieb
der WP-Anlage eine bedeutende Rolle! Wenn es gelingt, die Wärmegewinnung aus der
WQ-Anlage, die in ihrem Verhalten mit dem Klima verkoppelt ist, in günstige Phasen
zu legen, so kann durch eine verringerte Temperaturspreizung zur Wärmeverteilungsanlage
die Jahresheizzahl erheblich angehoben werden. Daher macht sich diese Erfindung
zur Aufgabe, eine Steuerung und Regelung für den WP-Betrieb anzugeben, die durch
die Auswertung des aktuellen Wärmebedarfes, Inhalte(s) des (der) Wäremespeicher(s)
und der zu erwartenden Verhältnisse eine Optimierung herbeiführt.
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Diese Aufgabe wird u.a. durch eine Regelung, die die Witterungsprognose
einbezieht, gelöst.Verbessert wird die erfindungsgemäße Einrichtung durch eine entsprechende
Bedarfsprognose, die im allgemeinen sich schwerer darstellen läßt. Es ist an sich
bekanntt, den time-lag zwischen Erdreichtemperaturgang und dem der Umgebungsluft
zum Umschalten auf die darin enthaltenen WQ-Anlagen zu nutzen, um damit die Temperaturspreizung
zur Wärmeverteilungseinrichtung zu verringern. Dieses an sich sinnvolle Vorgehen
bedingt jedoch einen recht hohen Aufwand in Zusammenhang mit der WQ-Anlage, wobei
der Nutzen zu gering ausfällt. Daher geht diese Erfindung einen wesentlichen Schritt
weiter. Die Wärmegewinnung kann bei einem abzusehenden, steigenden durch einen erwarteten
Temperaturabfall auf Vorrat erfolgen. Zu diesem Zweck ist eine Wärmelagerung in
einem Speicher nötig. Diese Vorratshaltung ist jedoch in dieser Weise erheblich
günstiger, als bei einer Bevorratung auf Verdacht, also auf Erfahrungen im langjährigem
Mittel. Derartige "Prognosen" sind recht grob und weichen in der Regel vom wirklichen
Klimagang in der jeweiligen Heizperiode oft erheblich ab. Mit zunehmender Präzision
der Prognosen hinsichtlich räumlicher und zeitlicher Validität und Reliabilität
steigt die Effizienz dieses Verfahrens. Auf der Benutzerseite ist die Prognose durch
die Bewohner der zu beheizenden Räumlichkeiten recht indivuduell vorzunehmen mit
den daraus resultierenden Vorteilen und Schwächen. Beispielsweise ist Eingabe von
Informationen über längerfristige Abwesenheiten zu erwarten, jedoch nicht über aktuelle,
sich häufig ändernde Nutzungsverhalten. Gerade dieses Erfassen wäre sicherlich ein
Fortschritt.
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Daher bleibt neben den recht groben Erfassungsmöglichkeiten auf der
Wärmeverteilungsseite nur eine wesentliche Verbesserung auf der WQ-Seite und den
Wärmespeichern. Als WQ-Anlage wird daher eine Kombination von verschiedenen WQn
vorgenommen, die die bekannten Maßnahmen erlauben, zu denen ein Wärmespeicher in
Baueinheit hinzutritt. Dieser Wärmespeicher kann durch seine Oberfläche mit der
Erdumgebung als WQ dienen gem. Fig. 1.
Damit ist eine Baueinheit
von WQ, Speicher für sensible und Speicher für latente Wärme angegeben. Durch die
Aufteilung in einen Innen- und einen Außenbehälter mit einem durch Sole zu füllenden
oder von dieser zu befreienden Spaltraum ist der Speicherinhalt an die Erdumgebung
ankoppelbar oder von dieser zu isolieren. Für die- Wärmebevorratung bedeutet dieses
einen erheblichen Vorteil: Ist der zu erwartende Wärmebedarf hoch, und die Erdumgebung
relativ kalt, so kann in den isolierten Innenbehälter gespeichert werden, ohne daß
ein nennenswerter Wärmestrom in die Erdumgebung erfolgt.Im Zusammenspiel mit der
WQ Luft" kann eine aktive oder passive Beladung des Erdbehälters erfolgen. In Fig.
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2 ist eine solche Kombination dargestellt.Damit sind die besten Voraussetzungen
für die nachfolgende Regelung gegeben.
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Die Regel einrichtung benötigt Informationen über den zukünitigen
Witterungsverlauf. Die bisher verwendeten Außentemperaturfühler konnten hingegen
lediglich eine Aussage über aktuelle Witterungseigenschaften, insbesondere die Temperatur
machen. Die Berücksichtigung weiterer Parameter wUrde sich auch hier anbietenfi
man sieht Jedoch im allgemeinen wegen der Besohaffungslcosten hiervon ab.
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Für die technische Durchführung des Verfahrens sind mehrere Wege gangbar.
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l.Informationsgewinnung aus systemeigenen Einrichtungen.Hierbei können
Temperaturen. Luftfeuchte und -druck wie auch Windgeschwindigkeit und -richtung
relativ leicht ausgewertet werden. Diese Daten können sodann mit kalendarischen
Vorgaben verknüpft eine gewisse Prognose Uber die zu erwartende Witterung zulassen.
Die Leistungsfähigkeit einer solchen Anlage läßt sich durch ein Lernprogramm steigern.
Dabei werden die Erfahrungen der vorausgegangenen Perioden hinsichtlich der Zuverlässigkeit
mit einbezogen, so daß in einem gewissen Umfang eine nachträgliche Selbstprogrammierung
eintritt.
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2. Informationsgewinnung aus systemfremden Einrichtungen. Diese Informationen
entstammen in erster Linie den Wetterbeobachtungs und vorhersagestationen. Die Schwierigkeit
ist hierbei, eine kostengünstige Beschaffungsweise zu finden. In der Regel liegen
diese Informationen nicht normiert in einer für Maschinen einfach lesbaren Art vor.
Die Aufbereitung nicht normierter Daten ist recht komplex, Deswetteren ist eine
Verknüpfung der unter 1. und 2. genannten Verfahren sinnvoll. Die Anwendung dieser
Verfahren ist an eine kostengilnstige Darstellung gebunden. Solche preiswerten Sensoren
sind in erster Linie ftr die Temperaturen und den Luftdruck zu beschaffen, dagegen
könnenLuftbewegungen nicht so leicht erfaßt werden.
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Fijr die Verbreitung der Fremdinformationen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
die öffentlichen Kommunikationsnetze zu benutzen, insbesondere das Telefonnetz.
Hierzu ist es vorteilhaft, die Wetterdaten aufubereiten und in entsprechendem Format
an die Empfänger abzusetzen. Damit die Kosten gering bleiben ist eine Anwahl des
Empfangers dann sinnvoll, wenn mit Wetter1lmschwüngen zu rechnen ist. Gleichbleibende
Verhältnisse werden ignoriert und führen zu keiner AIctivierung. Dadurch kann die
kostenpflichtige Benutzung der öffentlichen IXetze begrcnzt werden0 Auch der umgekehrte
Weg über eine Anwahl des datensuchenden Empfängers ist möglich, der z.B. aus seinen
eigenen Sensoren und der nachgeschalteten Logig eine Wetterandertmg vermutet und
darüber eine Abfrage vornimmt.
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Daneben bleibt noch die Möglichkeit des Empfanges des Wetterfunkes.
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Mit zunehmender Lei stungs fahigkei t von Mikroprozessoren und -computern
steigt der Anwendungsbereich dieser Einrichtung, da die Installations-und Betriebskosten
schnell durch Energieeinsparung wieder eingefahrenwerden.
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Die gestellte Aufgabe der Anlagenoptimierung wird durch multivalente
Wärmequellenanlagen am ehesten gelöst,Darum ist die Einbeziehung von Solarkollektoren
in das System ein weiterer, wichtiger Schritt in diese Richtung. Zwei grundsätzlich
verschiedene Betriebsweisen lassen sich damit fahren. Im Heizbetrieb unterstützt
der Solarkollektor die WSrmequellenanlagen und macht sich hierbei u.U. den Phasengang
zwischen den unterschiedlichen WQn zunutze, wie z.B. vermehrte Wärmeaufnahme an
kalten, aber strahlungsreichen Wintertagen. Im Sommerbetrieb kann dann die Kollektoranlage
für die Bereitstellung des warmen Brauchwassers dienen.
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In einem solchen Fall tritt der entscheidende Vorteil des isolierfähigen
Erdbehälters sehr deutlich zu Tage: Die Möglichkeit der Speicherung von Wärme auf
hohem Temperaturniveau. Somit besteht ein doppelter Nutzen.
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Hierdurch ist eine betriebswirtschaftliche und energetische Optimierung
zu erreichen.
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Die Durchführung des Verfahrens wirft allerdings das Problem der Leitungsanbindung
zwischen den WQ-/Wp-Anlagen auf. Da die vorgeschlagene WP-Anlage entsprechend Fig.
2 im Freien zu positionieren ist, würde für die genannte Einbindung vermehrt Leitungen
benötigt werden. Aus Gründen der angesprochenen betriebswirtschaftlichen Optimierung
ist ein solcher Mehraufwand tunlichst zu vermeiden, Die vergrößerte Oberfläche solcher
Vielfachleitungen ist wegen der erhöhten Wärmeabgabe auch aus energetischen Gründen
ungünstig und möglichst zu umgehen, Daher wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, nur
ein Leitungspaar zu verwenden.
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Dieses Leitungepaar hat nun die Aufgabe, die WP-Anlage, die WQ - Luft,
die WQ - Erreich, die WQ - Strahlung untereinander und mit der Wärmeverteilungsanlage
zu verbinden. Aus Gründen, die Entropiezunahme nicht zu vergrößern, ist eine Durchmischung
unterschiedlich temperierter Medien möglichst auszuschließen. Diese Prämisse wird
durch eine serielle Betrieb weise, in temporärer Hinsicht und bezogen auf den Volumenstrom,
ereicht.
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Das führt zu einer intermittierenden Betriebsweise der Wärmeträgerströme,
nicht aber der WP. Durch den (Erd-) Speicher kann die WP durchlaufen.
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Sie arbeitet z.B dann auf den oberen Teil des Speichervolumens, eine
Durchmischung der Volumenanteile ist durch die strenge Schichtladung sicher vermieden.
Die Verbindungsleitungen sollten zur Vermeidung von Mischungswärme einen geringen
Querschnitt aufweisen. Entsprechend den zu beschaltenden Organen, können alle möglichen
Betriebsweisen und ihre Kombination herbeigeführt werden. Daher kann der Wärmetransport
in beiden Richtungen erfolgen. Zur selbsttätigen Regelung ist ein Schaltungsbeispiel
genannt: Wärmeabgabe aus der WP in das Wärmeverteilungssystem und eine darauf erfolgende
Umschaltung von Wärmeübernahme aus der Solaranlage: Hierzu kann mit der Umschaltung
die WP auf den Speicher arbeiten und kalten Wärmeträger in die Leitung pumpen, bei
Ankunft am Ventilblock des Wärmeverteilung- und Regelungssystems, findet temperaturgesteuert
eine Umschaltung auf die Solaranlage statt. Damit ist eine Vermischung weitestgehend
vermieden. Der geregelte Wechsel der Betriebsarten entsprechend der Lage der unterschiedlich
temperierten Volumenanteile der Wärmeträger ist energetisch ohne nennenswerte Verluste
möglich und erlaubt den Einsatz von nur einem Leitungspaar. Diese Verbindungsleitungen
sind gut zu isolieren und sollten bei geringer Querschnittsfläche keinen wesentlichen
Druckverlust aufweisen. Die Isoliermaßnahmen halten sich in erträglichen Grenzen.
Durch die, aus einer Regellogig gesteuerten Ventile, ist eine nachträgliche Änderung
oder Erweiterung ohne Erdbewegungsarbeiten und andere Baumaßnahmen zu erreichen.
Daher bietet sich dieses Verfahren durchaus fur eine ähnliche der genannten Problemstellung
an.
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Bei Vorhandensein einer Steuerungs- und Regelungslogig, wie sie für
die Witterungsprognose vorgeschlagen wurde, ist der Mehraufwand fiir die Ventilumsteuerung
geradezu vernachlässigbar.
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Der Erdbehälter ist in Fig. 1 beispielhaft dargestellt Das Erdreich
1 umgibt die äußere Wandung 5 b die mit dem Innenbhälter 4 den Spaltraum 3 erzeugt,
der variabel mit der Sole durch die Pumpe 12 gefüllt und entleert werden kann. Die
Regellogig 8 verarbeitet alle anfallenden Daten* flir die die Temperaturmeßleitungen
9 beispielhafte Aufhehmer sein mögen, Im Inneren des Speichers befindet sich ein
Wärmetauscher 7 , der Be-und Entladung des Speichers ermöglicht. Konvektionsverhindernde
Mittel 10 begünstigen die strenge Schichtladung. .techanisch ist der Innenbehälter
4 durch Deckel 2 und Spannteile 6 befestigt.
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Die Sole, die an der Pumpe bei 11 anfällt, kann in einen nebengeordneten
Behälter gelagert werden, oder sich in einem besonderem Kreislaufsystem befinden,
wie z.B. eingebunden in den Solarkreislauf0 Die Fig. 2 zeigt beispielhaft den gleichen
Erdapeicher mit aufgesetzte.
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Luftwärmetauscher, der die eigentliche WP umfängt. Dieser Luftwärmetauscher
ist gleichermaßen durch seine große Oberfläche ein Absorber und bei geeigneter Aufstellung
Strahlungsempfänger. Die Kondensatabscheidung und -einleitung in die Erdbehälterumgebung
vergrößert dort den W§rmeübergang. Die Zusammenschaltung der Leitungen erfolgt in
der beschriebenen Weise. Damit ist durch die Absorberwirkung auch im Sommerbetrieb
ein stiller Wärmegewinn aus der Umgebungsluft möglich, der durch den Einsatz von
Solarkollektoren erheblich steigert. Die benötigte Kollektorfläche kann Jedoch erheblich
kleiner ausfallen, als das bei reinem Kollektorbetrieb der Fall ist. Gegebenenfalls
läßt sich bei zu geringem Strahlungsangebot die WP in Betrieb nehmen, die energetisch
günstiger als eine Elektrozusatzheizung arbeitet, Der isollerbare Innenbehälter
des ärmespeichers reduziert den Gesamtaufwand in groRem Maße
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