EP4160096A1 - Hybridheizsystem zum bereitstellen von brauchwasser und heizungswärme - Google Patents

Hybridheizsystem zum bereitstellen von brauchwasser und heizungswärme Download PDF

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EP4160096A1
EP4160096A1 EP22190923.7A EP22190923A EP4160096A1 EP 4160096 A1 EP4160096 A1 EP 4160096A1 EP 22190923 A EP22190923 A EP 22190923A EP 4160096 A1 EP4160096 A1 EP 4160096A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat
return
flow
heat pump
storage tank
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.)
Withdrawn
Application number
EP22190923.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hermann Stumpp
Armin Marko
Daniel Neubert
Christian Glueck
Dennis Becker
Waldemar Ott
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4160096A1 publication Critical patent/EP4160096A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F24D3/00—Hot-water central heating systems
    • F24D3/08—Hot-water central heating systems in combination with systems for domestic hot-water supply
    • F24D3/082—Hot water storage tanks specially adapted therefor
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    • F24D11/00—Central heating systems using heat accumulated in storage masses
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    • F24D11/0228—Central heating systems using heat accumulated in storage masses using heat pumps water heating system combined with conventional heater
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    • F24D3/1091—Mixing cylinders
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    • F24H15/30—Control of fluid heaters characterised by control outputs; characterised by the components to be controlled
    • F24H15/335—Control of pumps, e.g. on-off control

Definitions

  • the present invention relates to a hybrid heating system for providing service water and heating, comprising a heat pump and a heater with a heat cell, with a service water storage tank being temperature-controlled by the heat pump and/or the heat cell using a heat transfer medium.
  • Hybrid heating systems are known from the prior art, in which a heat pump and a heating device designed as a gas condensing boiler work together in a hydraulic parallel circuit.
  • the heat pump loads a downstream buffer tank and is thus hydraulically decoupled from an associated consumer circuit.
  • a circulating pump can be used to adjust the volume flow and temperature spread to a corresponding condenser of the heat pump according to the respective operating requirements.
  • a return flow from the hybrid heating system is connected directly to the buffer storage tank in order to enable the heat pump to work at the lowest possible temperature.
  • such a hydraulic connection requires a certain amount of space, since the buffer storage tank must also be installed in addition to a corresponding service water storage tank.
  • a buffer storage represents a significant cost driver of such a hybrid heating system.
  • the hot water preparation is carried out exclusively by the heat pump, which requires a separate, preferably electrically operated heating element with regard to a periodically necessary thermal disinfection of the water in the service water storage tank.
  • the heating element increases the complexity of the overall system and increases its operating and investment costs.
  • the present invention relates to a hybrid heating system for providing service water and heating, comprising a heat pump and a heater with a heat cell, with a service water storage tank being temperature-controlled by the heat pump and/or the heat cell using a heat transfer medium.
  • the heat pump is coupled to a heating circuit by means of a hydraulic switch, with the heat pump and the heat cell being connected in series to the service water storage tank.
  • the hybrid heating system requires significantly less space.
  • a heat exchanger of the domestic water storage tank of the hybrid heating system preferably has the heat transfer medium flowing through it permanently and therefore has no thermal stratification, but rather an essentially homogeneous temperature distribution.
  • the corresponding investment and maintenance costs are reduced, and the lack of water volume in a buffer storage means that the heat is provided more efficiently and dynamically.
  • a comparatively low return temperature for the heat pump is also guaranteed.
  • the adjustability of a volume flow and a temperature spread of the heat transfer medium is possible at a corresponding condenser of the heat pump.
  • a separate heating rod for periodic disinfection of the domestic water storage tank by heating the domestic water to around 100 °C is unnecessary, as the heat cell preferably assumes this function.
  • the serial connection of the heat pump and the heat cell to the service water storage tank means that the hybrid heating system has a particularly simple construction.
  • the heat transfer medium preferably contains water.
  • water can be filled without any problems. If necessary, the water can be mixed with additives for corrosion and/or frost protection. In addition, water as a heat transfer medium has a high heat capacity.
  • the service water storage tank preferably has a heat exchanger.
  • the service water storage tank By using the service water storage tank, the use of a conventional buffer storage tank to connect the heat pump is no longer necessary.
  • the service water storage tank allows a defined volume of service water to be released immediately at an almost constant temperature level. Due to the use of a monovalent service water storage tank with only one heat exchanger, the construction is particularly simple, which leads to reduced installation and maintenance costs.
  • a flow of the heat pump is preferably connected to a first flow of the hydraulic switch and a return of the heat pump is connected to a first return of the hydraulic switch, with a first pump being arranged in the return of the heat pump or in the flow of the heat pump.
  • the hydraulic switch ensures complete hydraulic decoupling of the heat pump from the heating circuit without the need for a large-volume buffer tank.
  • the heat pump can work at an advantageously low temperature level, since it is connected directly to the return of the hydraulic switch, which represents a cold pole or the coldest point of the entire hybrid heating system.
  • a flow of the heat cell is connected to a flow of the heat exchanger of the service water storage tank and to a flow of the heating circuit by means of a first 3-way actuator, and a return of the heat cell is connected to a second flow of the low loss header, with the return of the heat cell or a second pump is arranged in the flow of the heat cell.
  • the return of the heat cell is subjected to the increased temperature level of the second flow of the hydraulic separator.
  • the flow of the heating circuit is connected to at least one flow of at least one thermal consumer of the heating circuit
  • the second return of the low loss header is connected to a return of the heat exchanger of the service water storage tank.
  • the second return of the low loss header is connected to at least one return of the at least one thermal consumer of the heating circuit via a return of the heating circuit.
  • radiators such as ribbed radiators, which require a significantly higher flow temperature than underfloor heating or panel radiators, can also be used with the hybrid heating system.
  • At least one consumption point for the service water is connected to an outlet of the service water storage tank, and an input of the service water storage tank is connected by means of a second 3-way actuator to a service water inflow and to a connecting line that is connected to the output of the service water storage tank.
  • cold water can be admixed at the outlet of the service water storage tank by means of the external service water inflow.
  • the process water inflow is preferably connected to the public water supply network.
  • a control and/or regulating device is preferably provided.
  • control and/or regulating device can be used to comprehensively monitor the 3-way actuators and the two pumps in order to achieve the highest possible energy efficiency of the hybrid heating system under all operating conditions.
  • the control and/or regulating device is preferably assigned a large number of temperature and flow rate sensors for detecting essential physical parameters of the heat transfer medium and the process water.
  • the temperature and flow rate sensors can be placed, for example, in the area of the supply lines, the return lines, the domestic water storage tank, the heat cell, the heat pump, the hydraulic switch, the at least one consumption point for domestic water, the at least one thermal consumer or in the outside environment.
  • the temperature of the heat exchanger of the service water storage tank can preferably be controlled by the heat cell and/or the heat pump by means of the control and/or regulating device.
  • Hybrid heating system 100 for providing service water 146 and heating.
  • Hybrid heating system 100 includes, among other things, a heat pump 110 and a heater 120 with a heat cell 122, as well as an electronic control and/or regulating device 220, with a service water storage tank 140 preferably being able to be temperature-controlled by heat pump 110 and/or heat cell 122 using a heat transfer medium 124 .
  • the heat cell 122 can be designed as a boiler. Furthermore, the heat cell 122 can be fired with (natural) gas, hydrogen, oil, coal or wood pellets, for example.
  • the heater 120 can be designed as a condensing boiler.
  • a fuel cell fed with methane or hydrogen or a purely electrical (resistance) heater can be provided as a heat generator, for example.
  • the heating device 120 or the alternative heat generator is preferably operated at a higher, in particular significantly higher, temperature level compared to the heat pump 110 .
  • the heat pump 110 is preferably coupled to a heating circuit 180 by means of a hydraulic switch 130 housed in a housing 132 , with the heat pump 110 and the heat cell 122 being connected in series to the service water storage tank 140 .
  • a large-volume buffer storage tank which would otherwise have to be provided for operating the heat pump 110, is unnecessary, since the low loss header 130 always ensures a minimum volumetric flow of the heat transfer medium 124 required for operation through a condenser of the heat pump 110--not shown for the sake of clarity in the drawing.
  • the serial connection of the heat pump 110 with the heat cell 122 and the service water storage tank 140 results in a comparatively simple hydraulic structure for the entire hybrid heating system 100.
  • the heat transfer medium 124 is preferably water, which is mixed with additives, in particular for corrosion and/or frost protection can be.
  • the service water storage tank 140 is preferably monovalent and therefore has only one helical or spiral heat exchanger 142, which is completely surrounded by the service water 146 or is immersed in it.
  • a flow V 1 of the heat pump 110 is illustratively connected to a first flow V 2 of the low loss header 130 .
  • a return R 1 of the heat pump 110 is connected to a first return R 2 of the hydraulic separator 130 , for example.
  • a first pump 150 is preferably provided within the return R 1 of the heat pump 110 .
  • the first pump 150 can also be provided in the flow V 1 of the heat pump 110 .
  • the heat transfer medium 124 can preferably be conveyed through the condenser of the heat pump 110 and the hydraulic switch 130 into the supply lines V 2.6 and return lines R 2.3 emanating from this.
  • the return R 1 of the heat pump 110 is preferably connected to the coldest point of the hybrid heating system 100 or to its cold pole in the form of the returns R 2,3 of the low loss header 130, resulting in a particularly energy-efficient operation of the heat pump 110. From the returns R 2,3 of the low loss header 130, a return R 4 of the service water storage tank 140 and a return R 6 of the heating circuit 180 or a return R 7 of at least one thermal consumer 190 connected to the heating circuit 180 lead off illustratively.
  • a flow V 3 of the heat cell 122 is illustratively connected by means of a first 3-way actuator 160 to a flow V 4 of the heat exchanger 142 of the service water storage tank 140 and to a flow V 5 of the heating circuit 180 to be supplied with heat.
  • a return R 5 of the heat cell 122 is connected to the second flow V 6 of the hydraulic separator 130 , for example.
  • a second pump 152 preferably operated by an electric motor, is provided for illustrative purposes.
  • the second Pump 152 may be arranged in the flow V 3 of the heat cell 122 .
  • the heat transfer medium 124 can be conveyed by means of the second pump 152, preferably through the heat cell 122 of the heating device 120 and the heating circuit 180 with the at least one thermal consumer 190 connected thereto via a flow V 7 .
  • the at least one thermal load 190 can be, for example, a conventional (ribbed) radiator (not shown), a convector, a panel radiator or panel radiator, underfloor heating, a ceiling radiator or the like.
  • the second return R 3 of the low loss header 130 is preferably coupled to the return R 4 of the heat exchanger 142 of the service water storage tank 140 and to the return R 6 of the heating circuit 180, to which, illustratively, the at least one return R 7 of the at least one thermal consumer 190 of the heating circuit is connected 180 is connected.
  • At least one consumption point 200 for temperature-controlled domestic water 146 or a domestic water tap point is connected to an output A 1 of the domestic water storage tank 140 .
  • the point of consumption 200 can be, for example, a shower head, a bathtub inlet, a faucet or the like.
  • An input E 1 of the service water storage tank 140 is illustratively connected by means of a second 3-way actuator 162 to a service water inflow 210 , for example from the public water supply network, for the supply of service water 146 at a low temperature and to a connecting line 212 .
  • the connecting line 212 is in turn connected, for example, to the output A 1 of the service water storage tank 140 , so that the consumption point 200 can be admixed with the second 3-way actuator 162 for quick temperature control if required.
  • the 3-way actuators 160, 162 that are preferably assigned to it, as well as the two electric motor-driven pumps 150, 152, are preferably activated as a function of a large number of temperature and flow sensors, not shown for the sake of a better overview of the drawings comprehensively controlled, i.e. regulated and/or controlled.
  • temperature and flow sensors In addition to temperature and flow sensors, other types of sensors can be provided. As a result, its high energy efficiency is guaranteed under all practically occurring operating conditions of the hybrid heating system 100 .
  • Associated temperature and flow rate sensors can be used, for example, within the supply lines V 1,...,7 , the returns R 1,...,7 , the service water inflow 210, in the connecting line 212, in the area of the service water storage tank 140 to record the temperature of the domestic water 146 stored therein, in the area of the consumption point 200, in the area of the heat exchanger 142, in the area of the low loss header 130, in the area of the heat pump 110, in the area of the heat cell 122, in the area of the at least one thermal consumer 190 or in an external environment of a Hybrid heating system 100 to be placed at temperature-controlled building.
  • the two 3-way actuators 160, 162 which can preferably be actuated by an electric motor, preferably have no individually switchable connections, which is symbolized by the three unfilled triangles in each case.
  • the 3-way actuators 160, 162 can be designed, for example, as continuously operating 3-way mixing valves, as intermittently acting switching or switching valves, or as a combination thereof.
  • the heat transfer medium 124 preferably flows permanently through the heat cell 122 of the heating device 120.
  • the heat exchanger 142 in the service water storage tank 140 is preferably supplied with the necessary, i.e. in particular according to user specifications, sufficient heat depending on the current state of the second 3-way actuator 162 controlled by the control and/or regulating device 220, whereby a corresponding temperature of the service water 146 stored in the service water tank 140 sets.
  • both the heat pump 110 and the heater 120 can control the temperature of the service water 146 in the service water storage tank 140 by means of the heat exchanger 142 independently of one another or together.
  • the hybrid heating system 100 Due to the integration of heat pump 110 by means of low loss header 130 instead of a conventional buffer tank that would otherwise have to be provided, preference is given to, among other things, a volume flow and a temperature spread of heat transfer medium 124 at the condenser of heat pump 110, which is not shown in the drawing - i.e. in the area of flow V 1 and the return R 1 of the heat pump 110 - influenced. Due to the omitted large-volume buffer storage, the hybrid heating system 100 enables an energy-efficient provision of heating and temperature-controlled service water 146, since a direct heat supply of the heating circuit 180 and the Hot water tank 140 by means of the heat pump 110 and/or the heater 120 is more energy-efficient than indirect temperature control by means of the heat temporarily stored in a large-volume buffer memory. At the same time, the hybrid heating system 100 allows for a reduced space requirement and reduced investment and maintenance costs.

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Abstract

Bei einem Hybridheizsystem (100) zum Bereitstellen von Brauchwasser (146) und Heizungswärme, umfassend eine Wärmepumpe (110) und ein Heizgerät (120) mit einer Wärmezelle (122), wobei ein Brauchwasserspeicher (140) durch die Wärmepumpe (110) und/oder die Wärmezelle (122) mittels eines Wärmeträgermediums (124) temperierbar ist, ist die Wärmepumpe (110) mittels einer hydraulischen Weiche (130) mit einem Heizkreis (180) gekoppelt, wobei die Wärmepumpe (110) und die Wärmezelle (122) seriell an den Brauchwasserspeicher (140) angebunden sind.

Description

    Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridheizsystem zum Bereitstellen von Brauchwasser und Heizungswärme, umfassend eine Wärmepumpe und ein Heizgerät mit einer Wärmezelle, wobei ein Brauchwasserspeicher durch die Wärmepumpe und/oder die Wärmezelle mittels eines Wärmeträgermediums temperierbar ist.
  • Aus dem Stand der Technik sind Hybridheizsysteme bekannt, bei denen eine Wärmepumpe und ein als Gasbrennwertgerät ausgebildetes Heizgerät in einer hydraulischen Parallelschaltung zusammenwirken. Die Wärmepumpe belädt einen ihr nachgeschalteten Pufferspeicher und ist somit von einem zugeordneten Verbraucherkreis hydraulisch entkoppelt. Durch eine Umwälzpumpe können Volumenstrom und Temperaturspreizung an einem entsprechenden Kondensator der Wärmepumpe den jeweiligen Betriebserfordernissen angepasst werden. Ein Rücklauf des Hybridheizsystems ist direkt an den Pufferspeicher angebunden, um der Wärmepumpe eine möglichst tiefe Arbeitstemperatur zu ermöglichen. Eine derartige hydraulische Verschaltung setzt jedoch einen gewissen Platzbedarf voraus, da neben einem entsprechenden Brauchwasserspeicher auch der Pufferspeicher installiert werden muss. Des Weiteren muss im Pufferspeicher und Brauchwasserspeicher eine vergleichsweise großen Wassermenge vorgehalten werden, was zu einer Beeinträchtigung der Energieeffizienz des Hybridheizsystems sowie der thermischen Trägheit der Erzeugerseite führen kann. Darüber hinaus stellt ein Pufferspeicher einen signifikanten Kostentreiber eines solchen Hybridheizsystems dar. Die Warmwasserbereitung erfolgt ausschließlich durch die Wärmepumpe, was im Hinblick auf eine periodisch notwendige thermische Desinfektion des Wassers im Brauchwasserspeicher einen separaten, bevorzugt elektrisch betriebenen Heizstab erfordert. Der Heizstab erhöht die Komplexität des Gesamtsystems und erhöht dessen Betriebs- und Investitionskosten.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridheizsystem zum Bereitstellen von Brauchwasser und Heizungswärme, umfassend eine Wärmepumpe und ein Heizgerät mit einer Wärmezelle, wobei ein Brauchwasserspeicher durch die Wärmepumpe und/oder die Wärmezelle mittels eines Wärmeträgermediums temperierbar ist. Die Wärmepumpe ist mittels einer hydraulischen Weiche mit einem Heizkreis gekoppelt, wobei die Wärmepumpe und die Wärmezelle seriell an den Brauchwasserspeicher angebunden sind.
  • Aufgrund der Anbindung der Wärmepumpe an den Heizkreis mittels einer hydraulischen Weiche anstelle eines Pufferspeichers ergibt sich ein signifikant reduzierter Platzbedarf des Hybridheizsystems. Ein Wärmeübertrager des Brauchwasserspeichers des Hybridheizsystems ist bevorzugt permanent von dem Wärmeträgermedium durchströmt und weist daher keine thermische Schichtung, sondern eine im Wesentlichen homogene Temperaturverteilung auf. Weiterhin verringern sich entsprechende Investitions- und Wartungskosten, und durch das entfallende Wasservolumen eines Pufferspeichers ergibt sich eine effizientere und dynamischere Bereitstellung der Wärme. Eine vergleichsweise niedrige Rücklauftemperatur für die Wärmepumpe ist zudem gewährleistet. Ferner ist die Einstellbarkeit eines Volumenstroms und einer Temperaturspreizung des Wärmeträgermediums an einem entsprechenden Kondensator der Wärmepumpe möglich. Ein separater Heizstab zum periodischen Desinfizieren des Brauchwasserspeichers durch das Aufheizen des Brauchwassers auf etwa 100 °C ist entbehrlich, da bevorzugt die Wärmezelle diese Funktion übernimmt. Durch die serielle Anbindung der Wärmepumpe und der Wärmezelle an den Brauchwasserspeicher ist ein konstruktiv besonders einfacher Aufbau des Hybridheizsystems gegeben.
  • Bevorzugt weist das Wärmeträgermedium Wasser auf.
  • Hierdurch ist bei ausreichender Verfügbarkeit von Wasser, z.B. über ein öffentliches Wasserversorgungsnetz, eine problemlose Befüllbarkeit gegeben. Das Wasser kann erforderlichenfalls mit Additiven zum Korrosions- und/oder Frostschutz versetzt sein. Zudem verfügt Wasser als Wärmeträgermedium über eine hohe Wärmekapazität.
  • Bevorzugt weist der Brauchwasserspeicher einen Wärmeübertrager auf.
  • Durch den Einsatz des Brauchwasserspeichers ist der Einsatz eines konventionellen Pufferspeichers zur Anbindung der Wärmepumpe entbehrlich. Darüber hinaus gestattet der Brauchwasserspeicher eine sofortige Abgabe eines definierten Volumens Brauchwasser auf einem annähernd konstanten Temperaturniveau. Aufgrund des Einsatzes eines monovalenten Brauchwasserspeichers mit nur einem Wärmeübertrager, ergibt sich ein konstruktiv besonders einfacher Aufbau, der zu reduzierten Installations- und Wartungskosten führt.
  • Bevorzugt ist ein Vorlauf der Wärmepumpe mit einem ersten Vorlauf der hydraulischen Weiche verbunden und ein Rücklauf der Wärmepumpe ist mit einem ersten Rücklauf der hydraulischen Weiche verbunden, wobei in dem Rücklauf der Wärmepumpe oder in dem Vorlauf der Wärmepumpe eine erste Pumpe angeordnet ist.
  • Durch die hydraulische Weiche ist eine vollständige hydraulische Entkopplung der Wärmepumpe von dem Heizkreis, ohne das Erfordernis eines großvolumigen Pufferspeichers, gegeben. Die Wärmepumpe kann bei einer Realisierung auf einem vorteilhaft niedrigen Temperaturniveau arbeiten, da diese direkt an dem Rücklauf der hydraulischen Weiche angeschlossen ist, der einen Kältepol bzw. den kältesten Punkt des ganzen Hybridheizsystems darstellt.
  • Bevorzugterweise ist ein Vorlauf der Wärmezelle mittels eines ersten 3-Wege-Stellglieds mit einem Vorlauf des Wärmeübertragers des Brauchwasserspeichers und mit einem Vorlauf des Heizkreises verbunden, und ein Rücklauf der Wärmezelle ist mit einem zweiten Vorlauf der hydraulischen Weiche verbunden, wobei in dem Rücklauf der Wärmezelle oder in dem Vorlauf der Wärmezelle eine zweite Pumpe angeordnet ist.
  • Infolgedessen ist in einer Realisierung der Rücklauf der Wärmezelle mit dem erhöhten Temperaturniveau des zweiten Vorlaufs der hydraulischen Weiche beaufschlagt.
  • Gemäß einer technisch vorteilhaften Weiterbildung ist der Vorlauf des Heizkreises mit mindestens einem Vorlauf mindestens eines thermischen Verbrauchers des Heizkreises verbunden, und der zweite Rücklauf der hydraulischen Weiche ist mit einem Rücklauf des Wärmeübertragers des Brauchwasserspeichers verbunden, und der zweite Rücklauf der hydraulischen Weiche ist über einen Rücklauf des Heizkreises mit mindestens einem Rücklauf des mindestens einen thermischen Verbrauchers des Heizkreises verbunden.
  • Hierdurch steht für den Heizkreis das erhöhte Temperaturniveau des Vorlaufs der Wärmezelle bzw. des Vorlaufs des Wärmeübertragers des Brauchwasserspeichers zur Verfügung. Infolgedessen können gegebenenfalls auch konventionelle Heizkörper, wie zum Beispiel Rippenheizkörper, die im Vergleich zu einer Fußbodenheizung oder einem Flächenheizkörper eine deutlich höhere Vorlauftemperatur benötigen, mit dem Hybridheizsystem verwendet werden.
  • Bevorzugt ist mindestens eine Verbrauchsstelle für das Brauchwasser an einen Ausgang des Brauchwasserspeichers angeschlossen, und ein Eingang des Brauchwasserspeichers ist mittels eines zweiten 3-Wege-Stellglieds mit einem Brauchwasserzufluss und mit einer Verbindungsleitung verbunden, die mit dem Ausgang des Brauchwasserspeichers verbunden ist.
  • Hierdurch ist am Ausgang des Brauchwasserspeichers erforderlichenfalls kaltes Wasser mittels des externen Brauchwasserzuflusses zumischbar. Der Brauchwasserzufluss ist bevorzugt mit dem öffentlichen Wasserversorgungsnetz verbunden.
  • Bevorzugterweise ist eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung vorgesehen.
  • Durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung ist insbesondere eine umfangreiche Kontrolle der 3-Wege-Stellglieder und der beiden Pumpen realisierbar, um unter allen Betriebsbedingungen eine möglichst hohe Energieeffizienz des Hybridheizsystems zu erreichen. Zu diesem Zweck ist der Steuer- und/oder Regeleinrichtung bevorzugt eine Vielzahl von Temperatur- und Durchflusssensoren zur Erfassung wesentlicher physikalischer Parameter des Wärmeträgermediums sowie des Brauchwassers zugeordnet. Die Temperatur- und Durchflusssensoren können beispielsweise im Bereich der Vorläufe, der Rückläufe, des Brauchwasserspeichers, der Wärmezelle, der Wärmepumpe, der hydraulischen Weiche, der mindestens einen Verbrauchsstelle für Brauchwasser, des mindestens einen thermischen Verbrauchers oder in der Außenumgebung platziert sein.
  • Bevorzugt ist mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Wärmeübertrager des Brauchwasserspeichers durch die Wärmezelle und/oder die Wärmepumpe temperierbar.
  • Hierdurch ergeben sich vielfältige Einflussmöglichkeiten auf das Betriebsverhalten des Hybridheizsystems.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1
    ein schematisches hydraulisches Schaltbild einer Ausführungsform eines Hybridheizsystems.
    Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Fig. 1 zeigt ein Hybridheizsystem 100 zum Bereitstellen von Brauchwasser 146 sowie Heizungswärme. Das Hybridheizsystem 100 umfasst unter anderem eine Wärmepumpe 110 und ein Heizgerät 120 mit einer Wärmezelle 122, sowie eine elektronische Steuer- und/oder Regeleinrichtung 220, wobei vorzugsweise ein Brauchwasserspeicher 140 durch die Wärmepumpe 110 und/oder die Wärmezelle 122 mittels eines Wärmeträgermediums 124 temperierbar ist. Die Wärmezelle 122 kann als Heizkessel ausgebildet sein. Des Weiteren kann die Wärmezelle 122 zum Beispiel mit (Erd-)Gas, Wasserstoff, Öl, Kohle oder Holzpellets befeuert sein. Das Heizgerät 120 kann als Brennwertgerät ausgebildet sein. Hierbei kann anstelle des Heizgeräts 120 beispielsweise eine mit Methan oder mit Wasserstoff gespeiste Brennstoffzelle oder eine rein elektrische (Widerstands-)Heizung als Wärmeerzeuger vorgesehen sein. Bevorzugt wird das Heizgerät 120 bzw. der alternative Wärmeerzeuger im Vergleich zu der Wärmepumpe 110 auf einem höheren, insbesondere deutlich höheren, Temperaturniveau betrieben.
  • Die Wärmepumpe 110 ist bevorzugt mittels einer, in einem Gehäuse 132 untergebrachten, hydraulischen Weiche 130 mit einem Heizkreis 180 gekoppelt, wobei die Wärmepumpe 110 und die Wärmezelle 122 seriell an den Brauchwasserspeicher 140 angeschlossen sind. Hierdurch ist unter anderem ein zum Betrieb der Wärmepumpe 110 ansonsten vorzusehender, großvolumiger Pufferspeicher entbehrlich, da durch die hydraulische Weiche 130 stets ein betriebsnotwendiger minimaler Volumenstrom des Wärmeträgermediums 124 durch einen - der besseren zeichnerischen Übersicht halber nicht dargestellten - Kondensator der Wärmepumpe 110 gewährleistet ist. Darüber hinaus ergibt sich durch die serielle Verschaltung der Wärmepumpe 110 mit der Wärmezelle 122 und dem Brauchwasserspeicher 140 ein vergleichsweise einfacher hydraulischer Aufbau des ganzen Hybridheizsystems 100. Bei dem Wärmeträgermedium 124 handelt es sich vorzugsweise um Wasser, das mit Additiven insbesondere zum Korrosionsund/oder Frostschutz versetzt sein kann. Der Brauchwasserspeicher 140 ist bevorzugt monovalent ausgeführt und weist daher lediglich einen wendelförmigen bzw. spiralförmigen Wärmeübertrager 142 auf, der vollständig vom Brauchwasser 146 umgeben ist bzw. in dieses eintaucht.
  • Ein Vorlauf V1 der Wärmepumpe 110 ist illustrativ mit einem ersten Vorlauf V2 der hydraulischen Weiche 130 verbunden. Ein Rücklauf R1 der Wärmepumpe 110 ist beispielhaft an einen ersten Rücklauf R2 der hydraulischen Weiche 130 angeschlossen. Innerhalb des Rücklaufs R1 der Wärmepumpe 110 ist bevorzugt eine erste Pumpe 150 vorgesehen. Alternativ kann die erste Pumpe 150 auch im Vorlauf V1 der Wärmepumpe 110 vorgesehen sein. Mithilfe der bevorzugt elektromotorisch betriebenen, ersten Pumpe 150 ist das Wärmeträgermedium 124 vorzugsweise durch den Kondensator der Wärmepumpe 110 und die hydraulische Weiche 130 bis hinein in von dieser abgehenden Vorläufe V2,6 sowie Rückläufe R2,3 förderbar. Der Rücklauf R1 der Wärmepumpe 110 ist bevorzugt am kältesten Punkt des Hybridheizsystems 100 bzw. an dessen Kältepol in Form der Rückläufe R2,3 der hydraulischen Weiche 130 angebunden, woraus ein besonders energieeffizienter Betrieb der Wärmepumpe 110 resultiert. Von den Rückläufen R2,3 der hydraulischen Weiche 130 gehen illustrativ wiederum ein Rücklauf R4 des Brauchwasserspeichers 140 und ein Rücklauf R6 des Heizkreises 180 bzw. ein Rücklauf R7 eines mindestens einen an den Heizkreis 180 angeschlossenen thermischen Verbrauchers 190 ab.
  • Ein Vorlauf V3 der Wärmezelle 122 ist illustrativ mittels eines ersten 3-Wege-Stellglieds 160 mit einem Vorlauf V4 des Wärmeübertragers 142 des Brauchwasserspeichers 140 sowie mit einem Vorlauf V5 des mit Wärme zu versorgenden Heizkreises 180 verbunden. Ein Rücklauf R5 der Wärmezelle 122 ist beispielhaft mit dem zweiten Vorlauf V6 der hydraulischen Weiche 130 verbunden. Innerhalb des Rücklaufs R5 der Wärmezelle 122 ist illustrativ eine zweite, bevorzugterweise elektromotorisch betriebene Pumpe 152 vorgesehen. Alternativ kann die zweite Pumpe 152 in dem Vorlauf V3 der Wärmezelle 122 angeordnet sein. Mittels der zweiten Pumpe 152 ist das Wärmeträgermedium 124 vorzugsweise durch die Wärmezelle 122 des Heizgeräts 120 und den Heizkreis 180 mit dem mindestens einen daran über einen Vorlauf V7 angeschlossenen thermischen Verbraucher 190 förderbar. Bei dem mindestens einen thermischen Verbraucher 190 kann es sich zum Beispiel um einen nicht dargestellten, konventionellen (Rippen-)Heizkörper, einen Konvektor, einen Flächenheizkörper bzw. einen Plattenheizkörper, eine Fußbodenheizung, einen Deckenstrahler oder dergleichen handeln. Der zweite Rücklauf R3 der hydraulischen Weiche 130 ist bevorzugt mit dem Rücklauf R4 des Wärmeübertragers 142 des Brauchwasserspeichers 140 und mit dem Rücklauf R6 des Heizkreises 180 gekoppelt, an den illustrativ der mindestens eine Rücklauf R7 des mindestens einen thermischen Verbrauchers 190 des Heizkreises 180 angeschlossen ist.
  • Darüber hinaus ist illustrativ mindestens eine Verbrauchsstelle 200 für temperiertes Brauchwasser 146 bzw. eine Brauchwasserzapfstelle an einen Ausgang A1 des Brauchwasserspeichers 140 angeschlossen. Bei der Verbrauchsstelle 200 kann es sich beispielsweise um einen Duschkopf, einen Badewanneneinlass, einen Wasserhahn oder dergleichen handeln. Ein Eingang E1 des Brauchwasserspeichers 140 ist illustrativ mittels eines zweiten 3-Wege-Stellglieds 162 mit einem Brauchwasserzufluss 210, z.B. aus dem öffentlichen Wasserversorgungsnetz, für die Zufuhr von Brauchwasser 146 mit niedriger Temperatur und mit einer Verbindungsleitung 212 verbunden. Die Verbindungsleitung 212 ist ihrerseits beispielhaft an den Ausgang A1 des Brauchwasserspeichers 140 angeschlossen, so dass der Verbrauchsstelle 200 zur schnellen Temperierung im Bedarfsfall Brauchwasser 146 mit niedriger Temperatur mittels des zweiten 3-Wege-Stellglieds 162 zumischbar ist.
  • Mit Hilfe der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 220 werden vorzugsweise die dieser bevorzugt zugeordneten 3-Wege-Stellglieder 160, 162 sowie die beiden elektromotorisch betriebenen Pumpen 150, 152 in Abhängigkeit von einer Vielzahl von der besseren zeichnerischen Übersicht halber nicht dargestellten Temperatur- und Durchflusssensoren umfassend kontrolliert, das heißt geregelt und/oder gesteuert. Neben Temperatur- und Durchflusssensoren können andere Typen von Sensoren vorgesehen sein. Infolgedessen ist unter allen praktisch auftretenden Betriebsbedingungen des Hybridheizsystems 100 dessen hohe Energieeffizienz gewährleistet. Die der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 220 zugeordneten Temperatur- und Durchflusssensoren können zum Beispiel innerhalb der Vorläufe V1,...,7, der Rückläufe R1,...,7, des Brauchwasserzuflusses 210, in der Verbindungsleitung 212, im Bereich des Brauchwasserspeichers 140 zur Erfassung der Temperatur des darin bevorrateten Brauchwassers 146, im Bereich der Verbrauchsstelle 200, im Bereich des Wärmeübertragers 142, im Bereich der hydraulischen Weiche 130, im Bereich der Wärmepumpe 110, im Bereich der Wärmezelle 122, im Bereich des mindestens einen thermischen Verbrauchers 190 oder einer Außenumgebung eines mit dem Hybridheizsystem 100 zu temperierenden Gebäudes platziert sein. Die beiden bevorzugt elektromotorisch betätigbaren 3-Wege-Stellglieder 160, 162 weisen vorzugsweise keine individuell schaltbaren Anschlüsse auf, was mittels der jeweils drei unausgefüllten Dreiecke symbolisiert ist. Die 3-Wege-Stellglieder 160, 162 können beispielsweise als stetig arbeitende 3-Wege-Mischventile, als diskontinuierlich wirkende Schalt- bzw. Umschaltventile, oder als eine Kombination hiervon ausgeführt sein.
  • Die Wärmezelle 122 des Heizgeräts 120 ist in Abhängigkeit von den Vorgaben der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 220 bevorzugt permanent von dem Wärmeträgermedium 124 durchströmt. Der Wärmeübertrager 142 im Brauchwasserspeicher 140 ist bevorzugt in Abhängigkeit vom aktuellen Zustand des von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 220 kontrollierten zweiten 3-Wege-Stellglieds 162 mit der notwendigen, das heißt insbesondere nach Benutzervorgaben, ausreichenden Wärme versorgt, wodurch sich eine entsprechende Temperatur des im Brauchwasserspeicher 140 bevorrateten Brauchwassers 146 einstellt. In Abhängigkeit von den Vorgaben der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 220 können hierbei sowohl die Wärmepumpe 110 als auch das Heizgerät 120 unabhängig voneinander, oder gemeinsam, das Brauchwasser 146 im Brauchwasserspeicher 140 mittels des Wärmeübertragers 142 temperieren.
  • Aufgrund der Einbindung der Wärmepumpe 110 mittels der hydraulischen Weiche 130 anstelle eines ansonsten vorzusehenden, konventionellen Pufferspeichers, sind bevorzugt unter anderem ein Volumenstrom sowie eine Temperaturspreizung des Wärmeträgermediums 124 an dem zeichnerisch nicht dargestellten Kondensator der Wärmepumpe 110 - das heißt im Bereich des Vorlaufs V1 und des Rücklaufs R1 der Wärmepumpe 110 - beeinflussbar. Aufgrund des entfallenden großvolumigen Pufferspeichers ermöglicht das Hybridheizsystem 100 eine energieeffiziente Bereitstellung von Heizwärme und temperiertem Brauchwasser 146, da eine direkte Wärmeversorgung des Heizkreises 180 und des Warmwasserspeichers 140 mittels der Wärmepumpe 110 und/oder des Heizgeräts 120 energieeffizienter ist als eine indirekte Temperierung mittels der in einem großvolumigen Pufferspeicher zwischengespeicherten Wärme. Zugleich ermöglicht das Hybridheizsystem 100 einen verminderten Platzbedarf sowie reduzierte Investitions- und Wartungskosten.

Claims (9)

  1. Hybridheizsystem (100) zum Bereitstellen von Brauchwasser (146) und Heizungswärme, umfassend eine Wärmepumpe (110) und ein Heizgerät (120) mit einer Wärmezelle (122), wobei ein Brauchwasserspeicher (140) durch die Wärmepumpe (110) und/oder die Wärmezelle (122) mittels eines Wärmeträgermediums (124) temperierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (110) mittels einer hydraulischen Weiche (130) mit einem Heizkreis (180) gekoppelt ist, wobei die Wärmepumpe (110) und die Wärmezelle (122) seriell an den Brauchwasserspeicher (140) angebunden sind.
  2. Hybridheizsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium (124) Wasser aufweist.
  3. Hybridheizsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brauchwasserspeicher (140) einen Wärmeübertrager (142) aufweist.
  4. Hybridheizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorlauf (V1) der Wärmepumpe (110) mit einem ersten Vorlauf (V2) der hydraulischen Weiche (130) verbunden ist und ein Rücklauf (R1) der Wärmepumpe (110) mit einem ersten Rücklauf (R2) der hydraulischen Weiche (130) verbunden ist, wobei in dem Rücklauf (R1) der Wärmepumpe (110) oder in dem Vorlauf (V1) der Wärmepumpe (110) eine erste Pumpe (150) angeordnet ist.
  5. Hybridheizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorlauf (V3) der Wärmezelle (122) mittels eines ersten 3-Wege-Stellglieds (160) mit einem Vorlauf (V4) des Wärmeübertragers (142) des Brauchwasserspeichers (140) und mit einem Vorlauf (V5) des Heizkreises (180) verbunden ist, und ein Rücklauf (R5) der Wärmezelle (122) mit einem zweiten Vorlauf (V6) der hydraulischen Weiche (130) verbunden ist, wobei in dem Rücklauf (R5) der Wärmezelle (122) oder in dem Vorlauf (V3) der Wärmezelle (122) eine zweite Pumpe (152) angeordnet ist.
  6. Hybridheizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorlauf (V5) des Heizkreises (180) mit mindestens einem Vorlauf (V7) mindestens eines thermischen Verbrauchers (190) des Heizkreises (180) verbunden ist, und der zweite Rücklauf (R3) der hydraulischen Weiche (130) mit einem Rücklauf (R4) des Wärmeübertragers (142) des Brauchwasserspeichers (140) verbunden ist, und der zweite Rücklauf (R3) der hydraulischen Weiche (130) über einen Rücklauf (R6) des Heizkreises (180) mit mindestens einem Rücklauf (R7) des mindestens einen thermischen Verbrauchers (190) des Heizkreises (180) verbunden ist.
  7. Hybridheizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Verbrauchsstelle (200) für das Brauchwasser (146) an einen Ausgang (A1) des Brauchwasserspeichers (140) angeschlossen ist, und ein Eingang (Ei) des Brauchwasserspeichers (140) mittels eines zweiten 3-Wege-Stellglieds (162) mit einem Brauchwasserzufluss (210) und mit einer Verbindungsleitung (212) verbunden ist.
  8. Hybridheizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (220) vorgesehen ist.
  9. Hybridheizsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (220) der Wärmeübertrager (142) des Brauchwasserspeichers (140) durch die Wärmezelle (122) und/oder die Wärmepumpe (110) temperierbar ist.
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