EP4435332A1 - Heizsystem für eine immobilie und verfahren zum betrieb eines heizsystems - Google Patents

Heizsystem für eine immobilie und verfahren zum betrieb eines heizsystems Download PDF

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EP4435332A1
EP4435332A1 EP24164399.8A EP24164399A EP4435332A1 EP 4435332 A1 EP4435332 A1 EP 4435332A1 EP 24164399 A EP24164399 A EP 24164399A EP 4435332 A1 EP4435332 A1 EP 4435332A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat
heating
storage tank
fluid
fresh water
Prior art date
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Pending
Application number
EP24164399.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lionel Mathieu
Nicolas Morilleau
Patrice Richard
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.)
Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant 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 Vaillant GmbH filed Critical Vaillant GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • F24D3/00—Hot-water central heating systems
    • F24D3/08—Hot-water central heating systems in combination with systems for domestic hot-water supply
    • 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
    • F24D12/00—Other central heating systems
    • F24D12/02—Other central heating systems having more than one heat source
    • 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
    • F24D17/00—Domestic hot-water supply systems
    • F24D17/0089—Additional heating means, e.g. electric heated buffer tanks or electric continuous flow heaters, located close to the consumer, e.g. directly before the water taps in bathrooms, in domestic hot water lines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24D2200/12—Heat pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
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    • F24D2200/14—Solar energy
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    • F24D2220/00—Components of central heating installations excluding heat sources
    • F24D2220/08—Storage tanks
    • 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
    • F24D3/00—Hot-water central heating systems
    • F24D3/005—Hot-water central heating systems combined with solar energy

Definitions

  • the invention relates to a heating system for a property, at least having a supply system for warm fresh water (in particular drinkable water), a heating water circulation system that comprises a fluid as a heat carrier, a storage tank with a volume that can be tempered by a heat pump (or another heat generator that can be operated using renewable energy), and a (backup) heat generator.
  • the invention further relates to a method for operating such a heating system.
  • the invention is particularly directed at integrating renewable energy technologies or energy generated in this way into heating systems of real estate, residential units or apartment buildings.
  • heating water circulation systems e.g. circulation systems for radiators, central heating, etc.
  • supply systems for warm fresh water domestic hot water - DHW
  • the heat-transporting fluid flowing through the heating water circulation system is usually heated by generally known heat generators (wall-hung boilers - WHB; in particular wall-hung heat generators). These can be designed as pure heating devices for the fluid or as combination devices (then also for heating the fluid). Wall heating devices are in particular circulating water heaters that can use heating oil, gas or electrical energy as fuel. These heat generators in particular have generally known condensing technology.
  • the calorific value of the fuel used is used by cooling the exhaust gases below the dew point of the exhaust gases so that the water vapor contained in them condenses and the resulting Condensation heat can also be used. This greatly reduces exhaust gas losses in particular. Heat conduction and radiation losses are also reduced due to the lower system temperatures.
  • the warm fresh water is heated in particular using renewable energies, e.g. via a central system that supplies several residential units (e.g. a solar system) or via a system that only supplies one residential unit, e.g. a generally known heat pump.
  • a heat pump transfers heat from an environmental heat source (air, soil, water) using a refrigerant circuit to the heat utilization side for heating water/hot water preparation.
  • a refrigerant circuit energy is taken from or transferred to the coolant circuit through the evaporation, compression and condensation of a refrigerant.
  • the refrigerant circuit includes all elements of the heat pump or refrigeration system involved in the generation or transport of cold or heat, such as evaporators, compressors, pipes, etc. that contain or transport the coolant.
  • renewable energies it is therefore desirable to increase the share of renewable energies in the total energy consumption in properties.
  • the area of application for renewable energies must be expanded.
  • a compact heating system must be provided that can be retrofitted in existing properties or can replace existing heating systems.
  • the EP 3 617 601 A1 shows a hot water system in which a storage tank is heated with a heat pump. Drinking water is then passed through a heat exchanger in the storage tank and then fed to a circulation line in which an additional heating device is arranged. A heating device for heating a building is not disclosed.
  • the CH 708 784 A2 describes a hot water system for providing drinking water, in which drinking water is heated in a hot water tank, whereby a heating element is arranged in the hot water tank, which is fed by a renewable energy source. To further heat the drinking water, a continuous flow heater is arranged downstream of the hot water tank.
  • the device shown is not suitable for heating a building.
  • the EN 10 2020 127 443 A1 shows an air conditioning system for a building with a stratified storage tank for storing a liquid that is heated by a heat pump.
  • a heat exchanger for heating drinking water is fed at least partially with liquid directly from a return line of a heat distribution system.
  • the stratified storage tank can also include a heating device that additionally heats the liquid contained therein. The disadvantage of this device is that it is not sufficiently energy efficient.
  • the EN 10 244 339 A1 relates to a heating system for heating a building and for supplying hot water.
  • the heating system has a hot water tank, divided into a low-temperature tank and a high-temperature tank, for heated drinking water, and a heating water tank for heated heating water.
  • the low-temperature tank is arranged inside the heating water tank and the high-temperature tank is arranged outside the heating water tank. This design is very complex and time-consuming.
  • a heating system for a property contributes to this, at least having a supply system for warm fresh water, a heating water circulation system that includes a fluid as a heat carrier, a storage tank with a volume that can be tempered by a heat pump, and a (backup) heat generator.
  • the fluid and the fresh water can be heated via the storage tank and at least the fresh water can then be heated via the heat generator.
  • the storage tank and the heat generator are therefore connected exclusively in series.
  • the heating system includes in particular all components that are used to heat fresh water and to heat/temper a property.
  • the (cold) fresh water is supplied to the property via a fresh water system and distributed there via a supply system and heated (locally).
  • the heated fresh water can then be used by the residents of the property (for personal hygiene, as drinking water, etc.) and, if necessary, returned to the sewage system.
  • the heating water circulation system is used in particular to regulate the temperature of the property (e.g. via radiators, etc.).
  • a fluid e.g. water
  • the pipe system is designed as a circulation system, i.e. the fluid is conveyed through a circuit (heating water circulation system).
  • the heat pump transfers heat from an environmental heat source (air, soil, water) by means of a coolant circuit to the heat utilization side for heating water/hot water preparation.
  • energy is taken from the coolant circuit or given off to it by evaporation, compression and condensation of a coolant.
  • the heat pump is therefore used to convert renewable energy. Any additional energy required is provided, in particular for heating or compressing the coolant.
  • the heat pump is proposed for controlling the temperature of a storage tank.
  • the storage tank in particular has a volume that is at least partially filled with the fluid of the heating water circulation system.
  • the storage tank therefore has at least one inlet and one outlet for the fluid, wherein the fluid within the storage tank is heated by the operation of the heat pump.
  • the fresh water is also heated via the storage tank or the heat pump.
  • the fresh water and the fluid are fluidically separated from one another.
  • the fresh water is fed within the property through a pipe which extends at least partially, e.g. in a spiral shape, through the volume of the storage tank.
  • the fresh water can thus be heated in particular by the fluid that flows around the pipe.
  • the pipe can thus be connected to a public fresh water system and have one or more outlets within the property.
  • the fresh water already heated by the storage tank (and possibly also the fluid, fluidically separated from the fresh water) can be further heated subsequently, i.e. downstream of the storage tank, by a heat generator.
  • the storage tank does not have a clear flow direction for the fluid stored therein.
  • the fluid does not flow along a predetermined flow path (as in a pipe), but rather arranges itself depending on its temperature or density. Heated fluid will therefore flow upwards, while cold fluid will (initially) settle at the bottom of the tank, for example.
  • the heat generator e.g. wall-hung boiler-WHB; i.e. in particular wall-mounted heat generators
  • a fuel and/or electricity to heat a fluid, in this case at least the fresh water (or additionally the fluid).
  • the fresh water (and possibly the fluid) already heated by the storage tank can therefore be further heated by the heat generator, in particular as required.
  • the heat generator is designed as an electric resistance heater with an output of 10 to 12 kilowatts.
  • the present heating system proposes for the first time that a heat pump and a heat generator for heating fresh water be connected (exclusively) in series.
  • the heat pump is also used to heat the fluid used to heat the property. Due to the storage of heat in the storage tank and the possibility of preheating the fresh water, the heat pump can be made smaller and have a lower heating capacity, and a heat generator with a lower heating output can be used.
  • the share of renewable energies in the total energy consumption can now be increased because the heat pump, which can be operated using renewable energies, is now also used to heat the fluid.
  • the heat pump can also be operated at low temperatures (approx. 35 to 45 degrees Celsius), making it flexible and highly effective.
  • the fresh water flows to the heat generator via a line that extends at least partially through the volume.
  • the line extends in particular through the volume of the storage tank and is acted upon by the first fluid therein.
  • the line extends through the volume in a spiral or similar shape, whereby an effective heat transfer from the fluid to the fresh water can be ensured.
  • the fluid downstream of the storage tank can also be heated via the heat generator.
  • the heat generator is operated as a so-called combination device, which can heat the fresh water on the one hand and the fluid on the other to a desired temperature.
  • the fresh water within the volume can be heated by the fluid.
  • the fresh water flows through a pipe that is contacted by the fluid within the volume.
  • the heat pump and the heat generator are arranged in separate housings.
  • the storage tank can therefore also be used jointly for different residential units.
  • the heat pump and the heat generator can be arranged in smaller-volume housings and can therefore be more easily integrated into existing residential properties.
  • the heat pump and the heat generator are arranged in a common first housing.
  • this makes it possible to provide a compact unit that may require less space overall than the two separate housings.
  • the storage tank is the only component of the heating system for storing heat.
  • At least the heat pump, the storage tank and the heat generator are arranged within a residential unit of the property.
  • a heat pump and/or a storage tank can also be used jointly by several residential units.
  • the property comprises a plurality of independent residential units, wherein at least one heat pump, one storage tank and one heat generator are arranged in each of the residential units.
  • the heat pumps of the individual residential units can be supplied with heat energy by a shared energy generation system, e.g. by geothermal energy, by a solar system or by a (room air or outside air) ventilation system.
  • a shared energy generation system e.g. by geothermal energy, by a solar system or by a (room air or outside air) ventilation system.
  • the heating system has at least one supply system for warm fresh water, a heating water circulation system that includes a fluid as a heat carrier, a storage tank with a volume that can be tempered by a heat pump, and a heat generator.
  • a heating water circulation system that includes a fluid as a heat carrier, a storage tank with a volume that can be tempered by a heat pump, and a heat generator.
  • the fluid and the fresh water are initially heated via the storage tank and at least the fresh water (and possibly also the fluid) are subsequently heated via the heat generator.
  • the present heating system and method propose an (exclusively) serial connection of a heat pump and a heat generator for heating fresh water.
  • the heat pump is also used to heat the fluid used to heat the property. Due to the storage of heat in the storage tank and the possibility of preheating the fresh water, the heat pump can be made smaller and a heat generator with a smaller heating output can be used.
  • the share of renewable energies in the total energy consumption can now be increased because the heat pump, which can be operated using renewable energies, is now also used to heat the fluid.
  • Fig.1 shows the first design variant of a known heating system 1 in a property 2 with a plurality of residential units 14, here for example with three residential units 14.
  • the heating water circulation system 5 and the supply system 3 for warm fresh water 4.
  • the heat-transporting fluid 6 flowing through the heating water circulation system 5 is heated by heat generators 10. These are designed as pure heating devices for the fluid 6.
  • the warm fresh water 4 is supplied via renewable energies.
  • a solar system 15 is provided, which acts as a central system to supply several residential units 14.
  • Fig. 2 shows a second embodiment of a known heating system 1 in a property 2 with a plurality of residential units 14, here for example with three residential units 14.
  • the heat-transporting fluid 6 flowing through the heating water circulation system 5 is heated by heat generators 10. These are designed as pure heating devices for the fluid 6.
  • the warm fresh water 4 is heated using renewable energies, with each residential unit 14 having a heat pump 7.
  • the heat pumps 7 are supplied with warm air via a ventilation system 16.
  • This ventilation system 16 supplies several residential units 14 as a central system.
  • Fig.3 shows a first embodiment of a heating system 1.
  • the heating system 1 has a supply system 3 for warm fresh water 4, a heating water circulation system 5 which comprises a fluid 6 as a heat carrier, a storage tank 8 with a volume 9 which can be tempered by a heat pump 7, and a heat generator 10.
  • the fluid 6 and the fresh water 4 can be heated via the storage tank 8 and subsequently via the heat generator 10.
  • the volume 9 of the storage tank 8 is filled with the fluid 6 of the heating water circulation system 5.
  • the storage tank 8 has an inlet (bottom right on the storage tank 8) and an outlet (top right) for the fluid 6, whereby the fluid 6 within the storage tank 8 is heated by the operation of the heat pump 7.
  • the fresh water 4 is also heated via the storage tank 8 or the heat pump 7.
  • the fresh water 4 and the fluid 6 are fluidically separated from one another.
  • the fresh water 4 is guided through a pipe 11, which extends at least partially in a spiral shape through the volume 9 of the storage tank 8.
  • the fresh water 4 can thus be heated by the fluid 6 that flows around the pipe 11.
  • the pipe 11 is connected to a public fresh water system and has an outlet 17 within the property 2. Both the The fresh water 4 already heated by the storage tank 8 as well as the fluid 6 can subsequently be further heated by the heat generator 10, i.e. downstream of the storage tank 8.
  • the heat pump 7 has a first housing 12 and the heat generator 10 has a second housing 13.
  • Fig.4 shows a second variant of a heating system 1.
  • the heat pump 7 and the heat generator 10 are designed as a single unit, i.e. they are arranged within a common first housing 12.
  • the fresh water 4 can also be subsequently heated (electrically) via the heat generator 10.
  • the volume 9 of the storage tank 8 is filled with the fluid 6 of the heating water circulation system 5.
  • the storage tank 8 has an inlet (bottom right of the storage tank 8) and an outlet (top, towards the heat generator 10) for the fluid 6, with the fluid 6 within the storage tank 8 being heated by the operation of the heat pump 7.
  • the fresh water 4 is also heated via the storage tank 8 or the heat pump 7.
  • the fresh water 4 and the fluid 6 are fluidically separated from one another.
  • the fresh water 4 is guided through a line 11 which extends at least partially in a spiral shape through the volume 9 of the storage tank 8.
  • the fresh water 4 can thus be heated by the fluid 6 that flows around the line 11.
  • the line 11 is connected to a public fresh water system and has an outlet 17 within the property 2. Fluid 6 can be further heated via the heat generator 10.
  • Fig.5 shows a third embodiment of a heating system 1 in a property 2 with a plurality of residential units 14, here for example with three residential units 14.
  • the heating system 1 of each residential unit 14 is as in Figure 3
  • the heat-transporting fluid 6 flowing through the heating water circulation system 5 and the fresh water 4 are preheated or heated using renewable energies and, if necessary, further heated to a desired temperature using a heat generator 10.
  • Each Residential unit 14 has a heat pump 7 and a heat generator 10.
  • the heat pumps 7 are supplied with warm air via a ventilation system 16.
  • This ventilation system 16 acts as a central system and supplies several residential units 14.
  • Fig.6 shows a fourth embodiment of a heating system 1 in a property 2 with a plurality of residential units 14, here for example with three residential units 14.
  • the heating system 1 of each residential unit 14 is similar to Figure 3 shown.
  • the heat-transporting fluid 6 flowing through the heating water circulation system 5 and the fresh water 4 are preheated or heated using renewable energies and, if necessary, further heated to a desired temperature using a heat generator 10.
  • Each residential unit 14 has a heat pump 7 and a heat generator 10.
  • the heat pumps 7 are supplied with heated water from a solar system 15, which acts as a central system for supplying several residential units 14.

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Abstract

Heizsystem (1) für eine Immobilie (2) sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb. Das Heizsystem (1) weist zumindest ein Zuleitungssystem (3) für warmes Frischwasser (4), ein Heizwasserkreislaufsystem (5), das ein Fluid (6) als Wärmeträger umfasst, einen durch eine Wärmepumpe (7) temperierbaren Speichertank (8) mit einem Volumen (9) sowie einen Wärmeerzeuger (10) auf, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (6) und das Frischwasser (4) über den Speichertank (8) und zumindest das Frischwasser (4) nachfolgend über den Wärmeerzeuger (10) erwärmbar sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Heizsystem für eine Immobilie, zumindest aufweisend ein Zuleitungssystem für warmes Frischwasser (also insbesondere trinkbares Wasser), ein Heizwasserkreislaufsystem, das ein Fluid als Wärmeträger umfasst, einen durch eine Wärmepumpe (oder einen anderen, durch erneuerbare Energie betreibbaren Wärmeerzeuger) temperierbaren Speichertank mit einem Volumen sowie einen (Backup-)Wärmeerzeuger. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Heizsystems.
  • Die Erfindung ist insbesondere darauf gerichtet, Technologien zur erneuerbaren Energie bzw. derartig erzeugte Energie in Heizsystemen von Immobilien bzw. Wohneinheiten bzw. Mehrfamilienhäusern zu integrieren.
  • In bekannten Heizsystemen wird üblicherweise eine Trennung von Heizwasserkreislaufsystemen (also z. B. Umlaufsysteme für Heizkörper, Zentralheizung, etc.) und Zuleitungssystemen für warmes Frischwasser (domestic hot water - DHW) vorgenommen. Dabei wird das durch das Heizwasserkreislaufsystem strömende, wärmetransportierende Fluid üblicherweise über grundsätzlich bekannte Wärmeerzeuger (wall-hung boiler - WHB; also insbesondere wandhängende Wärmeerzeuger) beheizt. Diese können sowohl als reines Heizgerät für das Fluid als auch als Kombigerät (dann auch zum Erwärmen des Fluids) ausgeführt sein. Wandheizgeräte sind insbesondere Umlaufwasserheizer, die als Brennstoff sowohl Heizöl, Gas oder auch elektrische Energie verwenden können. Diese Wärmeerzeuger weisen insbesondere grundsätzlich bekannte Brennwert-Technik auf. Dabei wird der Brennwert des eingesetzten Brennstoffes genutzt, indem die Abgase unter den Taupunkt des Abgases abkühlt werden, so dass der enthaltene Wasserdampf kondensiert und die dabei freiwerdende Kondensationswärme zusätzlich genutzt werden kann. Dadurch wird insbesondere der Abgasverlust stark reduziert. Wärmeleitungs- und Strahlungsverluste werden durch die niedrigeren Systemtemperaturen ebenfalls reduziert. Das warme Frischwasser wird insbesondere über erneuerbare Energien erwärmt, z. B. über eine zentrale Anlage, die mehrere Wohneinheiten versorgt (z. B. eine Solaranlage) oder über eine Anlage, die nur eine Wohnungseinheit versorgt, z. B. eine grundsätzlich bekannte Wärmepumpe. Eine Wärmepumpe überträgt Wärme von einer Umwelt-Wärmequelle (Luft, Erdreich, Wasser) mittels eines Kältemittelkreises auf die Wärmenutzungsseite zur Heizwasser-/Warmwasserbereitung. In einem Kältemittelkreis wird durch Verdampfen, Kompression und Kondensation eines Kältemittels Energie aus dem Kälteträgerkreis entnommen oder an ihn abgegeben. Zum Kältemittelkreis gehören alle an der Erzeugung oder dem Transport der Kälte oder Wärme beteiligten Elemente der Wärmepumpe oder Kälteanlage wie z.B. Verdampfer, Verdichter, Rohrleitungen etc., die das Kältemittel beinhalten bzw. transportieren.
  • Der Einsatz erneuerbarer Energien ist heutzutage auf das Erwärmen des Frischwassers beschränkt. Damit ist sein Anteil am Gesamtenergieverbrauch in Immobilien begrenzt. Gerade in Mehrfamilienhäusern ist ein Wechsel hin zu Wärmepumpen jedoch schwierig, weil die Integration derartiger, großvolumiger Anlagen (Bedarf an hohen Luftvolumenströmen und an großen Außenbereichen für Außengeräte), die für die Erwärmung von Frischwasser und für Heizwasserkreislaufsysteme benötigt werden, am vorhandenen Platzangebot scheitert.
  • Es ist daher wünschenswert, den Anteil erneuerbarer Energien am Gesamtenergieverbrauch in Immobilien zu erhöhen. Insbesondere ist dabei das Einsatzgebiet für erneuerbare Energien zu erweitern. Dabei ist ein kompakt bauendes Heizsystem bereitzustellen, dass insbesondere in bestehenden Immobilien nachträglich verbaut werden bzw. bestehende Heizsysteme ersetzen kann.
  • Die EP 3 617 601 A1 zeigt ein Warmwassersystem, bei dem ein Speicher mit einer Wärmepumpe erwärmt wird. Weiter wird Trinkwasser durch einen Wärmetauscher des Speichers geführt und anschließend einer Zirkulationsleitung zugeführt wird, in der eine zusätzliche Heizeinrichtung angeordnet ist. Eine Heizeinrichtung zum Heizen eines Gebäudes wird nicht offenbart.
  • Auch die CH 708 784 A2 beschreibt ein Warmwassersystem zur Bereitstellung von Trinkwasser, bei dem Trinkwasser in einem Warmwasserbehälter erwärmt wird, wobei hierzu ein Heizelement im Warmwasserbehälter angeordnet ist, das von einer regenerativen Energiequelle gespeist wird. Zum weiteren Erwärmen des Trinkwassers ist dem Warmwasserspeicher ein Durchlauferhitzer nachgeordnet. Zum Heizen eines Gebäudes ist die gezeigte Vorrichtung nicht geeignet.
  • Die DE 10 2020 127 443 A1 zeigt eine Klimatisierungsanlage für ein Gebäude mit einem Schichtenspeicher zum Speichern einer Flüssigkeit, die von einer Wärmepumpe erwärmt wird. Dabei wird einem Wärmetauscher zum Erwärmen von Trinkwasser zumindest teilweise Flüssigkeit direkt aus einem Rücklauf eines Wärmeverteilsystems zugeführt. Der Schichtenspeicher kann zudem eine Heizeinrichtung umfassen, die enthaltene Flüssigkeit zusätzlich erwärmt. Diese Vorrichtung ist nachteilig nicht ausreichend energieeffizient.
  • Die DE 10 244 339 A1 betrifft eine Heizungsanlage zum Heizen eines Gebäudes und zur Warmwasserversorgung. Die Heizungsanlage weist einen Warmwasserspeicher, unterteilt in einen Niedertemperaturspeicher und einen Hochtemperaturspeicher, für erwärmtes Trinkwasser sowie einen Heizwasserspeicher für erwärmtes Heizwasser auf. Dabei ist der Niedertemperaturspeicher innerhalb des Heizwasserspeichers und der Hochtemperaturspeicher außerhalb des Heizwasserspeichers angeordnet. Diese Ausgestaltung ist sehr aufwendig und komplex.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Heizsystem für eine Immobilie und ein Verfahren zum Betrieb eines Heizsystems vorzuschlagen, mit denen die genannten Probleme zumindest teilweise überwunden und/oder Zielsetzungen zumindest teilweise erreicht werden.
  • Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsvarianten sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale können in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden und ggf. auch mit Merkmalen der Beschreibung ergänzt bzw. präzisiert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, erläutert die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an.
  • Hierzu trägt ein Heizsystem für eine Immobilie bei, zumindest aufweisend ein Zuleitungssystem für warmes Frischwasser, ein Heizwasserkreislaufsystem, das ein Fluid als Wärmeträger umfasst, einen durch eine Wärmepumpe temperierbaren Speichertank mit einem Volumen sowie einen (Backup-)Wärmeerzeuger. Dabei sind das Fluid und das Frischwasser über den Speichertank und zumindest das Frischwasser nachfolgend über den Wärmeerzeuger erwärmbar. Der Speichertank und der Wärmeerzeuger sind damit insbesondere ausschließlich seriell verschaltet.
  • Das Heizsystem umfasst insbesondere alle Komponenten, die zur Erwärmung von Frischwasser und zum Beheizen/ Temperieren einer Immobilie eingesetzt werden. Das (kalte) Frischwasser wird dabei über ein Frischwassersystem der Immobilie zugeführt und dort über ein Zuleitungssystem verteilt und (lokal) erwärmt. Das erwärmte Frischwasser kann dann durch die Bewohner der Immobilie (zur Körperhygiene, als Trinkwasser, etc.) genutzt werden und ggf. in das Abwassersystem zurückgeführt werden.
  • Das Heizwasserkreislaufsystem dient insbesondere der Temperierung der Immobilie (also z. B. über Heizkörper etc.). Dabei wird ein Fluid (z. B. Wasser) durch ein (geschlossenes) Leitungssystem der Immobilie transportiert. Das Fluid wird in der Immobilie erwärmt und Heizkörpern zugeführt. Das Leitungssystem ist dabei als Umlaufsystem ausgeführt, d. h. das Fluid wird durch einen Kreislauf gefördert (Heizwasserkreislaufsystem).
  • Die Wärmepumpe überträgt Wärme von einer Umwelt-Wärmequelle (Luft, Erdreich, Wasser) mittels eines Kältemittelkreises auf die Wärmenutzungsseite zur Heizwasser-/Warmwasserbereitung. In dem Kältemittelkreis wird durch Verdampfen, Kompression und Kondensation eines Kältemittels Energie aus dem Kälteträgerkreis entnommen oder an ihn abgegeben. Die Wärmepumpe dient also der Umsetzung von erneuerbarer Energie. Dabei wird ggf. zusätzlich erforderliche Energie insbesondere zum Erwärmen bzw. zur Kompression des Kältemittels bereitgestellt. Vorliegend wird die Wärmepumpe zur Temperierung eines Speichertanks vorgeschlagen. Der Speichertank weist insbesondere ein Volumen auf, dass zumindest teilweise durch das Fluid des Heizwasserkreislaufsystems gefüllt ist. Insbesondere weist also der Speichertank zumindest einen Einlass und einen Auslass für das Fluid auf, wobei das Fluid innerhalb des Speichertanks durch den Betrieb der Wärmepumpe erwärmt wird.
  • Über den Speichertank bzw. die Wärmepumpe wird insbesondere auch das Frischwasser erwärmt. Dabei sind das Frischwasser und das Fluid fluidtechnisch voneinander getrennt. Insbesondere wird das Frischwasser innerhalb der Immobilie durch eine Leitung geführt, die sich zumindest teilweise, z. B. spiralförmig, durch das Volumen des Speichertanks erstreckt. Das Frischwasser kann damit insbesondere durch das Fluid, dass die Leitung umströmt, erwärmt werden. Die Leitung kann damit an ein öffentliches Frischwassersystem angeschlossen sein und innerhalb der Immobilie einen oder mehrere Auslässe aufweisen. Das durch den Speichertank bereits erwärmte Frischwasser (und ggf. auch das Fluid, fluidtechnisch von dem Frischwasser getrennt) kann insbesondere nachfolgend, also stromabwärts des Speichertanks, durch einen Wärmeerzeuger weiter erwärmt werden.
  • Der Speichertank weist gegenüber einer Leitung insbesondere keine eindeutige Strömungsrichtung des darin bevorrateten Fluids auf. In dem Speichertank strömt das Fluid also insbesondere nicht entlang eines vorgegebenen Strömungspfads (wie in einer Leitung), sondern ordnet sich in Abhängigkeit von seiner Temperatur bzw. Dichte an. Erwärmtes Fluid wird also insbesondere nach oben strömen während kaltes Fluid sich z. B. am Boden des Speichers (zunächst) absetzt.
  • Der Wärmeerzeuger (z. B. wall-hung boiler-WHB; also insbesondere wandhängende Wärmeerzeuger) setzt einen Brennstoff und/oder Elektrizität zur Erwärmung eines Fluids, hier also zumindest des Frischwassers (oder zusätzlich des Fluids) ein. Das durch den Speichertank bereits erwärmte Frischwasser (und ggf. das Fluid) kann also insbesondere bedarfsweise über den Wärmeerzeuger weiter erwärmt werden.
  • Der Wärmeerzeuger ist insbesondere als elektrische Widerstandsheizung mit einer Leistung von 10 bis 12 Kilowatt ausgeführt.
  • Mit dem vorliegenden Heizsystem wird insbesondere erstmals vorgeschlagen, eine Wärmepumpe und einen Wärmeerzeuger zur Erwärmung von Frischwasser (ausschließlich) seriell zu verschalten. Dabei wird die Wärmepumpe zusätzlich zur Erwärmung des Fluids eingesetzt, das zur Heizung der Immobilie verwendet wird. Aufgrund der Speicherung von Wärme in dem Speichertank und der Möglichkeit der Vorheizung des Frischwassers lässt sich einerseits die Wärmepumpe kleinvolumiger und mit geringerer Heizkapazität ausführen und andererseits ein Wärmeerzeuger mit einer kleineren Heizleistung einsetzen. Zudem kann der Anteil an erneuerbaren Energien an dem Gesamtenergieverbrauch nun erhöht werden, weil die durch erneuerbare Energien betreibbare Wärmepumpe nun auch zur Erwärmung des Fluids eingesetzt wird. Weiter kann die Wärmepumpe bei niedrigen Temperaturen (ca. 35 bis 45 Grad Celsius) betrieben werden und ist somit flexibel einsetzbar und weist ein hohe Effektivität auf.
  • Insbesondere strömt das Frischwasser über eine, sich zumindest teilweise durch das Volumen hindurch erstreckende Leitung hin zu dem Wärmeerzeuger. Die Leitung erstreckt sich insbesondere durch das Volumen des Speichertanks hindurch und wird darin von dem ersten Fluid beaufschlagt. Insbesondere erstreckt sich die Leitung spiralförmig oder ähnlich geformt durch das Volumen, wodurch ein effektiver Wärmeübergang von dem Fluid auf das Frischwasser gewährleistet werden kann.
  • Insbesondere ist auch das Fluid nachfolgend zu dem Speichertank über den Wärmeerzeuger erwärmbar. Insbesondere wird der Wärmeerzeuger also als sogenanntes Kombigerät betrieben, durch das einerseits das Frischwasser und andererseits das Fluid auf eine gewünschte Temperatur erwärmbar ist.
  • Insbesondere ist das Frischwasser innerhalb des Volumens durch das Fluid erwärmbar. Dazu strömt das Frischwasser insbesondere durch eine Leitung, die innerhalb des Volumens von dem Fluid kontaktiert wird.
  • Insbesondere sind die Wärmepumpe und der Wärmeerzeuger in voneinander getrennten Gehäusen angeordnet sind. Insbesondere kann z. B. der Speichertank somit auch für verschiedene Wohneinheiten gemeinsam verwendet werden. Weiterhin können so die Wärmepumpe und der Wärmeerzeuger in jeweils kleinvolumigeren Gehäusen angeordnet sein und damit gerade in bestehenden Wohnimmobilien leichter integriert werden.
  • Alternativ sind die Wärmepumpe und der Wärmeerzeuger in einem gemeinsamen ersten Gehäuse angeordnet. Insbesondere lässt sich so eine kompakte Einheit bereitstellen, die ggf. insgesamt einen geringeren Platzbedarf aufweist als die zwei voneinander getrennten Gehäuse.
  • Insbesondere ist der Speichertank die einzige Komponente des Heizsystems zum Speichern von Wärme. Insbesondere ist also gerade kein zweiter Speichertank vorgesehen.
  • Insbesondere sind zumindest die Wärmepumpe, der Speichertank und der Wärmeerzeuger innerhalb einer Wohneinheit der Immobilie angeordnet. Insbesondere kann aber auch eine Wärmepumpe und/oder ein Speichertank von mehreren Wohneinheiten gemeinsam genutzt werden.
  • Insbesondere umfasst die Immobilie eine Mehrzahl von voneinander unabhängigen Wohneinheiten, wobei in jeder der Wohneinheiten zumindest eine Wärmepumpe, ein Speichertank sowie ein Wärmeerzeuger angeordnet sind.
  • Insbesondere können in einem Mehrfamilienhaus die Wärmepumpen der einzelnen Wohneinheiten durch eine gemeinsam genutzte Energieerzeugungsanlage mit Wärmeenergie versorgt werden, z. B. durch Erdwärme, durch eine Solaranlage oder durch eine (Raumluft- oder Außenluft-)Ventilationsanlage.
  • Es wird weiter ein Verfahren zum Betreiben eines Heizsystems für eine Immobilie, insbesondere des beschriebenen Heizsystems, vorgeschlagen. Das Heizsystem weist zumindest ein Zuleitungssystem für warmes Frischwasser, ein Heizwasserkreislaufsystem, das ein Fluid als Wärmeträger umfasst, einen durch eine Wärmepumpe temperierbaren Speichertank mit einem Volumen sowie einen Wärmeerzeuger auf. Insbesondere werden das Fluid und das Frischwasser zunächst über den Speichertank und zumindest das Frischwasser (und ggf. auch das Fluid) nachfolgend über den Wärmeerzeuger erwärmt.
  • Die Ausführungen zu dem Heizsystem gelten insbesondere in gleicher Weise für das beschriebene Verfahren.
  • Mit dem vorliegenden Heizsystem und dem Verfahren wird eine (ausschließlich) serielle Verschaltung einer Wärmepumpe und eines Wärmeerzeugers zur Erwärmung von Frischwasser vorgeschlagen. Dabei wird die Wärmepumpe zusätzlich zur Erwärmung des Fluids eingesetzt, das zum Beheizen der Immobilie verwendet wird. Aufgrund der Speicherung von Wärme in dem Speichertank und der Möglichkeit der Vorheizung des Frischwassers lässt sich einerseits die Wärmepumpe kleinvolumiger ausführen und andererseits ein Wärmeerzeuger mit einer kleineren Heizleistung einsetzen. Zudem kann der Anteil an erneuerbaren Energien an dem Gesamtenergieverbrauch nun erhöht werden, weil die durch erneuerbare Energien betreibbare Wärmepumpe nun auch zur Erwärmung des Fluids eingesetzt wird.
  • Die Erfindung wird nun anhand der Figuren detailliert erläutert. Die Skizzen sind nicht geeignet, Größenverhältnisse darzustellen. Sie sollen auch den Gegenstand der Erfindung nicht einschränken.
  • Es stellen dar:
    • Fig. 1:
    eine erste Ausführungsvariante eines bekannten Heizsystems;
    Fig. 2:
    eine zweite Ausführungsvariante eines bekannten Heizsystems;
    Fig. 3:
    eine erste Ausführungsvariante eines Heizsystems;
    Fig. 4:
    eine zweite Ausführungsvariante eines Heizsystems;
    Fig. 5:
    eine dritte Ausführungsvariante eines Heizsystems; und
    Fig. 6:
    eine vierte Ausführungsvariante eines Heizsystems.
  • Fig. 1 zeigt erste Ausführungsvariante eines bekannten Heizsystems 1 in einer Immobilie 2 mit einer Mehrzahl von Wohneinheiten 14, hier zum Beispiel mit drei Wohneinheiten 14. Hier liegt eine Trennung von Heizwasserkreislaufsystem 5 und Zuleitungssystem 3 für warmes Frischwasser 4 vor. Dabei wird das durch das Heizwasserkreislaufsystem 5 strömende, wärmetransportierende Fluid 6 über Wärmeerzeuger 10 beheizt. Diese sind als reines Heizgerät für das Fluid 6 ausgeführt. Das warme Frischwasser 4 wird über erneuerbaren Energien erwärmt. Dazu ist eine Solaranlage 15 vorgesehen, die als zentrale Anlage mehrere Wohneinheiten 14 versorgt.
  • Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsvariante eines bekannten Heizsystems 1 in einer Immobilie 2 mit einer Mehrzahl von Wohneinheiten 14, hier zum Beispiel mit drei Wohneinheiten 14. Hier liegt eine Trennung von Heizwasserkreislaufsystem 5 und Zuleitungssystem 3 für warmes Frischwasser 4 vor. Dabei wird das durch das Heizwasserkreislaufsystem 5 strömende, wärmetransportierende Fluid 6 über Wärmeerzeuger 10 beheizt. Diese sind als reines Heizgerät für das Fluid 6 ausgeführt. Das warme Frischwasser 4 wird über erneuerbaren Energien erwärmt, wobei jede Wohneinheit 14 eine Wärmepumpe 7 aufweist. Die Wärmepumpen 7 werden über eine Ventilationsanlage 16 mit warmer Luft versorgt. Diese Ventilationsanlage 16 versorgt als zentrale Anlage mehrere Wohneinheiten 14.
  • Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsvariante eines Heizsystems 1. Das Heizsystem 1 weist ein Zuleitungssystem 3 für warmes Frischwasser 4, ein Heizwasserkreislaufsystem 5, das ein Fluid 6 als Wärmeträger umfasst, einen durch eine Wärmepumpe 7 temperierbaren Speichertank 8 mit einem Volumen 9 sowie einen Wärmeerzeuger 10 auf. Dabei sind das Fluid 6 und das Frischwasser 4 über den Speichertank 8 und zusätzlich nachfolgend über den Wärmeerzeuger 10 erwärmbar. Das Volumen 9 des Speichertanks 8 ist durch das Fluid 6 des Heizwasserkreislaufsystems 5 gefüllt. Der Speichertank 8 weist einen Einlass (unten rechts am Speichertank 8) und einen Auslass (oben rechts) für das Fluid 6 auf, wobei das Fluid 6 innerhalb des Speichertanks 8 durch den Betrieb der Wärmepumpe 7 erwärmt wird. Über den Speichertank 8 bzw. die Wärmepumpe 7 wird auch das Frischwasser 4 erwärmt. Dabei sind das Frischwasser 4 und das Fluid 6 fluidtechnisch voneinander getrennt. Das Frischwasser 4 wird durch eine Leitung 11 geführt, die sich zumindest teilweise spiralförmig, durch das Volumen 9 des Speichertanks 8 erstreckt. Das Frischwasser 4 kann damit durch das Fluid 6, dass die Leitung 11 umströmt, erwärmt werden. Die Leitung 11 ist an ein öffentliches Frischwassersystem angeschlossen und weist innerhalb der Immobilie 2 einen Auslass 17 auf. Sowohl das durch den Speichertank 8 bereits erwärmte Frischwasser 4 als auch das Fluid 6 kann nachfolgend, also stromabwärts des Speichertanks 8, durch den Wärmeerzeuger 10 weiter erwärmt werden. Die Wärmepumpe 7 weist ein erstes Gehäuse 12 und der Wärmeerzeuger 10 ein zweites Gehäuse 13 auf.
  • Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsvariante eines Heizsystems 1. Auf die Ausführungen zu Figur 3 wird verwiesen. Im Unterschied zur ersten Ausführungsvariante sind Wärmepumpe 7 und Wärmeerzeuger 10 als einer Einheit ausgeführt, d. h. sind innerhalb eines gemeinsamen ersten Gehäuses 12 angeordnet. Hier ist das Frischwasser 4 zusätzlich zu der Erwärmung über den Speichertank 8 zusätzlich nachfolgend über den Wärmeerzeuger 10 (elektrisch) erwärmbar. Das Volumen 9 des Speichertanks 8 ist durch das Fluid 6 des Heizwasserkreislaufsystems 5 gefüllt. Der Speichertank 8 weist einen Einlass (unten rechts am Speichertank 8) und einen Auslass (oben, hin zum Wärmeerzeuger 10) für das Fluid 6 auf, wobei das Fluid 6 innerhalb des Speichertanks 8 durch den Betrieb der Wärmepumpe 7 erwärmt wird. Über den Speichertank 8 bzw. die Wärmepumpe 7 wird auch das Frischwasser 4 erwärmt. Dabei sind das Frischwasser 4 und das Fluid 6 fluidtechnisch voneinander getrennt. Das Frischwasser 4 wird durch eine Leitung 11 geführt, die sich zumindest teilweise spiralförmig, durch das Volumen 9 des Speichertanks 8 erstreckt. Das Frischwasser 4 kann damit durch das Fluid 6, dass die Leitung 11 umströmt, erwärmt werden. Die Leitung 11 ist an ein öffentliches Frischwassersystem angeschlossen und weist innerhalb der Immobilie 2 einen Auslass 17 auf. Fluid 6 kann über den Wärmeerzeuger 10 weiter erwärmt werden.
  • Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsvariante eines Heizsystems 1 in einer Immobilie 2 mit einer Mehrzahl von Wohneinheiten 14, hier zum Beispiel mit drei Wohneinheiten 14. Das Heizsystem 1 jeder Wohneinheit 14 ist wie in Figur 3 dargestellt ausgeführt. Das durch das Heizwasserkreislaufsystem 5 strömende, wärmetransportierende Fluid 6 und das Frischwasser 4 werden einerseits über erneuerbare Energien vorgewärmt bzw. erwärmt und ggf. über einen Wärmeerzeuger 10 auf eine gewünschte Temperatur weiter erwärmt. Jede Wohneinheit 14 weist eine Wärmepumpe 7 sowie einen Wärmeerzeuger 10 auf. Die Wärmepumpen 7 werden über eine Ventilationsanlage 16 mit warmer Luft versorgt. Diese Ventilationsanlage 16 versorgt als zentrale Anlage mehrere Wohneinheiten 14.
  • Fig. 6 zeigt eine vierte Ausführungsvariante eines Heizsystems 1 in einer Immobilie 2 mit einer Mehrzahl von Wohneinheiten 14, hier zum Beispiel mit drei Wohneinheiten 14. Das Heizsystem 1 jeder Wohneinheit 14 ist ähnlich wie in Figur 3 dargestellt ausgeführt. Das durch das Heizwasserkreislaufsystem 5 strömende, wärmetransportierende Fluid 6 und das Frischwasser 4 werden einerseits über erneuerbare Energien vorgewärmt bzw. erwärmt und ggf. über einen Wärmeerzeuger 10 auf eine gewünschte Temperatur weiter erwärmt. Jede Wohneinheit 14 weist eine Wärmepumpe 7 sowie einen Wärmeerzeuger 10 auf. Die Wärmepumpen 7 werden von einer Solaranlage 15, die als zentrale Anlage mehrere Wohneinheiten 14 versorgt, mit erwärmtem Wasser beaufschlagt.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Heizsystem
    2
    Immobilie
    3
    Zuleitungssystem
    4
    Frischwasser
    5
    Heizwasserkreislaufsystem
    6
    Fluid
    7
    Wärmepumpe
    8
    Speichertank
    9
    Volumen
    10
    Wärmeerzeuger
    11
    Leitung
    12
    erstes Gehäuse
    13
    zweites Gehäuse
    14
    Wohneinheit
    15
    Solaranlage
    16
    Ventilationsanlage
    17
    Auslass

Claims (10)

  1. Heizsystem (1) für eine Immobilie (2), zumindest aufweisend ein Zuleitungssystem (3) für warmes Frischwasser (4), ein Heizwasserkreislaufsystem (5), das ein Fluid (6) als Wärmeträger umfasst, einen durch eine Wärmepumpe (7) temperierbaren Speichertank (8) mit einem Volumen (9) sowie einen Wärmeerzeuger (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (6) und das Frischwasser (4) über den Speichertank (8) und zumindest das Frischwasser (4) nachfolgend über den Wärmeerzeuger (10) erwärmbar sind.
  2. Heizsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Frischwasser (4) über eine, sich zumindest teilweise durch das Volumen (9) hindurch erstreckende Leitung (11) hin zu dem Wärmeerzeuger (10) strömt.
  3. Heizsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auch das Fluid (6) nachfolgend zu dem Speichertank (8) über den Wärmeerzeuger (10) erwärmbar ist.
  4. Heizsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Frischwasser (4) innerhalb des Volumens (9) durch das Fluid (6) erwärmbar ist.
  5. Heizsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (7) und der Wärmeerzeuger (10) in voneinander getrennten Gehäusen (12, 13) angeordnet sind.
  6. Heizsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (7) und der Wärmeerzeuger (10) in einem gemeinsamen ersten Gehäuse (12) angeordnet sind.
  7. Heizsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Speichertank (8) die einzige Komponente des Heizsystems (1) zum Speichern von Wärme ist.
  8. Heizsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Wärmepumpe (7), der Speichertank (8) und der Wärmeerzeuger (10) innerhalb einer Wohneinheit (14) der Immobilie (2) angeordnet ist.
  9. Heizsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Immobilie (2) eine Mehrzahl von voneinander unabhängigen Wohneinheiten (14) umfasst, wobei in jeder der Wohneinheiten (14) zumindest eine Wärmepumpe (7), ein Speichertank (8) sowie ein Wärmeerzeuger (10) angeordnet sind.
  10. Verfahren zum Betreiben eines Heizsystems (1) für eine Immobilie (2), wobei das Heizsystem (1) zumindest ein Zuleitungssystem (3) für warmes Frischwasser (4), ein Heizwasserkreislaufsystem (5), das ein Fluid (6) als Wärmeträger umfasst, einen durch eine Wärmepumpe (7) temperierbaren Speichertank (8) mit einem Volumen (9) sowie einen Wärmeerzeuger (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (6) und das Frischwasser (4) zunächst über den Speichertank (8) und zumindest das Frischwasser (4) nachfolgend über den Wärmeerzeuger (10) erwärmt wird.
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