DE8026639U1 - Waermepuffer fuer heizungsanlagen - Google Patents

Description

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6300 Lahn-Giessen 1, 1. .10 .1980

Dipl.-Ing. Richard Sohlee
Dipl.-Ing. Arne Missling

Mi/L 14.158

Karl KoIb & Sohn GmbH, Ludwigstr. 40 6300 Gießen

Wärmepuffer für Heizungsanlagen

Die Erfindung betrifft einen Wärmepuffer für mit Wärmepumpen versehene Heizungsanlagen, bestehend aus einem Behälter, der mit Anschlüssen für den Heizungsvor- und rücklauf versehen ist und aus einem im Behälter angeordneten Wärmetauscher, der vom Kältemittel der Wärmepumpe durchströmt ist.

Wärmepumpen der eingangs beschriebenen Art für Heizungsanlagen haben eine aus Rentabilitätsgründen vergleichsweise geringe Leistung, so daß diese bei stoßartigem Wärmebedarf, wie es ja z. B. bei der Heißwasserversorgung oder bei der Raumheizung auftritt, nicht in der Lage sind, diesen Bedarf zu decken. Es ist dann erforderlich, daß vorübergehend eine Zusatzheizeinrichtung, d. h. der Ölbrenner oder Gasbrenner den Wärmebedarf deckt. Hierdurch wird jedoch der Nutzen der Wärmepumpe verringert. Aus diesem Grund hat man in den Heizungskreislauf einen Wärmepuffer eingeschaltet, der den stoßartigen Wärmebedarf decken soll. Hierdurch konnte eine Verbesserung in der Energiebilanz erreicht werden. Allerdings waren hierfür sehr große Wärmepuffer und eine Mischregelung des Eingangswassers in den Wärmepuffer erfoderlich, was zu einer wesentlichen Verteuerung der Heizungsanlage führte und einen hohen Platzbedarf erforderte.

War der Wärmepuffer mit kaltem Wasser gefüllt oder aber kam der Wärmetauscher innerhalb des Wärmepuffers in Kontakt mit kaltem Wasser, so arbeitete die Anlage aus den weiter unten aufgeführten Gründen nicht optimal. Zusätzlich besitzen die bekannten Heizungs anlagen mit Wärmepumpen eine große Anlaufzeit, die, da die Luft-Wasser-Wärmepumpe in der Regel bis 3° Celsius eingesetzt wird, bis zu drei Stunden. be.tr.age.n kann,_r D₁ ie Folge ist, daß die Wirt-

schaftlichkeit der Wärmepumpe bei diesen Außentemperaturen in Frage gestellt ist. Der Grund für die lange Anlaufzeit bei kaltem Wasser im Wärmepuffer besteht darin, daß die Wärmepumpe ihre maximale Heizleistung nur bei dem maximalen Betriebspunkt des Kältemittels erreicht. Dieser liegt bei ca. 22 bis 25 bar. Dieser Betriebsdruck ist jedoch von der Temperatur im Wärmetauscher abhängig, d. h. , wenn das Heizungswasser im Wärmepuffer eine niedrige Temperatur hat, wird nur ein Bruchteil der angegebenen Nennleistung der Wärmepumpe erreicht, denn dann geht auch die Eingangstemperatur am Kondensator der Wärmepumpe zurück. Die Wärmepumpe gibt somit gerade zu den Zeiten, in denen die größte Energiemenge benötigt wird, nur einen Bruchteil ihrer Nennleistung ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmepuffer der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auch bei kaltem Heizungsmedium im Wärmepuffer die Wärmepumpe mit .

Nennleistung betrieben werden kann und daß die bisher benötigte Aufheizzeit, bis.Wärme abgegeben werden kann, wesentlich herabgesetzt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wärmetauscher ein ^% an sich bekannter Koaxial-Kondensator -" is.t, der im oberen Bereich des Wärmepuffers angeordnet ist, daß das innenliegende Rohr des Wärmetauschers vom Puffermedium und das dieses umgebende äußere Rohr vom Kältemittel der Wärmepumpe durchströmt ist, daß das dem inneren Rohr des Wärmetauschers zugeführte Puffermedium aus dem unteren Bereich des Puffers abgepumpt wird, und daß die Austrittsöffnung des inneren Rohres des Wärmetauschers im oberen Bereich des wärmepuffers liegt.

Der Wärmetauscher ist im oberen Bereich vorzugsweise im oberen Viertel des Wärmepuffers angeordnet. Beim Anfahren der Heizungsanlage, in der sich im Wärmepuffer kaltes Heizungswasser befindet, wird zunächst kein Wasser des Puffers durch das innere Rohr des Wärmetauschers gepumpt. Dieser Wärmetauscher arbeitet somit im ersten Moment als Tauchsieder. Da der Wärmetauscher im oberen Bereich des Wärmepuffers angeordnet

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ist und der Heizungsvorlauf vom höchsten Bereich dieses Wärmepuffers abgeht, erwärmt sich dieser Bereich des Wärmepuffers relativ schnell, so daß bereits nach kurzer Zeit (ca. 15 min) warmes Wasser im oberen Bereich des Puffers für Heizzwecke zur Verfügung steht. In Abhängigkeit des Druckes des Kältemittels wird die Umwälzpumpe gesteuert, die Wasser des Wärmepuffers durch den Wärmetauscher drückt. Die Steuerung der Pumpe erfolgt vorteilhaft drehzahlabhängig, wobei die Drehzahl eine Funktion des in der Kältemittel-

ίο leitung herrschenden Druckes des Kältemittels ist. Dieser " Druck wird konstant gehalten. Dadurch, daß der Druck des Kältemittels immer auf ca. 23 bar gehalten wird, arbeitet die Wärmepumpe immer mit ihrer maximalen Leistung. Wenn der Druck des Kältemittels über den eingestellten Sollwert hinausgeht, was bedeutet, daß der obere Bereich des Wärmepuffers auf ca. 55° aufgeheizt ist, dann wird mit Hilfe der Umwälzpumpe das kalte Puffermedium, das sich im unteren Bereich des Wärmepuffers befindet, dosiert durch den Wärmetauscher gedrückt. Fällt der Druck in der Kältemittelleitung ab, so wird die Menge reduziert. Hierdurch kann während des Heizbetriebes nach und nach der gesamte Inhalt des Wärmepuffers auf die Betriebstemperatur gebracht werden.

Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird, um eine unbeabsichtigte Vermischung von kaltem und warmem Medium im Wärmepuffer zu vermeiden, der Heizungsrücklauf so in den Wärmepuffer eingeleitet, daß das Wasser des Heizungsrücklaufes praktisch verwirbelungsfrei in das Wasser des Wärmepuffers eintritt. Dies kann z.B. durch eine entsprechend große Auslaßöffnung erreicht werden, wobei die Auslaßöffnungen selbst

2Q quer zur Lotrechten liegen. Je nach Temperatur des Umgebungswassers fällt das aus dem Heizungsrücklauf auftretende Wasser nach unten oder steigt nach oben.

Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist in der Leitung, in der das Wasser vom Boden des Wärmepuffers zum Wärmetauscher geleitet wird, ein Wärmefühler eingesetzt. Dieser Wärmefühler mißt die Temperatur des dem Wärmetauscher zugeführten Wassers, das, da es vom Boden des Wärmepuffers entnommen ist, die geringste Temperatur in diesem aufweist. Erreicht diese Temperatur einen vorgegebenen Sollwert, so wird die Wärmepumpe und auch die Umwälzung abgeschaltet.

Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Wärmepuffer bringt bei

nur relativ geringen Mehrkosten gegenüber, den herkömmlichen

Wärmepuffern eine wesentliche Verbesserung in der Anwendungstechnik der Wärmepumpe.

Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist oberhalb der Austrittsöffnung des inneren Rohres des Wärmetauschers im Puffer ein Brauchwasserwärmetauscher angeordnet, der somit unmittelbar vom warmen aus dem Wärmetauscher der Wärmepumpe austretenden Wasser erfaßt wird. Hierdurch wird erreicht, daß das Warmwasser bevorzugt vom Wärmetauscher der Wärmepumpe erwärmt wird. Des weiteren wird der Vorteil erreicht, daß ein zusätzlicher Behälter mit einem Wärmetauscher, wie er bisher für die Brauchwassererwärmung erforderlich war, entfällt. Hierdurch wird nicht nur ein zusätzlicher Behälter eingespart, sondern auch Installationsraum.

Dieser zusätzliche Wärmetauscher für Brauchwasser liegt somit oberhalb des Wärmetauschers der Wärmepumpe und unterhalb des Heizungsvorlaufs. Dies ist insofern von Bedeutung, daß, falls der Wärmetauscher der Wärmepumpe nicht ausreichend sein sollte, das Brauchwasser zu erwärmen, die Erwärmung des Brauchwasserwärmetauschers über den Heizungsvorlauf erfolgt, über den dann das erwärmte Wasser von der Zusatzheizung in den Wärmepuffer eingedrückt wird. Dieses

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erwärmte Wasser trifft dann in erster Linie auf den Brauchwasserwärmetauscher. Dicht unterhalb des Brauchwasser-Wärmetauschers ist der Rücklauf für die Boilererwärmung angeordnet, so daß im Falle der Brauchwassererwarmung durch die Zusatzheizung nur der Teil des Wärmepuffers erwärmt wird, in dem der Brauchwasserwärmetauscher angeordnet ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen in Verbindung mit Beschreibung und Zeichnung hervor.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist. im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben, in dieser zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmepuffer gemäß A-A und B-B in Fig. 2 und eine schematische Darstellung einer Wärmepumpe und

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Wärmespeicher gemäß Fig. 1.

Der in den Figuren gezeigte Wärmepuffer 1 besteht aus einem geschlossenen Behälter 2, dessen Deckel 3 von vier Leitungen durchsetzt ist. Dies sind die beiden Kältemittelleitungen 4, 5 und der Heizungsvorlauf 6 und der Rücklauf 7. Im Inneren des Behälters 2 ist in dessen oberem Bereich ein Wärmetauscher 8 angeordnet. Dieser Wärmetauscher 8 besteht aus einem Koaxial-Kondensator mit einem Rohr 9, das in ein äußeres Rohr 10 mit Abstand eingeschoben ist. Das untere Ende des inneren Rohres 9 ist an ein Rohr 11 angeschlossen, das zum unteren Bereich 12 des Wärmepuffers 1

führt. In dieses Rohr ist eine Umwälzpumpe 13 sowie ein Rückschlagventil 14 eingeschaltet. Vor der Umwälzpumpe 13 und hinter dem Rückschlagventil 14 ist je ein Absperrschieber 15, 15 eingeschaltet. Der Raum zwischen dem inneren Rohr und dem äußeren Rohr im Wärmetauscher 8 ist vom Kältemittel durchflossen, hierbei ist das obere Ende des Rohres an die Kältemittelleitung 4 und das untere Ende des Rohres 10 an die Kältemittelleitung 5 angeschlossen. Das innere Rohr 9 endet im oberen Bereich des Wärmepuffers. Die letzte Windung des inneren Rohres 9 liegt frei im Wasser des Wärmepuffers und hat an ihrer Oberseite eine Vielzahl von Austrittsöffnungen 22,verteilt auf ihren ringförmigen Umfang. Oberhalb dieses Endes des inneren Rohres 9 ist mit geringem Abstand ein Brauchwasserwärmetauscher 23-angeordnet, der entsprechend dem ringförmigen Ende des inneren Rohres 9 ausgebildet ist. Dieser Brauchwasserwärmetauscher 23 lieg.t also unmittelbar über den Austrittsöffnungen 22 und dem Wärmetauscher 8, so daß dieser bevorzugt mit dem warmen Wasser in Berührung kommt.. Der Kaltwasserzulauf für den Brauchwasserwärmetauscher ist mit 24 und der Warmwasseraustritt mit 26 bezeichnet. Unterhalb des Brauchwasserwärmetauschers 23 ist im Wärmepuffer ein Boilerrücklauf 25 angeordnet, dessen Funktion nachstehend noch erläutert werden wird.

Der Heizungsrücklauf 7 endet im unteren Bereich des Wärmetauschers 1. Die Austrittsöffnungen 16 des Heizungsrücklaufes haben zusammen eine Querschnittsöffnung, die größer ist als der Querschnitt des Heizungsrücklaufes 7, so daß das aus den öffnungen 16 austretende Wasser eine relativ geringe Geschwindigkeit hat, so daß beim Eintritt in das Wasser des Wärmepuffers keine wesentlichen Verwirbelungen auftreten. Das aus dem Heizungsrücklauf austretende Wasser fällt dann oder steigt, je nach seiner Temperatur relativ zum Umgebungswasser.

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In die Kühlmittelleitung 4 ist ein Druckmeßgerät und Regler 17 eingeschaltet, das den von der Wärmepumpe 18 kommenden Druck des Kältemittels mißt und die Drehzahl und damit die Leimung der Umwälzpumpe 13 so regelt, daß der Druck konstant bleibt. Die Wärmepumpe, die über die Kältemittelleitungen 4 und 5 an den Wärmetauscher 8 im Wärmepuffer 1 angeschlossen ist, kann beliebiger Art sein.

Im Wärmepuffer 1 ist ein Temperaturfühler 19 und in der Leitung 11 ein Temperaturfühler 20 eingeschaltet, die die Meßwerte einer Schalteinrichtung 21 zuführen.

Die Vorrichtung arbeitet wie folgt. Befindet sich kaltes Wasser im Wärmepuffer, so wird der Druck des Kältemittels in der Kältemittelleitung 4 so niedrig sein, daß der Regler 17 die Umwälzpumpe 13 außer Betrieb setzt. Bei dieser Betriebsweise durchströmt das Kältemittel den Wärmetauscher und gibt seine Wärme ähnlich einem Tauchsieder an die Umgebung ab. Da sich der Wärmetauscher im oberen Viertel des Wärmepuffers befindet, wird dieser Bereich des Wärmepuffers sehr schnell erhitzt, so daß bereits nach kurzer Zeit der Heiz- oder Brauchbetrieb aufgenommen werden kann. Steigt die Temperatur des Wassers in der Umgebung des Wärmetauschers im Wärmepuffer, so erhöht sich der Druck des Kältemittels in der Leitung 4, so daß die Umwälzpumpe eingeschaltet wird. Nunmehr wird kaltes Wasser aus dem unteren Bereich des Wärmepuffers dosiert dem Wärmetauscher über die Leitung 9 zugeführt. Die Leistung der Umwälzpumpe wird so gesteuert, daß der Druck des Kältemittels in der Kältemittelleitung 4 im wesentlichen konstant gehalten wird. Sollte die Umwälzpumpe zuviel kaltes Wasser aus dem unteren Bereich des Puffers fördern, so daß der Druck in der Druckmittelleitung 4 sinken sollte, so regelt der Regler 17 die Leistung der Umwälzpumpe solange

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herunter, bis der Druck wieder auf seinen vorgegebenen Sollwert steigt.Hierdurch kann jeweils die optimale Menge Wasser zu der Nennleistung der Wärmepumpe erwärmt werden.

Der oberhalb des Wärmetauschers 8 angeordnete Brauchwasser-Wärmetauscher wird über die Leitung 2 4 mit Kaltwasser gespeist und gibt über die Leitung 26 sein Warmwasser ab. In die Leitung 26 ist ein Temperaturmeßgerät 27 eingeschaltet, das die Temperatur des abgegebenen Wassers 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, die Zusatzheizung eingeschaltet, über diese Zusatzheizung wird dann über den Heizungsvorlauf 6 warmes Wasser in den Wärmepuffer eingedrückt, das unmittelbar auf den Brauchwasserwärmetauscher 22 fällt. Dicht unterhalb des Brauchwasserwärmetauschers 23 ist der Boilerrücklauf 25 angeordnet, über den das über den Brauchwasservorlauf eingedrückte Wasser zur Zusatzheizung zurückfließt. Diese Anordnung gestattet es, auf einen zusätzlichen Behälter für die Aufnahme des Brauchwasserwärmetauschers zu verzichten und diesen unmittelbar in den sowieso erforderlichen Wärmepuffer für die Heizungsanlage zu integrieren. Erreicht die Temperatur im Rohr 11 einen vorgegebenen Sollwert, so wird die Wärmepumpe abgeschaltet.

Claims (9)

1. Wärmepuffer für mit Wärmepumpe versehene Heizungsanlagen, bestehend aus einem Behälter, der mit Anschlüssen für den Heizungsvor- und -rücklauf versehen ist und aus einem im Behälter angeordneten Wärmetauscher, der vom Kühlmittel der Wärmepumpe durchströmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (8) ein an sich bekannter Koaxial-Kondensator ist, der im oberen Bereich des Wärmepuffers (1) angeordnet ist, daß das innenliegende Rohr (9) des Wäremtauschers (8) vom Puffermedium und das dieses umgebende äußere Rohr (10) vom Kältemittel der Wärmepumpe (18) durchströmt ist, daß das innere Rohr (9) des Wärmetauschers über eine Zufuhrleitung (11) an den unteren Bereich des Puffermediums angeschlossen ist und daß die Austrittsöffnung des inneren Rohres (9) des Wärmetauschers (8) im oberen Bereich des Wärmepuffers des Heizungsvorlaufes liegt.

2. Wärmepuffer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizungsrücklauf (7) im unteren Bereich des Wärmepuffers (1) mündet und einen derart großen Austrittsquerschnitt (16) aufweist, daß eine Verwirbelung des Puffermediums vermieden ist.

3. Wärmepuffer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Austrittsöffnung des inneren Rohres (9) des Wärmetauschers (8) im Anschluß des Heizungsvorlaufes (6) mündet.

4. Wärmepuffer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zufuhrleitung 11 eine in Abhängigkeit des Druckes des Kühlmittels gesteuerte Umwälzpumpe (13) eingebaut i»t.

5. Wärmepuffer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zufuhrleitung (11) ein Rückschlagventil (14) . eingebaui 1st.

6. Wärmepuffer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zufuhrleitung (11) ein Temperaturfühler eingeschaltet ist.

7. Wärmepuffer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (8) im oberen Viertel des Wärmepuffers angeordnet ist.

8. Wärmepuffer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Wärmetauschers (8) ein Brauchwasserwärmetauscher (23) angeordnet ist.

9. Wärmepuffer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Boilerrücklauf für den Brauchwasserwärmetauscher (23) dicht unterhalb des Brauchwasserwärmetauschers (23) im Wärmepuffer (1) angeordnet ist.