EP4033163A1 - Energieversorgungssystem mit einer hydraulikeinrichtung zur bereitstellung von kühlleistung und/oder heizleistung, hydraulikeinrichtung für ein energieversorgungssystem und verfahren zum betreiben eines energieversorgungssystems - Google Patents

Energieversorgungssystem mit einer hydraulikeinrichtung zur bereitstellung von kühlleistung und/oder heizleistung, hydraulikeinrichtung für ein energieversorgungssystem und verfahren zum betreiben eines energieversorgungssystems Download PDF

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EP4033163A1
EP4033163A1 EP21217986.5A EP21217986A EP4033163A1 EP 4033163 A1 EP4033163 A1 EP 4033163A1 EP 21217986 A EP21217986 A EP 21217986A EP 4033163 A1 EP4033163 A1 EP 4033163A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat
hydraulic device
heat pump
heat exchanger
pump
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21217986.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mario Weis
Mario Weigel
Heiko LÜDEMANN
Daniel Eisenmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Viessmann Climate Solutions SE
Original Assignee
Viessmann Climate Solutions SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Viessmann Climate Solutions SE filed Critical Viessmann Climate Solutions SE
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Pending legal-status Critical Current

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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D19/00—Details
    • F24D19/10—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F24D19/1006—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems
    • F24D19/1009—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for central heating
    • F24D19/1015—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for central heating using a valve or valves
    • F24D19/1024—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for central heating using a valve or valves a multiple way valve
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
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    • F24D19/1006—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems
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    • F24D2220/00—Components of central heating installations excluding heat sources
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    • F24D2220/042—Temperature sensors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D2220/00—Components of central heating installations excluding heat sources
    • F24D2220/04—Sensors
    • F24D2220/044—Flow sensors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D2220/00—Components of central heating installations excluding heat sources
    • F24D2220/10—Heat storage materials, e.g. phase change materials or static water enclosed in a space

Definitions

  • the invention relates to an energy supply system with a hydraulic device for providing cooling capacity and/or heating capacity, a hydraulic device for an energy supply system and a method for operating an energy supply system.
  • Ice banks for storing latent heat for heating and cooling buildings are known. So reveals the EP 2686633 A1 a latent heat storage system with an ice store, which has a central extraction heat exchanger and which is surrounded by a regeneration heat exchanger.
  • the heat exchangers are in contact with the storage medium, usually water.
  • the extraction heat exchanger is connected to a heat pump, while the regeneration heat exchanger is connected to a heat source.
  • the ice store delivers low-calorie heat to the heat pump via the extraction heat exchanger until the water in the ice store solidifies and the latent heat store is thermally discharged.
  • the speed of discharging can be influenced via the regeneration heat exchanger.
  • ambient heat is also fed into the ice store via the regeneration heat exchanger in order to thaw the solidified storage medium and thus supply energy to the storage medium.
  • the regeneration heat exchanger and the extraction heat exchanger are hydraulically separated to enable controlled and directed freezing of the water in the ice bank.
  • Thawing also occurs in a controlled manner and in the opposite direction of ice build-up from outside to inside when heat is supplied via the regeneration heat exchanger.
  • Such ice storage systems are suitable as energy sources to cover the heating and cooling needs of connected consumers.
  • a heat pump can be connected via a system controller either to a geothermal heat exchanger or to an ambient air heat exchanger.
  • the system controller either controls the heat pump directly or intervenes in the control of a heat pump controller.
  • the temperature of the respective heat transfer medium is recorded using temperature sensors on the respective heat exchangers.
  • the system controller controls a number of valves in order to control the flow of heat carrier between the heat pump and the heat exchangers depending on the temperatures recorded at the heat exchangers.
  • One of the heat exchangers can be selected and connected to the heat pump, or the heat pump is connected to a series connection of the heat exchangers.
  • the object of the invention is to create an inexpensive energy supply system, in particular for supplying a residential building.
  • a further object is to create an inexpensive hydraulic device for such an energy supply system.
  • Another object is to create a method for operating such a power supply system.
  • An energy supply system for providing cooling capacity and/or heating capacity comprising (i) a first energy source with a first heat exchanger, (ii) at least one second energy source with a second heat exchanger, (iii) a heat pump whose primary side is connected to the first and /or second energy source can be coupled, (iv) a hydraulic device which has a fluid interface for the heat pump, a fluid interface for the first heat exchanger and a fluid interface for the second heat exchanger, (v) a control and/or Control device which is connected at least to the hydraulic device for setting operating states of the hydraulic device by means of a three-way switching valve, a control valve and a straight-through valve of the hydraulic device.
  • the hydraulic device is designed to connect the heat pump selectively to the first heat exchanger in a first operating state, the heat pump selectively to the second heat exchanger in a second operating state, and in a third operating state the heat pump to both the first and second heat exchangers, depending on the operating parameters of at least the heat pump to connect the heat exchanger.
  • the heat pump is controlled by its own heat pump controller.
  • the hydraulic device can carry out its functions fully automatically using its temperature and volume flow sensor system, which is arranged in the hydraulic device. It is not necessary for the control and/or regulation unit to intervene in a heat pump control system.
  • the heat pump control in particular does not need to be adapted to the hydraulic device.
  • the temperature sensors of the hydraulic device allow a decision to be made as to which is the most favorable energy source in the form of the heat exchanger for supplying the heat pump, or whether mixed operation is more favorable in order to supply the heat pump with heat transfer fluid from both heat exchangers.
  • the control valve permits mixed operation, which brings together the heat transfer fluid of the heat exchangers of the first and the at least second energy sources, or alternatively the supply of heat transfer fluid from the heat exchanger of one of the different energy sources.
  • mixed operation the heat transfer fluids of the various heat exchangers are mixed, with the respective proportion of the heat transfer fluid in the mixture of heat transfer fluids being set via the control valve.
  • the hydraulic device selects the cheapest energy source or switches the energy sources together for mixed operation, with the control valve serving to adjust the contribution of the respective energy source.
  • the primary energy source that can be used more efficiently thermally can be selected on the basis of the measurement results of the temperature sensors in the hydraulic device. If, for example, the temperature of the heat transfer fluid from the energy source that supplies the heat pump is too high to be processed by the heat pump, it is advantageous to mix in the cooler heat transfer fluid from the other energy source in mixed operation.
  • the heat pump is advantageously provided as a brine/water heat pump. This is particularly beneficial at locations where no geothermal probes are permitted. Compared to air heat pumps, brine/water heat pumps are particularly quiet in operation.
  • the first energy source can advantageously be a latent heat store, in particular an ice energy store.
  • a gas condensing boiler can also be used as the first energy source.
  • several interacting latent heat storage devices can also be provided as the first energy source.
  • a nominal heat output of the heat pump of 10 kW, for example, is sufficient for heating and cooling a single-family house, for example. If necessary, heat pumps with a higher nominal heat output can also be used, for example when two or more ice energy storage devices are connected together.
  • the second energy source with the second heat exchanger preferably absorbs heat from the environment, such as ambient air.
  • the second heat exchanger can be a solar air collector, which can be arranged, for example, on a roof and whose heat exchanger tubes are flushed with ambient air, and/or a so-called energy fence, which is arranged on the ground or partially extends into the ground.
  • a heat transfer fluid flows through the heat exchanger tubes of the energy fence or the solar air collector, which absorbs the ambient heat from the environment around the energy fence or the collector. If the energy fence extends into the ground, heat can be absorbed from the ambient air and from the ground or, depending on the current temperature gradient, given off by the heat exchanger tubes.
  • waste heat from exhaust air systems and the like can also be used as a second energy source in addition or as an alternative.
  • the hydraulic device connects the primary side of the heat pump, the first heat exchanger of the first energy source and the second heat exchanger of the at least second energy source.
  • the hydraulic device can favorably be a hydraulic module that has all the necessary components. The hydraulic device can then be connected to the energy sources, the heat pump and the control and regulation unit directly on site.
  • a feed from and a return to the respective component heat pump, first heat exchanger, second heat exchanger are each connected to the fluid interfaces.
  • Corresponding pipe connections with ball valves, shut-off valves and the like can be provided for this purpose on the part of the hydraulic device.
  • first heat exchanger or second heat exchanger is used in the singular, this does not preclude several first or second heat exchangers from being combined.
  • the term heat pump can also include more than one heat pump.
  • the heat pump uses either the second energy source or the first energy source as a heat source. Mixed operation of the two energy sources is also possible.
  • the primary energy source that is thermally more favorable to use can be selected based on the measurement results of the temperature sensors.
  • an intervention by the control and/or regulation unit in the existing heat pump control system can advantageously be omitted.
  • the hydraulic device can have a pump in a line section, which is provided for driving a fluid flow in the hydraulic device and from and to the heat exchangers, in particular in which case a volume flow sensor assigned to the pump can be arranged in the line section.
  • the pump can centrally transport the heat transfer fluid from the heat exchangers to the heat pump.
  • the three-way switching valve can be arranged in a line section of the hydraulic device between the fluid interfaces of the first heat exchanger and the second heat exchanger, from which a first line section and a second line section branch off.
  • the three-way switching valve can favorably specify a direction of flow at least in the first heat exchanger.
  • the changeover valve advantageously allows the first heat exchanger to be used both to extract heat from the first energy source and to supply heat to the first energy source in phases, especially if this is formed by a latent heat store, in particular an ice energy store .
  • line sections from the fluid interfaces of the first heat exchanger and the second heat exchanger can be brought together at the control valve in the hydraulic device.
  • the control valve can be fluidly connected to the three-way switching valve.
  • the control valve a three-way mixing valve, can be used to connect the first or the second or both heat exchangers to the heat pump, depending on the operating state of the hydraulic device. In this way, mixed operation or selective operation with individual heat exchangers can be set.
  • the degree of mixing of the heat transfer fluids of both heat exchangers can be adjusted via the control valve.
  • the supply of heat can advantageously be based on the individual or mixed heat transfer fluid according to the temperature of the heat transfer fluid of the respective heat exchanger and the heat requirement of the heat pump.
  • the hydraulic device can have a first volumetric flow sensor assigned to the heat pump in a line section. If the volume flow sensor indicates a flow of heat transfer fluid, this allows a heat extraction request from the heat pump to be detected.
  • the line section in the hydraulic device can be advantageously arranged in a line section that is assigned to the flow of the heat pump.
  • the heat pump can have its own internal conveying means on the primary side, in particular a primary pump, for circulating the brine. With an appropriate design, the primary pump can be used to circulate the heat transfer fluid of the heat exchangers of the energy sources in the hydraulic device.
  • the hydraulic device can have temperature sensors that can detect a temperature of a volume flow to the heat pump and a volume flow coming from the heat pump.
  • the temperature sensors allow a decision to be made as to which is the most favorable energy source in the form of the heat exchanger for supplying the heat pump, or whether mixed operation is more favorable in order to supply the heat pump with heat transfer fluid from both heat exchangers.
  • the central arrangement of the temperature sensors in the hydraulic device has the advantage that no temperature sensors have to be provided in the latent heat accumulator and/or in the second heat exchanger. Lines are saved and the temperature sensors in the central hydraulic device are accessible. As a result, for example, the first energy source can be constructed more simply if it is designed as a latent heat store.
  • a straight-through valve can be arranged in the hydraulic device between connections of the fluid interface for a supply line and a return line of the heat pump.
  • the straight-way valve permits different fluid flow paths in the hydraulic device for the heat transfer fluid to be supplied to the heat pump. If the straight-through valve is closed, the first energy source can supply the heat pump via the first heat exchanger as the sole energy source.
  • the first energy source can be designed as a latent heat store, in particular an ice energy store.
  • the latent heat store can have a housing that is designed to be maintenance-free.
  • the housing can conveniently be made of plastic. This allows a cost-effective production.
  • the housing of the latent heat storage device is usually made of concrete and is produced on site in an excavation pit. After installing the heat exchanger in the housing, the excavation pit is filled with earth. An opening is provided in the housing for installing the heat exchanger, through which a fitter can climb into the housing. A fitter can also climb into the housing via the opening in the event of repairs.
  • the manufacture of the ice store is correspondingly complex and expensive.
  • the latent heat storage device does not have to be built on site, but can be transported to the place of use fully assembled. Elaborate assembly accesses can be saved. In the event of repairs, the latent heat accumulator can be easily replaced.
  • the storage medium of the latent heat storage device is water, for example, and the heat transfer fluid in the heat exchangers is, for example, a glycol-water mixture, brine or the like.
  • the same heat transfer fluid can flow through both heat exchangers. If different media are provided in the circuits of the energy sources, in particular the heat exchangers of the energy sources, a heat exchanger can be provided at a suitable point, which possibly separates the media.
  • the fact that a separate regeneration heat exchanger in the latent heat storage device can be omitted if regeneration takes place via the first heat exchanger of the first energy source means that a considerable amount of material can be saved. Likewise, the assembly effort is reduced. In addition, there are no possible sources of error in the housing, since a separate regeneration heat exchanger is not necessary.
  • the heat exchanger can be built up in layers, each layer having, for example, a flat spiral winding of the heat exchanger tube. This can have suitable distances in the respective layer, so that a controlled, directed solidification of the storage medium can take place from the inside to the outside. In order to distribute the heat transfer fluid to the individual layers, it can be supplied via a collecting tube and removed via a further collecting tube, with a corresponding branch for the heat exchanger tube being provided for each layer.
  • the first heat exchanger has a considerable overall length of heat exchanger tube compared to a conventional regeneration heat exchanger, so that a large area is available for heat input into the storage medium of the latent heat storage device.
  • the first energy source can be designed as a condensing boiler, in particular a gas condensing boiler.
  • both a latent heat accumulator and a condensing boiler are present as the first energy source, or only one of the two is present and serves as the first energy source.
  • the second energy source can be designed as an energy fence which absorbs energy from the environment. This can be ambient air and/or the ground if the energy fence extends at least partially into the ground.
  • a hydraulic device for an energy supply system comprising a fluid interface for a heat pump, a fluid interface for a first heat exchanger of a first energy source and a fluid interface for a second heat exchanger of at least a second energy source, further comprising Line sections that fluidly connect the interface of the heat pump with the interfaces of the heat exchanger.
  • the hydraulic device advantageously serves to standardize the hydraulics of heat pump systems. To this end, it combines all the important main components that are necessary for the operation of such a heating or cooling system and can therefore advantageously form a compact hydraulic module.
  • the hydraulic device is coupled to a higher-level control and/or regulation unit, which always ensures efficient operation of the energy supply system through active energy source management, with the energy sources being able to serve for heat extraction or heat supply via their heat exchangers.
  • the hydraulic device also enables the extraction medium to be regenerated in a latent heat store, in particular an ice energy store, and the energy from the second heat exchanger to be fed into this if the first energy source is a latent heat store.
  • the hydraulic device controls the cooling operation. This happens without further intervention.
  • the hydraulic device can perform its functions fully automatically using temperature and volume flow sensors.
  • a controllable three-way switching valve, a controllable control valve and a controllable straight-way valve can be provided.
  • the straight-way valve can be advantageously arranged between connections of the fluid interface for a supply line and a return line of the heat pump. If the two-way valve is closed, the first heat exchanger can supply the heat pump as the sole energy source.
  • a pump can be arranged in a line section.
  • the line section can advantageously connect the switching valve and the control valve.
  • a volume flow sensor assigned to the pump can be arranged in the line section. This allows a compact design and enables different operating states for the heat pump.
  • the pump can move the heat transfer fluid centrally in the hydraulic device and in connected energy sources.
  • the switching valve can be arranged in a line section between the fluid interfaces of the first heat exchanger and the second heat exchanger, from which a first line section and a second line section branch off.
  • a volume flow sensor can be arranged in the first outgoing line section, which indicates a need for extraction of the heat pump.
  • the pump can advantageously be arranged in the second outgoing line section.
  • the line sections from the fluid interfaces of the first heat exchanger and the second heat exchanger can be brought together at the control valve, which is fluidically connected to the three-way switching valve.
  • the control valve allows mixed operation, which brings together the heat transfer fluid from both heat exchangers or, alternatively, the supply of heat transfer fluid from one or the other heat exchanger.
  • a line section can have a first volume flow sensor, which is provided for detecting a volume flow to the fluid interface of the heat pump. A heat withdrawal request can thereby be recognized.
  • the heat pump there is a conveyor on the primary side, which conveys the heat transfer fluid from the flow to the return if necessary.
  • temperature sensors can be provided which detect a temperature of a volume flow to the fluid interface and of a volume flow coming from the fluid interface of the heat pump. This improves the control of the heat pump and the operation of the power supply system.
  • temperature sensors can be arranged in line sections at the fluid interfaces of the heat exchangers in the hydraulic device.
  • a decentralized temperature sensor system in the latent heat store and/or in the second heat exchanger is not necessary, which allows a simplified installation effort and cost savings.
  • Lines between the control and/or regulation unit and the first and/or second energy source for temperature sensors can be omitted.
  • the current temperature of the energy sources can be detected in the hydraulic device via the temperature of their heat transfer fluids flowing through the heat exchangers.
  • a method for operating an energy supply system in which a first energy source interacts with a first heat exchanger, a second energy source interacts with a second heat exchanger and a heat pump via a hydraulic device, the fluid interfaces for the heat pump, the first heat exchanger and the second heat exchanger, as well as a control and/or regulation unit, which sets the operating states of the hydraulic device by means of a three-way switching valve, a control valve and a straight-way valve, with the hydraulic device selectively including the heat pump in a first operating state depending on the operating parameters of at least the heat pump connects to the first energy source. In a second operating state, the heat pump is selectively connected to the second energy source.
  • a mixed state the heat pump is connected to both the first and the second energy source.
  • the amount of admixture of the heat transfer fluid of one or the other heat exchanger of the energy sources can be adjusted.
  • a flow rate is determined via the flow rate sensor in the flow line of the heat pump, a voltage value is transmitted to the regulating and/or control unit, for example a universal controller therein. As soon as this voltage value is recorded, the heat pump has an extraction request, for example to supply heat.
  • the heat pump uses either the first energy source or the second energy source as a heat source. Mixed operation of the two energy sources is also possible.
  • the primary energy source that can be used more efficiently thermally can be selected based on the measurement results of the temperature sensors.
  • a flow rate is determined via the flow rate sensor in the flow line of the heat pump, a voltage value is transmitted to the control and/or regulation unit. As soon as this voltage value is recorded, there is an extraction request from the heat pump. Based on the actual temperature values of the first energy source and the second energy source via the heat transfer fluid of the respective heat exchanger in the hydraulic unit, it is determined to what extent the control valve opens or closes and thus the respective extraction source releases the first or second energy source.
  • the energy source management in the control and/or regulation unit starts.
  • the first energy source for example a latent heat store, in particular an ice energy store
  • a favorable limit value is, for example, -7°C.
  • the second energy source is used as the primary source up to the set limit value of, for example, -7 °C of the flow temperature of the second energy source, for example an energy fence.
  • the hydraulics integrated in the hydraulic unit are switched accordingly.
  • the two-way valve is closed, the three-way switching valve is open in the direction of the heat pump and the three-way mixing valve is fully open.
  • the actual temperature values of the heat transfer fluid of the first heat exchanger, the first energy source, for example the latent heat store, in particular ice energy store, and the second energy source are used to determine the extent to which the control valve opens or closes.
  • the first energy source for example the latent heat store, in particular ice energy store
  • the second energy source are used to determine the extent to which the control valve opens or closes.
  • This proportionate opening or closing of the control valve means that, depending on the extent, the first energy source or the second energy source is used to a greater or lesser extent as an energy source.
  • the control valve is accordingly open or closed depending on the degree of admixture. The lower the temperature values of the flow line, the more the second heat exchanger is added to the second energy source as an energy source up to the above limit value.
  • the second energy source is the primary source of the heat pump.
  • a latent heat storage device in particular an ice energy storage device, as the first energy source, from a first point in time
  • the latent heat storage device in particular ice
  • the latent heat storage device applies -Energy storage, from this first point in time as a priority energy source.
  • the storage medium of the latent heat store can then solidify in a targeted manner within a relatively short time, so that the latent heat store is thermally discharged.
  • the second energy source is initially preferred.
  • the first energy source for example a latent heat store, in particular an ice energy store
  • the second energy source for example a roof absorber through which the heat transfer fluid flows or an energy fence, can be used primarily in the early morning hours or at night as an energy source for cooling operation.
  • the release of the regeneration of the latent heat storage device can be carried out by the control and/or regulation unit before this first point in time if the temperature of the heat transfer fluid of the first heat exchanger falls below a predefined actual value.
  • a favorable minimum setpoint temperature value for the actual temperature value is 0°C, for example. This value is determined using a pump sequence lasting a few minutes, which serves as the primary source pump, using the temperature sensors integrated in the hydraulic device. The resulting measurement result of the actual temperature of the heat transfer medium of the first heat exchanger is stored within the open-loop and/or closed-loop control unit, for example a universal controller.
  • the regeneration function can be released due to the temperature.
  • This date-related release can take place up to and including a first point in time from which the storage medium of the latent heat storage device is prepared for a cooling capacity to be provided in summer.
  • a favorable first time in Central Europe is, for example, March.
  • the heating period which represents the withdrawal period for the latent heat storage device during which it mainly gives off heat
  • freezing of the storage medium can be controlled and delayed by temporarily supplying heat, in order to use the thermal energy stored in the storage medium for as long as possible to use.
  • the regeneration does not make sense due to low flow temperatures of the energy fence or other influences, the regeneration is not started.
  • the actual temperatures of the first energy source and the second energy source can be queried in advance.
  • the regeneration is interrupted for the duration of the demand.
  • a corresponding volume flow in the flow line to the heat pump (heating or cooling requirement of the heat pump) is recorded via a volume flow sensor in the hydraulic device.
  • the storage medium of the latent heat storage device in particular ice energy storage device, can be prepared for the cooling capacity to be provided in summer by allowing the storage medium to solidify in a targeted manner.
  • the first point in time practically ends the withdrawal period of the latent heat storage device.
  • This time limit can be lifted from a specific second point in time in order to prepare the storage medium of the latent heat store, in particular ice energy store, for the heating output to be provided in the cold season in winter.
  • a fundamental regeneration of the storage medium within the latent heat storage device can take place, during which heat from the second heat exchanger is stored in the latent heat storage device, in particular ice energy storage device, in that the storage medium that has solidified by the end of the withdrawal period at the latest is thawed and optionally heated.
  • This basic regeneration process is possible when the heat pump is not using the second heat exchanger as the primary source of heat or when the cooling function of the heat pump is not active.
  • the following steps can take place when a request for heating operation of the heat pump is detected: checking the actual temperatures of the heat transfer fluid of the first and second heat exchangers; determining a state of a control valve of the hydraulic device to which the heat exchangers are coupled; and if a predetermined minimum temperature of the heat transfer fluid of one of the heat exchangers of the energy sources is reached or fallen below, setting the control valve in such a way that the other of the energy sources is used to introduce heat into the heat pump. If the heat transfer fluid of none of the heat exchangers of the energy sources reaches or falls below its specified minimum temperature, the control valve is adjusted in such a way that both energy sources are used to introduce heat into the heat pump. In this way, the cheapest energy source for the heat pump can be selected automatically.
  • the first energy source if this is a latent heat store, in particular an ice energy store, can serve as an energy source for introducing heat into the heat pump up to a first point in time, after which the latent heat store is thermally discharged for cooling operation of the heat pump to start as intended.
  • this can be a time in spring, for example March.
  • the following steps can also be carried out when a request for cooling operation of the heat pump is detected: checking the actual temperatures of the heat transfer fluid of the first and second heat exchangers of the energy sources; Determining a state of a control valve of the hydraulic device to which the heat exchangers are coupled. If a temperature of the heat transfer fluid of one of the heat exchangers of one of the energy sources is too high for cooling operation of the heat pump, the control valve is adjusted so that the energy source serves as an energy source for heat input into the heat pump. In this way, the cheapest energy source for the heat pump can be selected automatically.
  • storage medium in the case of a latent heat storage device as the first energy source, can be regenerated in the latent heat storage device by the first heat exchanger supplying heat to the latent heat storage device.
  • the first heat exchanger supplying heat to the latent heat storage device.
  • no separate regeneration heat exchanger is necessary, which is cost-effective and simplifies the design of the latent heat store.
  • the regeneration of storage medium in the latent heat accumulator can be released depending on a temperature in the first heat exchanger, which is detected in the hydraulic device, and depending on a second time up to which the latent heat accumulator is thermally discharged for an intended upcoming cooling operation of the heat pump.
  • the solidification of the storage medium can be reliably timed during the withdrawal period in the cold season.
  • figure 1 12 schematically illustrates a power supply system 100 according to an embodiment of the invention.
  • the energy supply system 100 includes a first energy source 110, which is designed, for example, as a latent heat store.
  • the latent heat accumulator has a housing 112 which is provided for accommodating a storage medium 114 with latent heat.
  • the storage medium is water, for example.
  • the latent heat storage serves as the first energy source.
  • a first heat exchanger 150 is arranged in the storage medium 114 in the housing 112 and is provided for exchanging heat with the storage medium 114 and has at least one heat exchanger tube 152 through which a heat transfer fluid can flow.
  • the heat transfer fluid is, for example, brine or a glycol-water mixture or the like.
  • a condensing boiler in particular a gas condensing boiler, can also be provided as the first energy source 110 .
  • the energy supply system 100 further includes a heat pump 200, which is fluidly connected to its primary side with the heat exchanger 150 of the first energy source 110, and a second energy source 210 with a second heat exchanger 250, such as an energy fence. Furthermore, the energy supply system 100 comprises a hydraulic device 400 and a control and/or regulation unit 300 which is connected to the hydraulic device 400 .
  • the hydraulic device 400 fluidly connects the first heat exchanger 150 of the first energy source 110, the second heat exchanger 250 of the second energy source 210 and the heat pump 200.
  • the heat pump 200 is via a fluid interface 420
  • the first heat exchanger 150 of the first energy source 110 is via a fluid Interface 430
  • the second heat exchanger 250 of the second energy source 210 is coupled to the hydraulic device 400 via a fluid interface 440
  • the fluid interfaces 420, 430, 440 each including connections for the flow and return of the components 200, 150, 250.
  • the heat pump 200 supplies a consumer 102, for example a detached house, with heat or, if required, with cooling.
  • a conveying means 104 is provided, for example, which conveys a heat transfer fluid from the secondary side of the heat pump 200 to the consumer 102 .
  • FIG. 4 shows a hydraulic diagram of the hydraulic device 400 of the energy supply system figure 1 according to an embodiment of the invention.
  • figure 3 shows the hydraulic device 400 enlarged in detail.
  • the control and/or regulation unit 300 is not shown.
  • the hydraulic device 400 has a fluid interface 420 for the heat pump 200, a fluid interface 430 for the first heat exchanger 150 of the latent heat store as the first energy source 110 ( figure 1 ) and a fluid interface 440 for the second heat exchanger 250 of the second energy source.
  • the heat pump 200 is preferably a brine/water heat pump and has a conveying means internally on the primary side in order to convey the brine or the heat transfer fluid.
  • the primary side of the heat pump 200 is connected to connections 203 , 205 of the fluid interface 420 via lines 202 , 204 .
  • the line 202 connects the flow of the heat pump 200 to the connection 203 and the line 204 the return of the heat pump to the connection 205 of the fluid interface 420.
  • the lines 202, 204 are connected to line sections 406 and 409 of the hydraulic device via unspecified ball valves 400 connected.
  • the line sections 406 and 409 are connected via a line section 408 which extends between a branch 411 in the line section 406 and a branch 414 in the line section 409 .
  • a controllable straight-way valve 474 (2-way valve) is arranged in the line section 408 .
  • Heat transfer fluid can circulate from the feed to the return of the heat pump 200 via the line section 408 .
  • the heat transfer fluid flows through a volume flow sensor 480 in the line section 406 in which a temperature sensor 450 is arranged downstream of the volume flow sensor 480 .
  • the temperature sensor 450 detects the temperature of the heat transfer fluid that reaches the flow of the heat pump 200 . If a flow is determined via the volume flow sensor 480 in the line section 406, a voltage value is transmitted to the control and/or regulation unit (not shown). As soon as this voltage value is detected, the heat pump 200 has an extraction request.
  • control valve 472 three-way mixing valve
  • a line section 410 also branches off.
  • the line section 410 ends at a branch 412, from which the line section 402 to the fluid interface 430 of the first heat exchanger 150 on the one hand and the line section 404 to the fluid interface 440 of the second heat exchanger 250 on the other hand branch off.
  • the first heat exchanger 150 is connected to the fluid interface 430 with its connections 156 , 158 via lines 162 , 164 .
  • the second heat exchanger 250 is connected to the fluid interface 440 via lines 252 , 254 .
  • the fluid interfaces 430, 440 have unspecified connection taps, for example ball valves, for the respective lines 162, 164, 252, 254 both inside and outside the hydraulic device 400.
  • the line 162 of the first heat exchanger 150 opens at the fluid interface 430 into a line section 401 and the line 164 into a line section 402 of the hydraulic device 400.
  • line 252 of second heat exchanger 250 opens into a line section 403, and line 254 into a line section 404 of hydraulic device 400.
  • temperature sensors 454, 456, 458, 460 are arranged adjacent to the fluid interfaces 430, 440, so that the temperature of the heat transfer fluid of the respective heat exchanger 150, 250 when entering and exiting the Hydraulic device 400 can be detected.
  • the temperature when the heat transfer fluid enters the hydraulic device corresponds to the source temperature of the respective energy source 110, 210.
  • the line section 401 opens out into a line section 407 at a branch 413.
  • the line sections 403 and 407 are connected to a control and/or regulation unit (300 in figure 1 ) controllable control valve 472 (three-way mixing valve).
  • the heat exchanger 150, 250 and the requirement of the heat pump 200 can be selectively supplied with heat transfer fluid from the first heat exchanger 150 or the second heat exchanger 250 or, in mixed operation, with that from both heat exchangers 150, 250.
  • the control valve 472 can adjust the degree of admixture of the respective heat transfer fluid originating from one or the other heat exchanger 150 , 250 .
  • a line section 405 leads to a controllable three-way switching valve 470, which is controlled by the control and/or regulation unit (300 in figure 1 ) can be controlled.
  • Line section 406 and line section 407 branch off from there.
  • the line section 407 leads back to the control valve 472 into which the line section 401 opens at a branch 413 .
  • a pump 490 is arranged in the line section 407 .
  • a volume flow sensor 482 is arranged upstream of the pump 490 .
  • a ball valve is connected to the line section 407 and can be used for draining, flushing and/or filling the line section 407 .
  • the other line section 406 branching off from the three-way switching valve 470 leads to the connection 203 for the line 202 for the flow of the heat pump 200.
  • the first or the second energy source 110, 210 are used by the heat pump 200 as heat sources; mixed operation of the heat sources is possible.
  • the primary source used in each case is selected on the basis of measured values from temperature sensors 450 , 452 , 454 , 456 , 458 , 460 in hydraulic device 400 .
  • Thick arrows symbolize the flow direction of the heat transfer fluid.
  • A symbolizes the flow of the heat transfer fluid from the second energy source 210 when it supplies the heat pump 200 .
  • B symbolizes the flow of the heat transfer fluid from the first energy source 110 when it supplies the heat pump 200, optionally mixed with the heat transfer fluid from the second energy source 210.
  • C symbolizes the flow of the heat transfer fluid when heat transfer fluid from the second energy source 210 supplies the first energy source 110 with heat in a regeneration process.
  • the primary pump of the heat pump 200 is switched on.
  • the heat pump 200 and its primary pump (not shown) are controlled by a heat pump controller (not shown).
  • Heat transfer fluid flows from heat pump 200 via line 204 to connection 205 of interface 420 into line section 409, via branch 414 and line section 408 with straight-through valve 474 via branch 411 into line section 406 and connection 203 at interface 420 in the line 202 back to the primary side of the heat pump 200.
  • the corresponding volume flow in the flow line to the heat pump 200 is detected by the volume flow sensor 480 in the hydraulic device 400 and sent to the control and/or regulation unit 300 ( figure 1 ) transmitted.
  • the energy source management starts.
  • the energy fence, the second energy source 210 is used as the primary source up to a set limit value of, for example, ⁇ 7° C. of the flow temperature of the energy fence.
  • the hydraulics integrated in the hydraulic device 400 are switched accordingly.
  • the two-way valve (2-way valve) 474 is closed, the three-way switching valve 470 is opened towards the heat pump 200 and the control valve 472 (three-way mixing valve) is fully opened for flow from the pipe section 403 to the three-way switching valve 470 and to the heat exchanger 150 of the first energy source 110 blocked.
  • Heat transfer fluid flows from heat exchanger 250 of second energy source 210 via line 252 to interface 440 and from there via line section 403 to three-way mixing valve 472, further via line section 405 to three-way switching valve 470 and from there via line section 406 to interface 420.
  • the heat transfer fluid flows via connection 203 via line 203 to heat pump 200 with the primary pump (not shown) and from there back via line 204 and connection 205 into line section 409, at branch 412 into line section 404 and at the interface 440 in the line 254 back to the heat exchanger 250 of the second energy source 210.
  • the first energy source 110 for example a latent heat store, in particular an ice store, is used as the primary source.
  • the hydraulics integrated in the hydraulic device 400 are switched accordingly.
  • the two-way valve (2-way valve) 474 is closed, the three-way switching valve 470 is open in the direction of the heat pump 200 and the three-way mixing valve 472 is open for a flow from the line section 401 to the three-way switching valve 470 and to the heat exchanger 250 of the second energy source 210 blocked.
  • the heat transfer fluid flows from heat exchanger 150 of first energy source 110 via line 162 to interface 430 and from there via line section 401 to three-way mixing valve 472, further via line section 405 to three-way switching valve 470 and from there via line section 406 to interface 420
  • the heat transfer fluid flows via connection 203 via line 203 to heat pump 200 with the primary pump (not shown) and from there back via line 204 and connection 205 into line section 409, at branch 412 into line section 402 and at the Interface 430 in the line 164 back to the heat exchanger 150 of the first energy source 110.
  • both energy sources 110, 210 are used proportionately.
  • the actual temperatures are used to determine how the three-way control valve 472 opens or closes. This proportional opening or closing of the control valve 472 determines the proportion of the energy source 110, 210 used in each case.
  • the straight-way valve 474 is closed.
  • the three-way switching valve 470 is closed in the direction of the heat pump 200 and opened in the direction of the pump 490 .
  • the control valve 472 (three-way mixing valve) for flow from line section 403 to line section 405 is opened.
  • Heat transfer fluid flows from heat exchanger 250 of second energy source 210 via line 252 to interface 440 and via line sections 403 and 405 via three-way switching valve 470 into line section 407 and to pump 490 and from there into line section 401 and heat exchanger 150.
  • the pump 490 can be omitted.
  • a suitably located pump may be provided to assist the primary pump of heat pump 200 .
  • figure 4 shows a section through a latent heat storage device, which can serve as a first energy source 110 in one exemplary embodiment.
  • the latent heat storage device has a housing 112 which is filled with a storage medium, for example water.
  • a heat exchanger 150 is arranged in the storage medium.
  • the housing 112 of the latent heat storage device is designed to be maintenance-free and is preferably made of plastic. Since no temperature sensors have to be installed in the housing 112 and no separate regeneration heat exchanger has to be provided either, the latent heat accumulator first energy source 110 can be manufactured with the heat exchanger 150 installed in the housing 112 and transported to its place of use. Complex assembly of the heat exchanger on site is not necessary.
  • the latent heat storage device is preferably provided as an energy source 110 for supplying a single or two-family house.
  • Two connections 156, 158 are arranged as vertical headers on an outer edge of the heat exchanger 150. Loops of the heat exchanger tube 152 extend from these, the heat exchanger 150 being constructed in layers and a section of the heat exchanger tube 152 being arranged in each layer. In terms of the external dimensions, the heat exchanger 150 forms, for example, a cylinder in which the layers follow one another in the direction of the cylinder axis.
  • the heat exchanger tube 152 in the heat exchanger 150 is arranged such that the storage medium 114 can solidify around the heat exchanger 150 in a first direction and the solidified storage medium 114 can liquefy in the opposite direction. It is advantageous if the winding of the heat exchanger tube 152 is wound more tightly in the center of each layer of the heat exchanger 150 than on the outside at the edge of the layer. This makes it possible to specify the direction in which the ice solidifies or the ice thaws.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem (100) zur Bereitstellung von Kühlleistung und/oder Heizleistung, umfassend eine erste Energiequelle (110) mit einem Wärmetauscher (150), eine zweite Energiequelle (210) mit einem Wärmetauscher (250), eine Wärmepumpe (200), die mit der ersten und/oder zweiten Energiequelle (110, 210) koppelbar ist, eine Hydraulikeinrichtung (400), die Fluid-Schnittstellen (420, 430, 440 ) für die Wärmepumpe (200) und die beiden Wärmetauscher (150, 250) aufweist, eine Steuer- und/oder Regelungseinheit (300), die mit der Hydraulikeinrichtung (400) zur Einstellung von Betriebszuständen der Hydraulikeinrichtung (400) mittels eines Dreiwege-Umschaltventils (470), eines Regelventils (472) und eines Durchgangsventils (474) verbunden ist. Die Hydraulikeinrichtung (400) koppelt abhängig von Betriebsparametern zumindest der Wärmepumpe (200) in einem ersten Betriebszustand die Wärmepumpe (200) selektiv mit dem ersten Wärmetauscher (150), in einem zweiten Betriebszustand die Wärmepumpe (200) selektiv mit dem zweiten Wärmetauscher (250) und in einem dritten Betriebszustand die Wärmepumpe (200) mit beiden Wärmetauschern (150, 250).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem mit einer Hydraulikeinrichtung zur Bereitstellung von Kühlleistung und/oder Heizleistung, eine Hydraulikeinrichtung für ein Energieversorgungssystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Energieversorgungssystems.
    • Stand der Technik
  • Eisspeicher zum Speichern latenter Wärme zum Heizen und Kühlen von Gebäuden sind bekannt. So offenbart die EP 2686633 A1 ein Latentwärmespeichersystem mit einem Eisspeicher, der einen zentralen Entzugswärmetauscher aufweist und der von einem Regenerationswärmetauscher umgeben ist. Die Wärmetauscher sind dabei mit dem Speichermedium, üblicherweise Wasser, in Kontakt. Der Entzugswärmetauscher ist mit einer Wärmepumpe verbunden, während der Regenerationswärmetauscher mit einer Wärmequelle verbunden ist. Der Eisspeicher liefert in der kalten Jahreszeit über den Entzugswärmetauscher niederkalorige Wärme an die Wärmepumpe, bis das Wasser im Eisspeicher erstarrt und der Latentwärmespeicher thermisch entladen ist. Die Geschwindigkeit des Entladens kann über den Regenerationswärmetauscher beeinflusst werden. In der warmen Jahreszeit wird ferner Umgebungswärme über den Regenerationswärmetauscher in den Eisspeicher eingespeist, um das erstarrte Speichermedium aufzutauen und so dem Speichermedium Energie zuzuführen. Regenerationswärmetauscher und Entzugswärmetauscher sind hydraulisch getrennt, um ein kontrolliertes und gerichtetes Erstarren des Wassers im Eisspeicher zu ermöglichen.
  • Das Auftauen erfolgt ebenso kontrolliert und in Gegenrichtung des Eisaufbaus von außen nach innen, wenn Wärme über den Regenerationswärmetauscher zugeführt wird.
  • Derartige Eisspeichersysteme eignen sich als Energiequellen, um den Heizbedarf und den Kühlbedarf von angeschlossenen Verbrauchern abzudecken.
  • Aus der US020180195778A1 ist ein Energieversorgungssystem zur Versorgung eines Hauses bekannt, bei dem eine Wärmepumpe über einen Systemcontroller wahlweise mit einem Erdwärmetauscher oder mit einem Umgebungsluft-Wärmetauscher verbunden werden kann. Der Systemcontroller steuert entweder die Wärmepumpe direkt oder greift in die Steuerung einer Wärmepumpensteuerung ein. Die Temperatur des jeweiligen Wärmeträgermediums wird mittels Temperatursensoren an den jeweiligen Wärmetauschern erfasst. Der Systemcontroller steuert eine Anzahl von Ventilen an, um abhängig von an den Wärmetauschern erfassten Temperaturen den Wärmeträgerfluss zwischen der Wärmepumpe und den Wärmetauschern zu steuern. Dabei kann selektiv einer der Wärmetauscher ausgewählt und mit der Wärmepumpe verbunden werden oder die Wärmepumpe wird mit einer Serienschaltung der Wärmetauscher verbunden.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein preiswertes Energieversorgungssystem zu schaffen, insbesondere zur Versorgung eines Wohnhauses.
  • Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung einer günstigen Hydraulikeinrichtung für ein solches Energieversorgungssystem.
  • Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung eines Verfahrens zum Betreiben eines solchen Energieversorgungssystems.
  • Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
  • Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und durch Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
  • Es wird ein Energieversorgungssystem zur Bereitstellung von Kühlleistung und/oder Heizleistung vorgeschlagen, umfassend (i) eine erste Energiequelle mit einem ersten Wärmetauscher, (ii) wenigstens eine zweite Energiequelle mit einem zweiten Wärmetauscher, (iii) eine Wärmepumpe, deren Primärseite mit der ersten und/oder zweiten Energiequelle koppelbar ist, (iv) eine Hydraulikeinrichtung, die eine Fluid-Schnittstelle für die Wärmepumpe, eine Fluid-Schnittstelle für den ersten Wärmetauscher und eine Fluid-Schnittstelle für den zweiten Wärmetauscher aufweist, (v) eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung, die zumindest mit der Hydraulikeinrichtung zur Einstellung von Betriebszuständen der Hydraulikeinrichtung mittels eines Dreiwege-Umschaltventils, eines Regelventils und eines Durchgangsventils der Hydraulikeinrichtung verbunden ist. Die Hydraulikeinrichtung ist dazu ausgebildet, abhängig von Betriebsparametern zumindest der Wärmepumpe in einem ersten Betriebszustand die Wärmepumpe selektiv mit dem ersten Wärmetauscher, in einem zweiten Betriebszustand die Wärmepumpe selektiv mit dem zweiten Wärmetauscher und in einem dritten Betriebszustand die Wärmepumpe sowohl mit dem ersten als auch dem zweiten Wärmetauscher zu koppeln.
  • Die Wärmepumpe wird von einer eigenen Wärmepumpensteuerung gesteuert. Die Hydraulikeinrichtung kann ihre Funktionen vollautomatisch anhand ihrer Temperatur- sowie Volumenstrom-Sensorik ausführen, die in der Hydraulikreinrichtung angeordnet ist. Ein Eingriff der Steuer- und/oder Regelungseinheit in eine Wärmepumpensteuerung ist dazu nicht notwendig. Vorteilhaft braucht die Wärmepumpensteuerung daher insbesondere nicht an die Hydraulikeinrichtung angepasst werden.
  • Die Temperatursensoren der Hydraulikeinrichtung erlauben eine Entscheidung, welche die günstigste Energiequelle in Form der Wärmetauscher für die Versorgung der Wärmepumpe ist, bzw. ob ein Mischbetrieb günstiger ist, um die Wärmepumpe mit Wärmeträgerfluid beider Wärmetauscher zu versorgen.
  • Das Regelventil erlaubt den Mischbetrieb, der Wärmeträgerfluid der Wärmetauscher der ersten und der wenigstens zweiten Energiequellen zusammenführt oder alternativ die Zufuhr von Wärmeträgerfluid von dem Wärmetauscher einer der verschiedenen Energiequellen. Im Mischbetrieb werden die Wärmeträgerfluide der verschiedenen Wärmetauscher gemischt, wobei der jeweilige Anteil des Wärmeträgerfluids in der Mischung der Wärmeträgerfluide über das Regelventil eingestellt wird.
  • Wird eine Heizanforderung oder eine Kühlanforderung der Wärmepumpe durch ein Signal eines der Wärmepumpe zugeordneten Volumenstromsensors der Hydraulikeinrichtung erkannt, wählt die Hydraulikeinrichtung die günstigste Energiequelle aus oder ein schaltet die Energiequellen für einen Mischbetrieb zusammen, wobei das Regelventil dazu dient, den Beitrag der jeweiligen Energiequelle einzustellen. Die thermisch günstiger nutzbare primäre Energiequelle kann anhand der Messergebnisse der Temperatur-Sensorik in der Hydraulikeinrichtung ausgewählt werden. Ist beispielsweise die Temperatur des Wärmeträgerfluids der Energiequelle, welche die Wärmepumpe versorgt, zu hoch, um von der Wärmepumpe verarbeitet zu werden, ist im Mischbetrieb eine Beimischung des kühleren Wärmeträgerfluids der anderen Energiequelle günstig.
  • Vorteilhaft ist die Wärmepumpe als Sole/Wasser-Wärmepumpe vorgesehen. Dies ist besonders günstig an Standorten, wo keine Erdsonden zulässig sind. Im Vergleich zu Luft-Wärmepumpen sind Sole/Wasser-Wärmepumpen im Betrieb besonders geräuscharm. Die erste Energiequelle kann vorteilhaft ein Latentwärmespeicher sein, insbesondere ein Eis-Energiespeicher. Optional kann auch ein Gasbrennwertgerät als erste Energiequelle zum Einsatz kommen. Optional können auch mehrere zusammenwirkende Latentwärmespeicher als erste Energiequelle vorgesehen sein. So ist eine Nenn-Wärmeleistung der Wärmepumpe von beispielsweise 10 kW ausreichend zum Heizen und Kühlen beispielsweise eines Einfamilienhauses. Bei Bedarf können auch Wärmepumpen mit höherer Nenn-Wärmeleistung eingesetzt werden, etwa wenn zwei oder mehr Eis-Energiespeicher zusammengeschaltet werden.
  • Die zweite Energiequelle mit dem zweiten Wärmetauscher nimmt vorzugsweise Wärme aus der Umgebung, etwa Umgebungsluft, auf. Der zweite Wärmetauscher kann ein Solar-Luft-Kollektor sein, der beispielsweise auf einem Dach angeordnet sein kann und dessen Wärmetauscherrohre von Umgebungsluft umspült sind, und/oder ein so genannter Energiezaun, der auf dem Erdboden angeordnet ist oder teilweise in den Erdboden hineinreicht. Die Wärmetauscherrohre des Energiezauns bzw. des Solar-Luft-Kollektors werden von einem Wärmeträgerfluid durchströmt, das die Umgebungswärme der Umgebung um den Energiezaun bzw. um den Kollektor aufnimmt. Reicht der Energiezaun in den Erdboden hinein, kann Wärme aus der Umgebungsluft und aus dem Erdreich aufgenommen werden oder, je nach aktuellem Temperaturgefälle, von den Wärmetauscherrohren abgegeben werden.
  • Je nach Gegebenheiten kann auch zusätzlich oder alternativ Abwärme aus Abluftanlagen und dergleichen als zweite Energiequelle genutzt werden.
  • Die Hydraulikeinrichtung verbindet die Primärseite der Wärmepumpe, den ersten Wärmetauscher der ersten Energiequelle und den zweiten Wärmetauscher der wenigstens zweiten Energiequelle. Günstigerweise kann die Hydraulikeinrichtung ein Hydraulikmodul sein, das alle notwendigen Komponenten aufweist. Eine Verbindung der Hydraulikeinrichtung mit den Energiequellen, der Wärmepumpe und der Steuer- und Regelungseinheit kann dann direkt vor Ort erfolgen.
  • An den Fluid-Schnittstellen sind jeweils ein Vorlauf von und ein Rücklauf zu der jeweiligen Komponente Wärmepumpe, erster Wärmetauscher, zweiter Wärmetauscher angeschlossen. Seitens der Hydraulikeinrichtung können dazu entsprechende Rohr-Anschlüsse mit Kugelhähnen, Absperrventilen und dergleichen vorgesehen sein.
  • Sofern der Begriff erster Wärmetauscher bzw. zweiter Wärmetauscher in Einzahl verwendet ist, schließt dies nicht aus, dass mehrere erste bzw. zweite Wärmetauscher jeweils zusammengefasst sind. Ebenso kann der Begriff Wärmepumpe auch mehr als eine Wärmepumpe umfassen.
  • Die Wärmepumpe bedient sich entweder bei der zweiten Energiequelle oder der ersten Energiequelle als Wärmequelle. Ebenso ist ein Mischbetrieb der beiden Energiequellen möglich. Die jeweils thermisch günstiger zu nutzende primäre Energiequelle kann anhand der Messergebnisse der Temperatur-Sensorik ausgewählt werden.
  • Vorteilhaft kann insbesondere ein Eingriff der Steuer- und/oder Regelungseinheit in die vorhandene Wärmepumpensteuerung unterbleiben.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energieversorgungssystems kann die Hydraulikeinrichtung in einem Leitungsabschnitt eine Pumpe aufweisen, welche zum Antreiben eines Fluidstroms in der Hydraulikeinrichtung und von und zu den Wärmetauschern vorgesehen ist, insbesondere wobei im Leitungsabschnitt ein der Pumpe zugeordneter Volumenstromsensor angeordnet sein kann. Die Pumpe kann zentral das Wärmeträgerfluid von den Wärmetauschern zur Wärmepumpe transportieren.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energieversorgungssystems kann in einem Leitungsabschnitt der Hydraulikeinrichtung zwischen den Fluid-Schnittstellen des ersten Wärmetauschers und des zweiten Wärmetauschers das Dreiwege-Umschaltventil angeordnet sein, von dem ein erster Leitungsabschnitt und ein zweiter Leitungsabschnitt abgehen. Optional kann das DreiwegeUmschaltventil günstigerweise eine Strömungsrichtung zumindest in dem ersten Wärmetauscher vorgeben. Durch das Umschaltventil ist es vorteilhaft möglich, dass der erste Wärmetauscher sowohl zum Entzug von Wärme aus der ersten Energiequelle als auch phasenweise zum Zuführen von Wärme in die erste Energiequelle dienen kann, insbesondere, wenn diese durch einen Latentwärmespeicher, insbesondere Eis-Energiespeicher, gebildet ist.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energieversorgungssystems können in der Hydraulikeinrichtung Leitungsabschnitte von den Fluid-Schnittstellen des ersten Wärmetauschers und des zweiten Wärmetauschers an dem Regelventil zusammengeführt sein. Das Regelventil kann fluidisch mit dem DreiwegeUmschaltventil verbunden sein. Durch das Regelventil, ein Dreiwege-Mischventil, kann abhängig vom Betriebszustand der Hydraulikeinrichtung der erste oder der zweite oder können beide Wärmetauscher mit der Wärmepumpe verbindbar sein. Auf diese Weise kann ein Mischbetrieb oder ein selektiver Betrieb mit einzelnen Wärmetauschern eingestellt werden.
  • Der Grad der Mischung der Wärmeträgerfluide beider Wärmetauscher kann über das Regelventil eingestellt werden. Optional kann sich die Wärmezufuhr günstigerweise über das einzelne oder gemischte Wärmeträgerfluid nach der Temperatur des Wärmeträgerfluids des jeweiligen Wärmetauschers und dem Wärmebedarf der Wärmepumpe richten.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energieversorgungssystems kann die Hydraulikeinrichtung in einem Leitungsabschnitt einen der Wärmepumpe zugeordneten ersten Volumenstromsensor aufweisen. Zeigt der Volumenstromsensor einen Durchfluss von Wärmeträgerfluid an, erlaubt dies eine Erkennung einer Wärmeentzugsanforderung der Wärmepumpe. Optional kann der Leitungsabschnitt in der Hydraulikeinrichtung günstigerweise in einem Leitungsabschnitt angeordnet sein, der dem Vorlauf der Wärmepumpe zugeordnet ist. Günstigerweise kann die Wärmepumpe primärseitig ein eigenes internes Fördermittel, insbesondere eine Primärpumpe, zum Umwälzen der Sole aufweisen. Die Primärpumpe kann bei entsprechender Auslegung zum Umwälzen des Wärmeträgerfluids der Wärmetauscher der Energiequellen in der Hydraulikeinrichtung genutzt werden.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energieversorgungssystems kann die Hydraulikeinrichtung Temperatursensoren aufweisen, die eine Temperatur eines Volumenstroms zu der Wärmepumpe und eines Volumenstroms von der Wärmepumpe kommend erfassen können. Die Temperatursensoren erlauben eine Entscheidung, welche die günstigste Energiequelle in Form der Wärmetauscher für die Versorgung der Wärmepumpe ist, bzw. ob ein Mischbetrieb günstiger ist, um die Wärmepumpe mit Wärmeträgerfluid beider Wärmetauscher zu versorgen. Darüber hinaus hat die zentrale Anordnung der Temperatursensoren in der Hydraulikeinrichtung den Vorteil, dass keine Temperatursensorik im Latentwärmespeicher und/oder im zweiten Wärmetauscher vorgesehen sein muss. Es werden Leitungen eingespart, und die Zugänglichkeit der Temperatursensoren in der zentralen Hydraulikeinrichtung ist gegeben. Dadurch kann beispielsweise die erste Energiequelle einfacher konstruiert werden, wenn diese als Latentwärmespeicher ausgebildet ist.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energieversorgungssystems kann in der Hydraulikeinrichtung ein Durchgangsventil zwischen Anschlüssen der Fluid-Schnittstelle für eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung der Wärmepumpe angeordnet sein. Das Durchgangsventil erlaubt verschiedene Fluidströmungswege in der Hydraulikeinrichtung für das der Wärmepumpe zuzuführende Wärmeträgerfluid. Ist das Durchgangsventil geschlossen, kann die erste Energiequelle als alleinige Energiequelle die Wärmepumpe über den ersten Wärmetauscher versorgen.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energieversorgungssystems kann die erste Energiequelle als Latentwärmespeicher, insbesondere Eis-Energiespeicher, ausgebildet sein, Der Latentwärmespeicher kann ein Gehäuse aufweisen, das wartungszugangsfrei ausgebildet ist. Optional kann das Gehäuse günstigerweise aus Kunststoff gebildet sein. Dies erlaubt eine kostengünstige Fertigung.
  • Das Gehäuse des Latentwärmespeichers ist üblicherweise aus Beton gebildet und wird am Einsatzort in einer Baugrube hergestellt. Nach Montage der Wärmetauscher im Gehäuse wird die Baugrube mit Erde gefüllt. Zur Montage der Wärmetauscher ist im Gehäuse eine Öffnung vorgesehen, durch die ein Monteur in das Gehäuse einsteigen kann. Ebenso kann über die Öffnung im Reparaturfall ein Monteur in das Gehäuse einsteigen. Die Fertigung des Eisspeichers ist entsprechend aufwändig und teuer.
  • Durch ein Gehäuse aus Kunststoff muss der Latentwärmespeicher nicht vor Ort gebaut werden, sondern kann fertig konfektioniert an den Einsatzort transportiert werden. Aufwändige Montagezugänge können eingespart werden. Im Reparaturfall kann der Latentwärmespeicher einfach ausgetauscht werden.
  • Das Speichermedium des Latentwärmespeichers ist beispielsweise Wasser, das Wärmeträgerfluid in den Wärmetauschern beispielsweise ein Glykol-Wassergemisch, Sole oder dergleichen. Vorteilhaft können beide Wärmetauscher von demselben Wärmeträgerfluid durchströmt sein. Sind unterschiedliche Medien in den Kreisläufen der Energiequellen, insbesondere der Wärmetauscher der Energiequellen, vorgesehen, kann an geeigneter Stelle ein Wärmetauscher vorgesehen sein, der gegebenenfalls die Medien trennt.
  • Dadurch, dass ein separater Regenerationswärmetauscher im Latentwärmespeicher entfallen kann, wenn die Regeneration über den ersten Wärmetauscher der ersten Energiequelle erfolgt, ist eine erhebliche Materialeinsparung möglich. Ebenso wird der Montageaufwand verringert. Darüber hinaus entfallen mögliche Fehlerquellen im Gehäuse, da ein separater Regenerationswärmetauscher nicht notwendig ist. Beispielsweise kann der Wärmetauscher lagenweise aufgebaut sein, wobei jede Lage beispielsweise eine flache spiralförmige Wicklung des Wärmetauscherrohrs aufweist. Dieses kann geeignete Abstände in der jeweiligen Lage aufweisen, so dass ein kontrolliertes gerichtetes Erstarren des Speichermediums von innen nach außen erfolgen kann. Um das Wärmeträgerfluid auf die einzelnen Lagen zu verteilen, kann dieses über ein Sammelrohr zugeführt und über ein weiteres Sammelrohr abgeführt werden, wobei für jede Lage ein entsprechender Abzweig für das Wärmetauscherrohr vorgesehen ist.
  • Darüber hinaus weist der erste Wärmetauscher in Summe eine erhebliche Länge an Wärmetauscherrohr auf, verglichen mit einem üblichen Regenerationswärmetauscher, so dass eine große Fläche zum Wärmeeintrag in das Speichermedium des Latentwärmespeicher zur Verfügung steht.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energieversorgungssystems kann die erste Energiequelle als Brennwertgerät, insbesondere Gas-Brennwertgerät, ausgebildet sein.
  • Im Gegensatz zum Latentwärmespeicher sind keine Baumaßnahmen wie Erdaushub und dergleichen notwendig. Daher kann auf relativ einfache Weise eine Nachrüstung oder Aufwertung einer thermischen Energieversorgung in einem Wohnhaus erfolgen. Bei einem Brennwertgerät wird der Energieinhalt, d.h, der Brennwert, des eingesetzten Brennstoffes nahezu vollständig genutzt. Mit Brennwertgeräten wird zusätzlich zur bei der Verbrennung des Brennstoffes erzeugten Wärme auch die Wärme im Abgas genutzt, indem dieses weitgehend abgekühlt wird. Hierdurch kann auch die latente Wärme der Kondensationswärme von im Rauchgas enthaltenen Wasserdampf zur Wärmebereitstellung genutzt werden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass als erste Energiequelle sowohl ein Latentwärmespeicher als auch ein Brennwertgerät vorhanden sind oder nur eines von beiden vorhanden ist und als erste Energiequelle dient.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energieversorgungssystems kann die zweite Energiequelle als Energiezaun ausgebildet sein, welcher aus der Umgebung Energie aufnimmt. Dies kann Umgebungsluft sein und/oder Erdreich, wenn der Energiezaun zumindest teilweise in das Erdreich hineinreicht.
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Hydraulikeinrichtung für ein Energieversorgungssystem vorgeschlagen, umfassend eine Fluid-Schnittstelle für eine Wärmepumpe, eine Fluid-Schnittstelle für einen ersten Wärmetauscher einer ersten Energiequelle und eine Fluid-Schnittstelle für einen zweiten Wärmetauscher einer wenigstens zweiten Energiequelle, weiter umfassend Leitungsabschnitte, welche die Schnittstelle der Wärmepumpe mit den Schnittstellen der Wärmetauscher fluidisch verbinden.
  • Die Hydraulikeinrichtung dient vorteilhaft der Standardisierung der Hydraulik von Wärmepumpensystemen. Dazu kombiniert es alle wichtigen Hauptkomponenten, die zum Betrieb eines derartigen Heiz- bzw. Kühlsystems notwendig sind und daher kann vorteilhaft ein kompaktes Hydraulikmodul bilden. Die Hydraulikeinrichtung ist mit einer übergeordneten Steuerungs- und/oder Regelungseinheit gekoppelt, welche durch aktives Energiequellenmanagement stets einen effizienten Betrieb des Energieversorgungssystems gewährleistet, wobei die Energiequellen über ihre Wärmetauscher für Wärmeentzug oder Wärmeeinspeisung dienen können.
  • Ebenso ermöglicht die Hydraulikeinrichtung die Regeneration des Entzugsmediums in einem Latentwärmespeicher, insbesondere Eis-Energiespeicher sowie die Einspeisung der Energie des zweiten Wärmetauschers in diesen, wenn die erste Energiequelle ein Latentwärmespeicher ist. Darüber hinaus steuert die Hydraulikeinrichtung den Kühlbetrieb. Dies geschieht ohne weitere Eingriffe. Die Hydraulikeinrichtung kann ihre Funktionen vollautomatisch anhand von Temperatur- sowie Volumenstrom-Sensorik ausführen.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung der Hydraulikeinrichtung können ein ansteuerbares Dreiwege-Umschaltventil, ein ansteuerbares Regelventil und ein ansteuerbares Durchgangsventil vorgesehen sein. Optional kann das Durchgangsventil günstigerweise zwischen Anschlüssen der Fluid-Schnittstelle für eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung der Wärmepumpe angeordnet sein. Ist das Durchgangsventil geschlossen, kann der erste Wärmetauscher als alleinige Energiequelle die Wärmepumpe versorgen.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung der Hydraulikeinrichtung kann in einem Leitungsabschnitt eine Pumpe angeordnet sein. Optional kann der Leitungsabschnitt günstigerweise das Umschaltventil und das Regelventil verbinden. Optional kann im Leitungsabschnitt ein der Pumpe zugeordneter Volumenstromsensor angeordnet sein. Dies erlaubt einen kompakten Aufbau und ermöglicht verschiedene Betriebszustände für die Wärmepumpe. Die Pumpe kann bei einer Regeneration eines Latentwärmetauschers als erster Energiequelle zentral das Wärmeträgerfluid in der Hydraulikeinrichtung und in angeschlossenen Energiequellen bewegen.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung der Hydraulikeinrichtung kann das Umschaltventil in einem Leitungsabschnitt zwischen den Fluid-Schnittstellen des ersten Wärmetauschers und des zweiten Wärmetauschers angeordnet sein, von dem ein erster Leitungsabschnitt und ein zweiter Leitungsabschnitt abgehen. Vorteilhaft kann im ersten abgehenden Leitungsabschnitt ein Volumenstromsensor angeordnet sein, der einen Entzugsbedarf der Wärmepumpe anzeigt. Vorteilhaft kann im zweiten abgehenden Leitungsabschnitt die Pumpe angeordnet sein.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung der Hydraulikeinrichtung können die Leitungsabschnitte von den Fluid-Schnittstellen des ersten Wärmetauschers und des zweiten Wärmetauschers an dem Regelventil zusammengeführt sein, das fluidisch mit dem Dreiwege-Umschaltventil verbunden ist. Das Regelventil erlaubt einen Mischbetrieb, der Wärmeträgerfluid von beiden Wärmetauschern zusammenführt oder alternativ die Zufuhr von Wärmeträgerfluid von dem einen oder anderen Wärmetauscher.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung der Hydraulikeinrichtung kann ein Leitungsabschnitt einen ersten Volumenstromsensor aufweisen, der zum Erfassen eines Volumenstroms zu der Fluid-Schnittstelle der Wärmepumpe vorgesehen ist. Eine Entzugsanforderung von Wärme kann hierdurch erkannt werden. In der Wärmepumpe ist primärseitig ein Fördermittel vorhanden, welche bei Bedarf das Wärmeträgerfluid vom Vorlauf zum Rücklauf fördert.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung der Hydraulikeinrichtung können Temperatursensoren vorgesehen sein, die eine Temperatur eines Volumenstroms zu der Fluid-Schnittstelle und eines Volumenstroms von der Fluid-Schnittstelle der Wärmepumpe kommend erfassen. Dies verbessert die Steuerung der Wärmepumpe und den Betrieb des Energieversorgungssystems.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung der Hydraulikeinrichtung können in Leitungsabschnitten an den Fluid-Schnittstellen der Wärmetauscher in der Hydraulikeinrichtung Temperatursensoren angeordnet sein. Eine dezentrale Temperatursensorik im Latentwärmespeicher und/oder im zweiten Wärmetauscher ist nicht notwendig, was einen vereinfachten Installationsaufwand und Kosteneinsparungen erlaubt. Leitungen zwischen der Steuer- und/oder Regelungseinheit und der ersten und/oder zweiten Energiequelle für Temperatursensoren können entfallen. Die aktuelle Temperatur der Energiequellen kann in der Hydraulikeinrichtung über die Temperatur ihrer durch die Wärmetauscher fließenden Wärmeträgerfluide erfasst werden.
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Energieversorgungssystems vorgeschlagen, bei dem eine erste Energiequelle mit einem ersten Wärmetauscher, einer zweiten Energiequelle mit einem zweiten Wärmetauscher und eine Wärmepumpe über eine Hydraulikeinrichtung zusammenwirken, die Fluid-Schnittstellen für die Wärmepumpe, den ersten Wärmetauscher und den zweiten Wärmetauscher aufweist, sowie eine Steuer-und/oder Regelungseinheit, die Betriebszustände der Hydraulikeinrichtung mittels eines Dreiwege-Umschaltventils, eines Regelventils und eines Durchgangsventils einstellt, wobei abhängig von Betriebsparametern zumindest der Wärmepumpe die Hydraulikeinrichtung in einem ersten Betriebszustand die Wärmepumpe selektiv mit der ersten Energiequelle verbindet. In einem zweiten Betriebszustand wird die Wärmepumpe selektiv mit der zweiten Energiequelle verbunden.
  • In einem dritten Betriebszustand, einem Mischzustand, wird die Wärmepumpe sowohl mit der ersten als auch der zweiten Energiequelle verbunden. Dabei kann die Menge der Beimischung des Wärmeträgerfluids des einen oder anderen Wärmetauschers der Energiequellen eingestellt werden.
  • Sofern ein Durchfluss über den Volumenstromsensor der Vorlaufleitung der Wärmepumpe festgestellt wird, wird ein Spannungswert an die Regel- und/oder Steuerungseinheit, beispielsweise einen Universalregler darin, übermittelt. Sobald dieser Spannungswert erfasst wird, liegt eine Entzugsanforderung der Wärmepumpe vor, beispielsweise Wärme zuzuführen.
  • Die Wärmepumpe bedient sich entweder bei der ersten Energiequelle oder bei der zweiten Energiequelle als Wärmequelle. Ebenso ist ein Mischbetrieb der beiden Energiequellen möglich. Die thermisch günstiger nutzbare primäre Energiequelle kann anhand der Messergebnisse der Temperatur-Sensorik ausgewählt werden.
  • Sofern über den Volumenstromsensor der Vorlaufleitung der Wärmepumpe ein Durchfluss festgestellt wird, wird ein Spannungswert an die Steuer- und/oder Regelungseinheit übermittelt. Sobald dieser Spannungswert erfasst wird, liegt eine Entzugsanforderung der Wärmepumpe vor. Es wird anhand der Ist-Temperaturwerte der ersten Energiequelle und der zweiten Energiequelle über das Wärmeträgerfluid des jeweiligen Wärmetauschers in der Hydraulikeinheit ermittelt, inwiefern das Regelventil öffnet bzw. schließt und somit die jeweilige Entzugsquelle erste oder zweite Energiequelle freigibt.
  • Das Energiequellen-Management in der Steuer- und/oder Regelungseinheit startet.
  • Sollte der Ist-Temperaturwert des Wärmeträgerfluids des zweiten Wärmetauschers einen vorbestimmten minimalen Grenzwert erreichen oder unterschreiten, wird die erste Energiequelle, beispielsweise ein Latentwärmespeicher, insbesondere Eis-Energiespeicher, als Primärquelle verwendet. Ein günstiger Grenzwert ist beispielsweise -7°C. Die Auswahl der ersten Energiequelle als Primärquelle hat zur Folge, dass das Durchgangsventil geschlossen, das Dreiwege-Umschaltventil in Richtung Wärmepumpe geöffnet und das Regelventil vollständig geschlossen ist, so dass Wärmeträgerfluid vom ersten Wärmetauscher der ersten Energiequelle zur Wärmepumpe gelangen kann.
  • Bis zu dem eingestellten Grenzwert von beispielsweise -7 °C der Vorlauftemperatur der zweiten Energiequelle, beispielsweise eines Energiezauns, wird die zweite Energiequelle als Primärquelle verwendet. Die in der Hydraulikeinheit integrierte Hydraulik wird entsprechend geschaltet. Das Durchgangsventil ist geschlossen, das Dreiwege-Umschaltventil in Richtung Wärmepumpe geöffnet und das Dreiwege-Mischventil vollständig geöffnet.
  • In dem Betriebszustand des Mischbetriebs wird anhand der Ist-Temperaturwerte des Wärmeträgerfluids des ersten Wärmetauschers der ersten Energiequelle, beispielsweise des Latentwärmespeichers, insbesondere Eis-Energiespeichers, und der zweiten Energiequelle ermittelt, inwiefern das Regelventil öffnet bzw. schließt. Eine solche Situation kann beispielsweise auftreten, wenn die Temperatur des Wärmeträgerfluids der Energiequelle, welche die Wärmepumpe versorgt, zu hoch ist, um von der Wärmepumpe verarbeitet zu werden. Dann ist eine Beimischung des kühleren Wärmeträgerfluids der anderen Energiequelle günstig.
  • Diese anteilige Öffnung bzw. Schließung des Regelventils hat zur Folge, dass je nach Ausmaß die erste Energiequelle, oder die zweite Energiequelle vermehrt bzw. vermindert als Energiequelle genutzt wird. Das Regelventil ist dementsprechend je nach Grad der Beimischung geöffnet bzw. geschlossen. Je niedriger die Temperaturwerte der Vorlaufleitung sind, desto mehr wird der zweite Wärmetauscher der zweiten Energiequelle bis zum oben genannten Grenzwert als Energiequelle hinzugeführt.
  • Dementsprechend gilt in diesem Betriebszustand die zweite Energiequelle als Primärquelle der Wärmepumpe. In Anbetracht der Maßgabe, dass bei Nutzung eines Latentwärmespeichers, insbesondere Eis-Energiespeichers, als erster Energiequelle, ab einem ersten Zeitpunkt, in Mitteleuropa beispielsweise ab März, auf die im Sommer zu erbringende Kühlleistung des Latentwärmespeichers vorbereitet werden muss, gilt der Latentwärmespeicher, insbesondere Eis-Energiespeicher, ab diesem ersten Zeitpunkt als vorrangige Energiequelle.
  • Das Speichermedium des Latentwärmespeichers kann dann innerhalb relativ kurzer Zeit gezielt erstarren, womit der Latentwärmespeicher thermisch entladen ist.
  • Sofern eine Kühlanforderung der Wärmepumpe erfasst wird, wird zunächst die zweite Energiequelle bevorzugt. Sollte anhand der gemessenen Ist-Temperaturwerte allerdings kein Kühlbetrieb über den zweiten Wärmetauscher der zweiten Energiequelle realisierbar sein, da die Ist-Temperaturwerte für einen Kühlbetrieb zu hoch sind, fungiert die erste Energiequelle, beispielweise ein Latentwärmespeicher, insbesondere Eis-Energiespeicher, als Energiequelle. In der Sommerzeit kann die zweite Energiequelle, beispielsweise ein vom Wärmeträgerfluid durchströmter Dachabsorber oder ein Energiezaun, vornehmlich in den frühen Morgenstunden oder nachts als Energiequelle für den Kühlbetrieb genutzt werden.
  • Wird ein Latentwärmespeicher als erste Energiequelle eingesetzt, kann die Freigabe der Regeneration des Latentwärmespeichers, insbesondere Eis-Energiespeichers, durch die Steuer- und/oder Regelungseinheit vor diesem ersten Zeitpunkt erfolgen, sofern ein vorgegebener Ist-Temperaturwert des Wärmeträgerfluids des ersten Wärmetauschers unterschritten wird. Ein günstiger minimaler Soll-Temperaturwert für den Ist-Temperaturwert liegt beispielsweise bei 0°C. Dieser Wert wird anhand einer wenigen Minuten dauernden Sequenz einer Pumpe, die als Primärquellenpumpe dient, mittels der in der Hydraulikeinrichtung integrierten Temperatur-Sensorik ermittelt. Das daraus resultierende Messergebnis der Ist-Temperatur des Wärmeträgermediums des ersten Wärmetauschers wird innerhalb der Steuerungs- und/oder Regelungseinheit, beispielsweise eines Universalreglers, gespeichert.
  • Sobald dieses Messergebnis den zuvor erwähnten Soll-Temperaturwert von 0° C unterschreitet, kann die Regenerationsfunktion temperaturbedingt freigegeben werden. Allerdings kann es günstig sein, für die Regenerationsfunktion darüber hinaus eine datumsbedingte Freigabe vorzusehen. Diese datumsbedingte Freigabe kann bis einschließlich zu einem ersten Zeitpunkt erfolgen, ab dem das Speichermedium des Latentwärmespeichers auf eine im Sommer zu erbringende Kühlleistung vorbereitet wird. Ein günstiger erster Zeitpunkt in Mitteleuropa ist beispielsweise März.
  • So kann in der kalten Jahreszeit zuvor, der Heizperiode, welche für den Latentwärmespeicher die Entzugsperiode darstellt, bei der dieser überwiegend Wärme abgibt, durch zeitweise Zufuhr von Wärme ein Einfrieren des Speichermediums gesteuert und verzögert werden, um die im Speichermedium gespeicherte thermische Energie möglichst lange zu nutzen.
  • Sofern die Regeneration aufgrund zu geringer Vorlauftemperaturen des Energiezauns oder anderer Einflüsse nicht sinnvoll ist, wird die Regeneration nicht gestartet. Dazu kann im Vorfeld eine Abfrage zwischen den Ist-Temperaturen von erster Energiequelle und zweiter Energiequelle stattfinden.
  • Falls eine Heiz- oder Kühlanforderung der Wärmepumpe während der Regeneration des Eisspeichers besteht, wird die Regeneration für die Dauer der Anforderung unterbrochen. Hierbei wird ein entsprechender Volumenstrom in der Vorlaufleitung zur Wärmepumpe (Heiz- oder Kühlanforderung der Wärmepumpe) über einen Volumenstromsensor in der Hydraulikeinrichtung erfasst.
  • Ab dem genannten ersten Zeitpunkt ist es günstig, zunächst keine weitere Freigabe der Regenerationsfunktion zu gestatten, so dass das Speichermedium des Latentwärmespeichers, insbesondere Eis-Energiespeichers, auf die im Sommer zu erbringende Kühlleistung vorbereitet werden kann, indem ein gezieltes Erstarren des Speichermediums zugelassen wird. Der erste Zeitpunkt beendet praktisch die Entzugsperiode des Latentwärmespeichers.
  • Diese zeitliche Limitierung wird kann ab einem bestimmten zweiten Zeitpunkt aufgehoben werden, um das Speichermedium des Latentwärmespeichers, insbesondere Eis-Energiespeichers, auf die in der kalten Jahreszeit im Winter zu erbringende Heizleistung vorzubereiten.
  • Ein günstiger zweiter Zeitpunkt in Mitteleuropa ist beispielsweise September. Ab dem zweiten Zeitpunkt beginnt die Entzugsperiode für den Latentwärmespeicher.
  • Ab dem ersten Zeitpunkt kann eine grundlegende Regeneration des Speichermediums innerhalb des Latentwärmespeichers, insbesondere Eis-Energiespeichers, erfolgen, bei der Wärme des zweiten Wärmetauschers in den Latentwärmespeicher, insbesondere Eis-Energiespeicher, eingelagert wird, indem das spätestens am Ende der Entzugsperiode erstarrte Speichermedium aufgetaut und gegebenenfalls erwärmt wird.
  • Dieser grundlegende Regenerationsprozess ist dann möglich, wenn die Wärmepumpe den zweiter Wärmetauscher nicht als Primärquelle für einen Wärmebezug nutzt oder die Kühlfunktion der Wärmepumpe nicht aktiv ist.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können die Schritte bei Erkennen einer Anforderung von einem Heizbetrieb der Wärmepumpe erfolgen: Überprüfen der Ist-Temperaturen des Wärmeträgerfluids des ersten und des zweiten Wärmetauschers; Ermitteln eines Zustands eines Regelventils der Hydraulikeinrichtung, an dem die Wärmetauscher angekoppelt sind; und sofern eine vorgegebene Mindesttemperatur des Wärmeträgerfluids eines der Wärmetauscher der Energiequellen erreicht oder unterschritten wird, Einstellen des Regelventils so, dass die andere der Energiequellen zum Wärmeeintrag in die Wärmepumpe dient. Wenn das Wärmeträgerfluid keines der Wärmetauscher der Energiequellen seine vorgegebene Mindesttemperatur erreicht oder unterschreitet, Einstellen des Regelventils so, dass beide Energiequellen zum Wärmeeintrag in die Wärmepumpe dienen. Auf diese Weise kann automatisch die günstigste Energiequelle für die Wärmepumpe ausgewählt werden.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann die erste Energiequelle, wenn diese als Latentwärmespeicher, insbesondere Eis-Energiespeicher, als Energiequelle zum Wärmeeintrag in die Wärmepumpe bis zu einem ersten Zeitpunkt dienen, ab dem der Latentwärmespeicher für einen bestimmungsgemäß kommenden Kühlbetrieb der Wärmepumpe thermisch entladen wird. In Mitteleuropa kann dies ein Zeitpunkt im Frühjahr sein, beispielsweise März.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können weiter die Schritte bei Erkennen einer Anforderung von einem Kühlbetrieb der Wärmepumpe durchgeführt werden: Überprüfen der Ist-Temperaturen des Wärmeträgerfluids des ersten und des zweiten Wärmetauschers der Energiequellen; Ermitteln eines Zustands eines Regelventils der Hydraulikeinrichtung, an dem die Wärmetauscher angekoppelt sind. Sofern eine Temperatur des Wärmeträgerfluids eines der Wärmetauscher einer der Energiequellen zu hoch ist für einen Kühlbetrieb der Wärmepumpe, Einstellen des Regelventils so, dass die der Energiequelle als Energiequelle zum Wärmeeintrag in die Wärmepumpe dient. Auf diese Weise kann automatisch die günstigste Energiequelle für die Wärmepumpe ausgewählt werden.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann bei einem Latentwärmespeicher als erster Energiequelle eine Regeneration von Speichermedium im Latentwärmespeicher erfolgen, indem der erste Wärmetauscher Wärme in den Latentwärmespeicher zuführt. Vorteilhaft ist kein separater Regenerationswärmetauscher notwendig, was kostengünstig ist und die Konstruktion des Latentwärmespeichers vereinfacht.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann bei einem Latentwärmespeicher als erster Energiequelle eine Freigabe zur Regeneration von Speichermedium im Latentwärmespeicher abhängig von einer Temperatur im ersten Wärmetauscher erfolgen, die in der Hydraulikeinrichtung erfasst wird, und abhängig von einem zweiten Zeitpunkt erfolgen, bis zu dem der Latentwärmespeicher für einen bestimmungsgemäß kommenden Kühlbetrieb der Wärmepumpe thermisch entladen wird. Hiermit kann während der Entzugsperiode in der kalten Jahreszeit das Erstarren des Speichermediums zuverlässig zeitlich gesteuert werden.
    • Zeichnung
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
  • Es zeigen beispielhaft:
    • Figur 1
    in schematischer Darstellung ein Energieversorgungssystem nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
    Figur 2
    ein Hydraulikschema einer Hydraulikeinrichtung des Energieversorgungssystems nach Figur 1 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
    Figur 3
    das Hydraulikschema der Hydraulikeinrichtung aus Figur 2 im Detail;
    Figur 4
    einen Schnitt durch eine als Latentwärmespeicher ausgebildeten Energiequelle nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    Ausführungsformen der Erfindung
  • In den Figuren sind gleichartige oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
  • Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.
  • Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie "links", "rechts", "oben", "unten", "davor" "dahinter", "danach" und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.
  • Figur 1 illustriert in schematischer Weise ein Energieversorgungssystem 100 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Das Energieversorgungssystem 100 umfasst eine erste Energiequelle 110, die beispielsweise als Latentwärmespeicher ausgebildet ist. Der Latentwärmespeicher weist ein Gehäuse 112 auf, das zur Aufnahme eines Speichermediums 114 mit latenter Wärme vorgesehen ist. Das Speichermedium ist beispielsweise Wasser. Der Latentwärmespeicher dient als erste Energiequelle.
  • In dem Gehäuse 112 ist ein erster Wärmetauscher 150 im Speichermedium 114 angeordnet, der zum Austausch von Wärme mit dem Speichermedium 114 vorgesehen ist und der wenigstens ein Wärmetauscherrohr 152 aufweist, das von einem Wärmeträgerfluid durchströmbar ist.
  • Das Wärmeträgerfluid ist beispielsweise Sole oder ein Glykol-Wassergemisch oder dergleichen. Als erste Energiequelle 110 kann auch ein Brennwertgerät, insbesondere Gasbrennwertgerät, vorgesehen sein.
  • Das Energieversorgungssystem 100 umfasst weiterhin eine Wärmepumpe 200, die mit ihrer Primärseite fluidisch mit dem Wärmetauscher 150 der ersten Energiequelle 110 verbunden ist, sowie eine zweite Energiequelle 210 mit einem zweiten Wärmetauscher 250, beispielsweise einen Energiezaun. Ferner umfasst das Energieversorgungssystem 100 eine Hydraulikeinrichtung 400 sowie eine Steuer- und/oder Regelungseinheit 300, die mit der Hydraulikeinrichtung 400 verbunden ist.
  • Die Hydraulikeinrichtung 400 verbindet fluidisch den ersten Wärmetauscher 150 der ersten Energiequelle 110, den zweiten Wärmetauscher 250 der zweiten Energiequelle 210 und die Wärmepumpe 200. Die Wärmepumpe 200 ist über eine Fluid-Schnittstelle 420, der erste Wärmetauscher 150 der ersten Energiequelle 110 ist über eine Fluid-Schnittstelle 430, der zweite Wärmetauscher 250 der zweiten Energiequelle 210 über eine Fluid-Schnittstelle 440 an die Hydraulikeinrichtung 400 gekoppelt, wobei die Fluid-Schnittstellen 420, 430, 440 jeweils Anschlüsse für Vorlauf und Rücklauf der Komponenten 200, 150, 250 umfassen.
  • Die Wärmepumpe 200 versorgt einen Verbraucher 102, beispielsweise ein Einfamilienhaus mit Wärme oder bei Bedarf mit Kühlung. Hierzu ist beispielsweise ein Fördermittel 104 vorgesehen, das ein Wärmeträgerfluid von der Sekundärseite der Wärmepumpe 200 zum Verbraucher 102 fördert.
  • Figur 2 zeigt ein Hydraulikschema der Hydraulikeinrichtung 400 des Energieversorgungssystems nach Figur 1 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Figur 3 zeigt die Hydraulikeinrichtung 400 vergrößert im Detail. Die Steuer- und/oder Regelungseinheit 300 ist nicht dargestellt.
  • Die Hydraulikeinrichtung 400 weist eine Fluid-Schnittstelle 420 für die Wärmepumpe 200, eine Fluid-Schnittstelle 430 für den ersten Wärmetauscher 150 des Latentwärmespeichers als erster Energiequelle 110 (Figur 1) und eine Fluid-Schnittstelle 440 für den zweiten Wärmetauscher 250 der zweiten Energiequelle auf.
  • Die Wärmepumpe 200 ist vorzugsweise eine Sole/Wasser-Wärmepumpe und weist intern primärseitig ein Fördermittel auf, um die Sole bzw. das Wärmeträgerfluid, zu fördern. Mit ihrer Primärseite ist die Wärmepumpe 200 über Leitungen 202, 204 an Anschlüssen 203, 205 der Fluid-Schnittstelle 420 angeschlossen. Die Leitung 202 verbindet den Vorlauf der Wärmepumpe 200 mit dem Anschluss 203 und die Leitung 204 den Rücklauf der Wärmepumpe mit dem Anschluss 205 der Fluid-Schnittstelle 420. Die Leitungen 202, 204 sind über nicht näher bezeichnete Kugelhähne an Leitungsabschnitte 406 bzw. 409 der Hydraulikeinrichtung 400 angeschlossen.
  • In der Hydraulikeinrichtung 400 sind die Leitungsabschnitte 406 und 409 über einen Leitungsabschnitt 408 verbunden, der sich zwischen einer Verzweigung 411 in dem Leitungsabschnitt 406 und einer Verzweigung 414 in dem Leitungsabschnitt 409 erstreckt. In dem Leitungsabschnitt 408 ist ein regelbares Durchgangsventil 474 (2-Wege-Ventil) angeordnet. Über den Leitungsabschnitt 408 kann Wärmeträgerfluid vom Vorlauf zum Rücklauf der Wärmepumpe 200 zirkulieren.
  • Dabei fließt das Wärmeträgerfluid durch einen Volumenstromsensor 480 in dem Leitungsabschnitt 406, in dem stromabwärts des Volumenstromsensors 480 ein Temperatursensor 450 angeordnet ist.
  • Der Temperatursensor 450 erfasst die Temperatur des Wärmeträgerfluids, das an den Vorlauf der Wärmepumpe 200 gelangt. Sofern über den Volumenstromsensor 480 in dem Leitungsabschnitt 406 ein Durchfluss festgestellt wird, wird ein Spannungswert an die Steuer- und/oder Regelungseinheit (nicht dargestellt) übermittelt. Sobald dieser Spannungswert erfasst wird, liegt eine Entzugsanforderung der Wärmepumpe 200 vor.
  • Es wird anhand der Ist-Temperaturwerte des ersten Wärmetauschers 150 des Latentwärmespeichers, insbesondere Eis-Energiespeichers, und des zweiten Wärmetauschers 250 ermittelt, inwiefern das Regelventil 472 (Dreiwege-Mischventil) öffnet bzw. schließt und somit die jeweilige Entzugsquelle erster oder zweiter Wärmetauscher 150, 250 freigibt.
  • An der Verzweigung 414, von der der Leitungsabschnitt 408 abgeht, geht zudem ein Leitungsabschnitt 410 ab. Der Leitungsabschnitt 410 endet an einer Verzweigung 412, von der einerseits der Leitungsabschnitt 402 zur Fluid-Schnittstelle 430 des ersten Wärmetauschers 150 und andererseits der Leitungsabschnitt 404 zur Fluid-Schnittstelle 440 des zweiten Wärmetauschers 250 abgeht.
  • Der erste Wärmetauscher 150 ist mit seinen Anschlüssen 156, 158 über Leitungen 162, 164 an der Fluid-Schnittstelle 430 angeschlossen. Der zweite Wärmetauscher 250 ist über Leitungen 252, 254 an der Fluid-Schnittstelle 440 angeschlossen.
  • Die Fluid-Schnittstellen 430, 440 weisen sowohl innerhalb als auch außerhalb der Hydraulikeinrichtung 400 nicht näher bezeichnete Anschlusshähne, beispielsweise Kugelhähne, für die jeweiligen Leitungen 162, 164, 252, 254 auf.
  • Die Leitung 162 des ersten Wärmetauschers 150 mündet an der Fluid-Schnittstelle 430 in einen Leitungsabschnitt 401 und die Leitung 164 in einen Leitungsabschnitt 402 der Hydraulikeinrichtung 400.
  • Die Leitung 252 des zweiten Wärmetauschers 250 mündet an der Fluid-Schnittstelle 440 in einen Leitungsabschnitt 403 und die Leitung 254 in einen Leitungsabschnitt 404 der Hydraulikeinrichtung 400.
  • In den Leitungsabschnitten 401, 402, 403, 404 sind benachbart zu den Fluid-Schnittstellen 430, 440 jeweils Temperatursensoren 454, 456, 458, 460 angeordnet, so dass die Temperatur des Wärmeträgerfluids des jeweiligen Wärmetauschers 150, 250 beim Eintritt und beim Austritt aus der Hydraulikeinrichtung 400 erfasst werden kann. Die Temperatur beim Eintritt des Wärmeträgerfluids in die Hydraulikeinrichtung entspricht der Quellentemperatur der jeweiligen Energiequelle 110, 210.
  • Der Leitungsabschnitt 401 mündet an einer Verzweigung 413 in einen Leitungsabschnitt 407. Die Leitungsabschnitte 403 und 407 sind an einem mittels der nicht dargestellten Steuer- und/oder Regelungseinheit (300 in Figur 1) regelbaren Regelventil 472 (Dreiwege-Mischventil) zusammengeführt.
  • An diesem Regelventil 472 kann je nach Temperaturniveau der Wärmeträgerfluide der Wärmetauscher 150, 250 und der Anforderung der Wärmepumpe 200 selektiv mit Wärmeträgerfluid des ersten Wärmetauschers 150 oder des zweiten Wärmetauschers 250 oder in einem Mischbetrieb mit dem von beiden Wärmetauschern 150, 250 versorgt werden.
  • Das Regelventil 472 kann den Grad der Beimengung des jeweiligen von dem einen oder anderen Wärmetauscher 150, 250 herrührenden Wärmeträgerfluids einstellen.
  • Ausgehend von dem Regelventil 472 führt ein Leitungsabschnitt 405 zu einem regelbaren Dreiwege-Umschaltventil 470, das von der nicht dargestellten Steuer-und/oder Regelungseinheit (300 in Figur 1) ansteuerbar ist. Von dort zweigen der Leitungsabschnitt 406 und der Leitungsabschnitt 407 ab.
  • Der Leitungsabschnitt 407 führt zurück zum Regelventil 472, in den an einer Verzweigung 413 der Leitungsabschnitt 401 einmündet. In dem Leitungsabschnitt 407 ist eine Pumpe 490 angeordnet. Stromauf der Pumpe 490 ist ein Volumenstromsensor 482 angeordnet. An den Leitungsabschnitt 407 ist ein nicht näher bezeichneter Kugelhahn angeschlossen, der zum Entleeren, Spülen und/oder Befüllen des Leitungsabschnitts 407 dienen kann.
  • Der andere vom Dreiwege-Umschaltventil 470 abzweigende Leitungsabschnitt 406 führt zum Anschluss 203 für die Leitung 202 für den Vorlauf der Wärmepumpe 200.
  • Die erste oder die zweite Energiequelle 110, 210 dienen der Wärmepumpe 200 als Wärmequellen, ein Mischbetrieb der Wärmequellen ist möglich. Die jeweils genutzte Primärquelle wird anhand von Messwerten der Temperatursensoren 450, 452, 454, 456, 458, 460 in der Hydraulikeinrichtung 400 gewählt.
  • Dicke Pfeile symbolisieren die Strömungsrichtung der Wärmeträgerfluide. Neben diesen Richtungspfeilen symbolisiert A die Strömung des Wärmeträgerfluids der zweiten Energiequelle 210, wenn diese die Wärmepumpe 200 versorgt.
  • B symbolisiert die Strömung des Wärmeträgerfluids der ersten Energiequelle 110, wenn diese die Wärmepumpe 200 versorgt, gegebenen falls mit Wärmeträgerfluid der zweiten Energiequelle 210 gemischt. C symbolisiert die Strömung des Wärmeträgerfluids, wenn Wärmeträgerfluid aus der zweiten Energiequelle 210 die erste Energiequelle 110 in einem Regenerationsprozess mit Wärme versorgt.
  • Falls die Wärmepumpe 200 Energie von den Energiequellen 110, 210 benötigt, ist die Primärpumpe der Wärmepumpe 200 eingeschaltet. Die Wärmepumpe 200 und deren nicht dargestellte Primärpumpe werden durch eine nicht dargestellte Wärmepumpensteuerung gesteuert.
  • Von der Wärmepumpe 200 strömt Wärmeträgerfluid über die Leitung 204 zum Anschluss 205 der Schnittstelle 420 in den Leitungsabschnitt 409, über die Verzweigung 414 und den Leitungsabschnitt 408 mit dem Durchgangsventil 474 über die Verzweigung 411 in den Leitungsabschnitt 406 und den Anschluss 203 an der Schnittstellt 420 in die Leitung 202 zurück zur Primärseite der Wärmepumpe 200.
  • Der entsprechende Volumenstrom in der Vorlaufleitung zur Wärmepumpe 200 wird über den Volumenstromsensor 480 in der Hydraulikeinrichtung 400 erfasst und an die Steuer- und/oder Regelungseinheit 300 (Figur 1) übermittelt. Das Energiequellen-Management startet.
  • Bis zu einem eingestellten Grenzwert von beispielsweise -7 °C der Vorlauftemperatur des Energiezauns wird der Energiezaun, die zweite Energiequelle 210, als Primärquelle verwendet. Die in der Hydraulikeinrichtung 400 integrierte Hydraulik wird entsprechend geschaltet. Das Durchgangsventil (2-Wege-Ventil) 474 ist geschlossen, das Dreiwege-Umschaltventil 470 in Richtung Wärmepumpe 200 geöffnet und das Regelventil 472 (Dreiwege-Mischventil) vollständig für einen Durchfluss vom Leitungsabschnitt 403 zum DreiwegeUmschaltventil 470 geöffnet und zum Wärmetauscher 150 der ersten Energiequelle 110 gesperrt.
  • Wärmeträgerfluid strömt vom Wärmetauscher 250 der zweiten Energiequelle 210 über die Leitung 252 zur Schnittstelle 440 und von dort über den Leitungsabschnitt 403 zum Dreiwege-Mischventil 472, weiter über den Leitungsabschnitt 405 zum Dreiwege-Umschaltventil 470 und von dort über den Leitungsabschnitt 406 zur Schnittstelle 420.
  • Über den Anschluss 203 strömt das Wärmeträgerfluid über die Leitung 203 zur Wärmepumpe 200 mit der Primärpumpe (nicht dargestellt) und von dort zurück über die Leitung 204 und den Anschluss 205 in den Leitungsabschnitt 409, an der Verzweigung 412 in den Leitungsabschnitt 404 und an der Schnittstelle 440 in die Leitung 254 zurück zum Wärmetauscher 250 der zweiten Energiequelle 210.
  • Falls die Vorlauftemperatur der zweiten Energiequelle 210 den eingestellten Grenzwert unterschreitet, wird die erste Energiequelle 110, beispielsweise ein Latentwärmespeicher, insbesondere Eisspeicher, als Primärquelle verwendet. Die in der Hydraulikeinrichtung 400 integrierte Hydraulik wird entsprechend geschaltet. Das Durchgangsventil (2-Wege-Ventil) 474 ist geschlossen, das DreiwegeUmschaltventil 470 in Richtung Wärmepumpe 200 geöffnet und das Dreiwege-Mischventil 472 für einen Durchfluss vom Leitungsabschnitt 401 zum DreiwegeUmschaltventil 470 geöffnet und zum Wärmetauscher 250 der zweiten Energiequelle 210 gesperrt.
  • Das Wärmeträgerfluid strömt vom Wärmetauscher 150 der ersten Energiequelle 110 über die Leitung 162 zur Schnittstelle 430 und von dort über den Leitungsabschnitt 401 zum Dreiwege-Mischventil 472, weiter über den Leitungsabschnitt 405 zum Dreiwege-Umschaltventil 470 und von dort über den Leitungsabschnitt 406 zur Schnittstelle 420. Über den Anschluss 203 strömt das Wärmeträgerfluid über die Leitung 203 zur Wärmepumpe 200 mit der Primärpumpe (nicht dargestellt) und von dort zurück über die Leitung 204 und den Anschluss 205 in den Leitungsabschnitt 409, an der Verzweigung 412 in den Leitungsabschnitt 402 und an der Schnittstelle 430 in die Leitung 164 zurück zum Wärmetauscher 150 der ersten Energiequelle 110.
  • In der Funktion Mischbetrieb werden beide Energiequellen 110, 210 anteilig genutzt. Anhand der Ist-Temperaturen wird ermittelt wie das Dreiwege-Regelventil 472 öffnet oder schließt. Diese anteilige Öffnung oder Schließung des Regelventils 472 bestimmt den Anteil der jeweils eingesetzten Energiequelle 110, 210.
  • Soll der Latentwärmespeicher, falls ein solcher als erste Energiequelle 110 vorgesehen ist, während der Entzugsperiode regeneriert werden, ist das Durchgangsventil 474 geschlossen. Das Dreiwege-Umschaltventil 470 ist Richtung Wärmepumpe 200 geschlossen und Richtung Pumpe 490 geöffnet.
  • Das Regelventil 472 (Dreiwege-Mischventil) für einen Durchfluss von Leitungsabschnitt 403 zu Leitungsabschnitt 405 geöffnet. Wärmeträgerfluid strömt vom Wärmetauscher 250 der zweiten Energiequelle 210 über die Leitung 252 zur Schnittstelle 440 und über die Leitungsabschnitte 403 und 405 über das DreiwegeUmschaltventil 470 in den Leitungsabschnitt 407 und zur Pumpe 490 und von dort in die Leitungsabschnitt 401 und den Wärmetauscher 150.
  • Im Wärmetauscher 150 (Figur 1, Figur 2) des Latentwärmespeichers kommt es hierdurch zu einer Strömungsumkehr, und Wärmeträgerfluid strömt durch den Leitungsabschnitt 402 zurück über die Leitung 254 in den Wärmetauscher 250 der zweiten Energiequelle 210.
  • Ist als erste Energiequelle 110 ausschließlich ein Brennwertgerät vorgesehen, kann die Pumpe 490 entfallen. Eine geeignet angeordnete Pumpe kann jedoch zur Unterstützung der Primärpumpe der Wärmepumpe 200 vorgesehen sein.
  • Figur 4 zeigt einen Schnitt durch einen Latentwärmespeicher, der in einem Ausführungsbeispiel als erste Energiequelle 110 dienen kann.
  • Der Latentwärmespeicher weist ein Gehäuse 112 auf, das mit einem Speichermedium, beispielsweise Wasser, gefüllt ist. In dem Speichermedium ist ein Wärmetauscher 150 angeordnet.
  • Das Gehäuse 112 des Latentwärmespeichers ist wartungszugangsfrei ausgebildet und vorzugsweise aus Kunststoff gebildet. Da keine Temperatursensoren im Gehäuse 112 verbaut werden müssen und auch kein separater Regenerationswärmetauscher vorgesehen sein muss, kann der Latentwärmespeicher erste Energiequelle 110 mit in das Gehäuse 112 eingebautem Wärmetauscher 150 gefertigt und an seinen Einsatzort transportiert werden. Eine aufwändige Montage des Wärmetauschers am Einsatzort ist nicht notwendig.
  • Der Latentwärmespeicher ist vorzugsweise als Energiequelle 110 für die Versorgung eines Ein- oder Zweifamilienhauses vorgesehen.
  • Zwei Anschlüsse 156, 158 sind als vertikale Sammelrohre an einem Außenrand des Wärmetauschers 150 angeordnet. Von diesen gehen Schlaufen des Wärmetauscherrohrs 152 ab, wobei der Wärmetauscher 150 lagenweise aufgebaut ist und in jeder Lage ein Abschnitt des Wärmetauscherrohrs 152 angeordnet ist. Von den Außenabmessungen bildet der Wärmetauscher 150 beispielsweise einen Zylinder, bei dem die Lagen in Richtung der Zylinderachse aufeinander folgen.
  • Das Wärmetauscherrohr 152 im Wärmetauscher 150 ist so angeordnet, dass eine Erstarrung des Speichermediums 114 um den Wärmetauscher 150 in einer ersten Richtung erfolgen kann und ein Verflüssigen des erstarrten Speichermediums 114 in entgegengesetzter Richtung erfolgen kann. Günstig ist, wenn die Wicklung des Wärmetauscherrohrs 152 im Zentrum jeder Lage des Wärmetauschers 150 enger gewickelt ist als außen am Rand der Lage. Dies ermöglicht eine Vorgabe der Richtung, in welche das Eis erstarrt bzw. das Eis auftaut.
    • Bezugszeichen
    • 100
    Energieversorgungssystem
    102
    Verbraucher
    104
    Fördermittel
    110
    erste Energiequelle
    112
    Gehäuse
    114
    Speichermedium
    150
    erster Wärmetauscher
    152
    Wärmetauscherrohr
    156
    Anschluss
    158
    Anschluss
    162
    Leitung
    164
    Leitung
    200
    Wärmepumpe
    202
    Leitung
    203
    Anschluss
    204
    Leitung
    205
    Anschluss
    210
    zweite Energiequelle
    250
    zweiter Wärmetauscher
    252
    Leitung
    254
    Leitung
    300
    Steuer- und/oder Regeleinrichtung
    400
    Hydraulikmodul
    401
    Leitungabschnitt
    402
    Leitungsabschnitt
    403
    Leitungsabschnitt
    404
    Leitungsabschnitt
    405
    Leitungsabschnitt
    406
    Leitungsabschnitt
    407
    Leitungsabschnitt
    408
    Leitungsabschnitt
    409
    Leitungsabschnitt
    410
    Leitungsabschnitt
    411
    Verzweigung
    412
    Verzweigung
    413
    Verzweigung
    414
    Verzweigung
    420
    Schnittstelle
    430
    Schnittstelle
    440
    Schnittstelle
    450
    Temperatursensor
    452
    Temperatursensor
    454
    Temperatursensor
    456
    Temperatursensor
    458
    Temperatursensor
    460
    Temperatursensor
    470
    Dreiwegeumschaltventil
    472
    Regelventil
    474
    Durchgangsventil
    480
    Volumenstromsensor
    482
    Volumenstromsensor
    490
    Pumpe

Claims (15)

  1. Energieversorgungssystem (100) zur Bereitstellung von Kühlleistung und/oder Heizleistung, umfassend
    (i) eine erste Energiequelle (110) mit einem ersten Wärmetauscher (150),
    (ii) wenigstens eine zweite Energiequelle (210) mit einem zweiten Wärmetauscher (250),
    (iii) eine Wärmepumpe (200), deren Primärseite mit einer der Energiequellen (110, 210) oder beiden Energiequellen (110, 210) gekoppelt ist,
    (iv) eine Hydraulikeinrichtung (400), die eine Fluid-Schnittstelle (420) für die Wärmepumpe (200), eine Fluid-Schnittstelle (430) für den ersten Wärmetauscher (150) und eine Fluid-Schnittstelle (440) für den zweiten Wärmetauscher (250) aufweist,
    (v) eine Steuer- und/oder Regelungseinheit (300), die zumindest mit der Hydraulikeinrichtung (400) zur Einstellung von Betriebszuständen der Hydraulikeinrichtung (400) mittels eines Dreiwege-Umschaltventils (470), eines Regelventils (472) und eines Durchgangsventils (474) der Hydraulikeinrichtung (400) verbunden ist,
    wobei die Hydraulikeinrichtung (400) abhängig von Betriebsparametern zumindest der Wärmepumpe (200) in einem ersten Betriebszustand die Wärmepumpe (200) selektiv mit dem ersten Wärmetauscher (150), in einem zweiten Betriebszustand die Wärmepumpe (200) selektiv mit dem zweiten Wärmetauscher (250) und in einem dritten Betriebszustand die Wärmepumpe (200) sowohl mit dem ersten als auch dem zweiten Wärmetauscher (150, 250) koppelt.
  2. Energieversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikeinrichtung (400) in einem Leitungsabschnitt (407) eine Pumpe (490) aufweist, welche zum Antreiben eines Fluidstroms in der Hydraulikeinrichtung (400) und von und zu der Wärmepumpe (200) und von und zu den Wärmetauschern (150, 250) vorgesehen ist, insbesondere wobei im Leitungsabschnitt (407) ein der Pumpe (490) zugeordneter Volumenstromsensor (482) angeordnet ist.
  3. Energieversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Leitungsabschnitt (405) der Hydraulikeinrichtung (400) zwischen den Fluid-Schnittstellen (430, 440) des ersten Wärmetauschers (150) und des zweiten Wärmetauschers (250) das Dreiwege-Umschaltventil (470) angeordnet ist, von dem ein erster Leitungsabschnitt (406) und ein zweiter Leitungsabschnitt (407) abgehen, insbesondere wobei das Dreiwege-Umschaltventil (470) eine Strömungsrichtung zumindest in dem ersten Wärmetauscher (150) vorgibt.
  4. Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hydraulikeinrichtung (400) Leitungsabschnitte (401, 403) von den Fluid-Schnittstellen (430, 440) des ersten Wärmetauschers (150) und des zweiten Wärmetauschers (250) an dem Regelventil (472) zusammengeführt sind, das fluidisch mit dem Dreiwege-Umschaltventil (470) verbunden ist, so dass abhängig vom Betriebszustand der Hydraulikeinrichtung (400) der erste oder der zweite oder beide Wärmetauscher (150, 250) mit der Wärmepumpe (200) verbindbar sind.
  5. Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikeinrichtung (400) in einem Leitungsabschnitt (406) einen der Wärmepumpe (200) zugeordneten ersten Volumenstromsensor (480) aufweist.
  6. Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikeinrichtung (400) Temperatursensoren (450, 452) aufweist, die eine Temperatur eines Volumenstroms zu der Wärmepumpe (200) und eines Volumenstroms von der Wärmepumpe (200) kommend erfassen und/oder
    dass in Leitungsabschnitten (401, 402, 403, 404) an den Fluid-Schnittstellen (430, 440) der Wärmetauscher (150, 250) in der Hydraulikeinrichtung (400) Temperatursensoren (454, 456, 458, 460) angeordnet sind.
  7. Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hydraulikeinrichtung (400) ein Durchgangsventil (474) zwischen Anschlüssen (203, 205) der Fluid-Schnittstelle (420) für eine Vorlaufleitung (202) und eine Rücklaufleitung (204) der Wärmepumpe (200) angeordnet ist.
  8. Hydraulikeinrichtung (400) für ein Energieversorgungssystem (100) wenigstens nach Anspruch 1,
    umfassend eine Fluid-Schnittstelle (420) für eine Wärmepumpe (200), eine Fluid-Schnittstelle (430) für einen ersten Wärmetauscher (150) einer ersten Energiequelle (110) und eine Fluid-Schnittstelle (440) für einen zweiten Wärmetauscher (250) einer wenigstens zweiten Energiequelle (210),
    weiter umfassend Leitungsabschnitte (401, 402, ..., 409, 410), welche die Fluid-Schnittstelle (420) der Wärmepumpe (200) mit den Fluid-Schnittstellen (430, 440) der Wärmetauscher (150, 250) fluidisch verbinden.
  9. Hydraulikeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein ansteuerbares Dreiwege-Umschaltventil (470), ein ansteuerbares Regelventil (472) und ein ansteuerbares Durchgangsventil (474) vorgesehen sind, insbesondere wobei das Durchgangsventil (474) zwischen Anschlüssen (203, 205) der Fluid-Schnittstelle (420) für eine Vorlaufleitung (202) und eine Rücklaufleitung (204) der Wärmepumpe (200) angeordnet ist.
  10. Hydraulikeinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Leitungsabschnitt (407) eine Pumpe (490) angeordnet ist, insbesondere wobei der Leitungsabschnitt (407) das Dreiwege-Umschaltventil (470) und das Regelventil (472) verbindet, insbesondere wobei im Leitungsabschnitt (407) ein der Pumpe (490) zugeordneter Volumenstromsensor (482) angeordnet ist.
  11. Hydraulikeinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leitungsabschnitt (406) einen ersten Volumenstromsensor (480) aufweist, der zum Erfassen eines Volumenstroms zu der Fluid-Schnittstelle (420) der Wärmepumpe (200) vorgesehen ist.
  12. Hydraulikeinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Temperatursensoren (450, 452) vorgesehen sind, die eine Temperatur eines Volumenstroms zu der Fluid-Schnittstelle (420) und eines Volumenstroms von der Fluid-Schnittstelle (420) der Wärmepumpe (200) kommend erfassen
    und/oder dass in Leitungsabschnitten (401, 402, 403, 404) an den Fluid-Schnittstellen (430, 440) der Wärmetauscher (150, 250) (400) Temperatursensoren (454, 456, 458, 460) angeordnet sind.
  13. Verfahren zum Betreiben eines Energieversorgungssystems (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem eine erste Energiequelle (110) mit einem ersten Wärmetauscher (150), wenigstens eine zweite Energiequelle (210) mit einem zweiten Wärmetauscher (250) und eine Wärmepumpe (200) über eine Hydraulikeinrichtung (400) zusammenwirken, die Fluid-Schnittstellen (420, 430, 440) für die Wärmepumpe (200), den ersten Wärmetauscher (150) und den zweiten Wärmetauscher (250) aufweist, sowie eine Steuer- und/oder Regelungseinheit (300), die Betriebszustände der Hydraulikeinrichtung (400) mittels eines Dreiwege-Umschaltventils (470), eines Regelventils (472) und eines Durchgangsventils (474) einstellt, wobei abhängig von Betriebsparametern zumindest der Wärmepumpe (200) die Hydraulikeinrichtung (400)
    in einem ersten Betriebszustand die Wärmepumpe (200) selektiv mit der ersten Energiequelle (110) verbindet,
    in einem zweiten Betriebszustand die Wärmepumpe (200) selektiv mit der zweiten Energiequelle (210) verbindet,
    und in einem dritten Betriebszustand die Wärmepumpe (200) sowohl mit der ersten als auch der zweiten Energiequelle (110, 210) verbindet.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch die Schritte bei Erkennen einer Anforderung von einem Heizbetrieb der Wärmepumpe (200):
    Überprüfen der Ist-Temperaturen des Wärmeträgerfluids des ersten und des zweiten Wärmetauschers (150, 250);
    Ermitteln eines Zustands eines Regelventils (472) der Hydraulikeinrichtung (400), an dem die Wärmetauscher (150, 250) angekoppelt sind;
    sofern eine vorgegebene Mindesttemperatur eines Wärmeträgerfluids eines der Wärmetauscher (150, 250) der Energiequellen (110, 210) erreicht oder unterschritten wird, Einstellen des Regelventils (472) so, dass die andere der Energiequellen (110, 210) zum Wärmeeintrag in die Wärmepumpe (200) dient,
    wenn das Wärmeträgerfluid keines der Wärmetauscher (150, 250) der Energiequellen (110, 210) seine vorgegebene Mindesttemperatur erreicht oder unterschreitet, Einstellen des Regelventils (472) so, dass beide Energiequellen (110, 210) zum Wärmeeintrag in die Wärmepumpe (200) dienen.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14, gekennzeichnet durch die Schritte bei Erkennen einer Anforderung von einem Kühlbetrieb der Wärmepumpe (200):
    Überprüfen der Ist-Temperaturen des Wärmeträgerfluids des ersten und des zweiten Wärmetauschers (150, 250) der Energiequellen;
    Ermitteln eines Zustands eines Regelventils (472) der Hydraulikeinrichtung (400), an dem die Wärmetauscher (150, 250) angekoppelt sind;
    sofern eine Temperatur des Wärmeträgerfluids eines der Wärmetauscher (150, 250) einer der Energiequellen (110, 210) zu hoch ist für einen Kühlbetrieb der Wärmepumpe (200), Einstellen des Regelventils (472) so, dass die andere der Energiequellen (110, 210) zum Wärmeeintrag in die Wärmepumpe (200) dient.
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