DE102005011700B4

DE102005011700B4 - Wärmepumpensystem

Info

Publication number: DE102005011700B4
Application number: DE102005011700.7A
Authority: DE
Inventors: Steffen Smollich; Dipl. Ing. Schiefelbein Kai; Michael Schaumlöffel; Michael Kruckenberg; Carsten Schmidt; Johannes Brugmann
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2005-03-11
Publication date: 2019-12-24
Anticipated expiration: 2025-03-12
Also published as: DE102005011700A1

Abstract

Wärmepumpensystem, mit
einem Abluftmodul (200) mit einer Wärmeübertragungseinheit (300) zum Extrahieren von Abluftwärme,
einer Wärmepumpe (100) zum Extrahieren von Wärme aus einem Erdreich (500) über eine Erdsonde (400),
einer Wärmequellenpumpe (5) zum Pumpen eines ersten Fluids durch die Erdsonde (400) zu der Wärmepumpe (100) sowie zum Pumpen eines zweiten Fluids durch die Wärmeübertragungseinheit (300) des Abluftmoduls (200), um einen Volumenstrom des Abluftmoduls (200) sicherzustellen,
wobei die Wärmequellenpumpe (5) dazu ausgestaltet ist, bis zu einem ersten Zeitpunkt (τ_N) nach Abschaltung der Wärmepumpe (100) aktiviert zu sein, um die Abluftwärme dem Erdreich (500) zuzuführen, wobei ein Fluid durch die Wärmeübertragungseinheit (300) bis zu dem ersten Zeitpunkt nach Abschalten der Wärmepumpe (100) gepumpt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmepumpensystem mit einer Wärmepumpe und einem Abluftmodul sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmepumpensystems.
Wärmepumpensysteme wie beispielsweise Sole/Wasser-Wärmepumpen werden zum Bereitstellen von Heizwärme und Warmwasser verwendet. Sole/Wasser-Wärmepumpen können dabei beispielsweise mit Abluftmodulen kombiniert werden. Ein Abluftmodul besteht im Wesentlichen aus einem Ventilator und einem Wärmeaustauscher. Der Ventilator saugt die Abluft aus einem Gebäude oder aus einer Wohnung und bläst sie ins Freie. Der Wärmeaustauscher entzieht die sich in der Abluft befindliche Wärme und überträgt diese auf die Sole, welche in der Wärmepumpe als Wärmequelle dient. Als Sole wird dabei typischerweise ein Gemisch von Wasser und Frostschutz verwendet, welches im Erdreich Wärme aufnimmt und diese dann in der Wärmepumpe zum Bereitstellen von Heizwärme oder warmem Wasser verwendet.
In dem Abluftmodul wird die Energie der Abluft mittels eines Wärmeübertragers auf die Wärmequellflüssigkeit, d. h. die Sole, übertragen. Durch die Kombination einer Sole/Wasser-Wärmepumpe mit einem Abluftmodul können die Wärmequellen wie z. B. die Erdsonde um den Wärmeertrag aus der Abluft kleiner ausgelegt werden. Somit kann durch das Abluftmodul eine kostengünstige Abluftanlage realisiert werden.
Aus DE 203 00 026 U1 ist ein Spiralkollektor in Verbindung mit einer Lüftungswärme - Regenerationseinheit zur Anhebung der Soletemperatur einer Erdwärmepumpe bekannt. Bevor die vorgewärmte Sole die Wärmepumpe erreicht, wird ein Teilstrom der Sole über eine Ladepumpe der Lüftungswärmerückgewinnung zugeführt. Im Wärmetauscher der Lüftungswärmerückgewinnung nimmt die Sole aus der abgesaugten Raumluft zurückgewonnene Energie wieder auf und fließt vor dem Eintritt in die Wärmepumpe wieder in den Hauptstrom der Sole zurück. Durch die Vermischung der Sole des Hauptsolestromes mit dem sehr energiehaltigen Soleteilstromes der Lüftungswärmerückgewinnung erhält die Wärmepumpe einen sehr energiehaltigen Gesamtwärmestrom. Ist die Wärmepumpe nicht in Betrieb, so fließt der aus der Lüftungswärmerückgewinnung erwärmte Soleteilstrom durch die Wärmepumpe in die Spiralsonde zurück und regeneriert den Wärmentzugsbereich um die Sonde.
Typischerweise werden die Abluftmodule dabei derart betrieben, dass Sole durch den Wärmetauscher bzw. Wärmeübertrager gepumpt wird. Die dann auf die Sole übertragene Wärme der Abluft wird der Wärmequelle im Erdreich zugeführt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein effizienteres Wärmepumpensystem vorzusehen.
Diese Aufgabe wird durch ein Wärmepumpensystem gemäß Anspruch 1 und Anspruch 4 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst.
Somit wird ein Wärmepumpensystem vorgesehen, welches ein Abluftmodul mit einer Wärmeübertragungseinheit zum Entziehen von Abluftwärme und eine Wärmepumpe zum Entziehen der Wärme einer Wärmequelle aufweist. Ferner ist eine Wärmequellenpumpe zum Pumpen eines ersten Fluids von der Wärmequelle in die Wärmepumpe und zum Pumpen eines zweiten Fluids durch das Abluftmodul vorgesehen, um einen Volumenstrom des Abluftmoduls sicherzustellen. Die Wärmequellenpumpe ist dazu ausgestaltet ist, bis zu einem ersten Zeitpunkt (τ_N ) nach Abschaltung der Wärmepumpe aktiviert zu sein, um die Abluftwärme dem Erdreich (500) zuzuführen. Ein Fluid wird durch die Wärmeübertragungseinheit bis zu dem ersten Zeitpunkt nach Abschalten der Wärmepumpe gepumpt.
Gelöst ist die Aufgabe auch durch ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmepumpensystems mit einem Abluftmodul mit einer Wärmeübertragungseinheit sowie mit einer Wärmepumpe, mit den Schritten:

Extrahieren von Abluftwärme mittels der Wärmeübertragungseinheit,
Extrahieren von Wärme aus einem Erdreich über eine Erdsonde mittels der Wärmepumpe, wobei ein Fluid durch die Wärmeübertragungseinheit bis zu einem ersten Zeitpunkt (τ_N ) nach einer Abschaltung der Wärmepumpe gepumpt wird, um die Abluftwärme dem Erdreich über die Erdsonde zuzuführen,

Dadurch, dass die Wärmequellenpumpe nicht nur die Pumpleistung für die Wärmepumpe, sondern auch die Pumpleistung für das Abluftmodul übernimmt, kann eine zusätzliche Pumpe im Abluftmodul eingespart werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Wärmequellenpumpe in der Wärmepumpe integriert ausgestaltet sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Eintritt des zweiten Fluids des Abluftmoduls an den Rücklauf der Wärmequelle angeschlossen. Ein Austritt des zweiten Fluids des Abluftmoduls ist an den Vorlauf der Wärmequelle angeschlossen. Somit werden sowohl die Wärmequelle als auch das Abluftmodul durch die Wärmequellenpumpe parallel durchströmt.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Wärmepumpensystem mit einem Abluftmodul mit einer Wärmeübertragungseinheit zum Extrahieren von Abluftwärme sowie einer Wärmepumpe zum Extrahieren der Wärme einer Wärmequelle. Ein Fluid wird durch die Wärmeübertragungseinheit bis zu einem ersten Zeitpunkt nach Abschalten der Wärmepumpe gepumpt, um die Abluftwärme der Wärmequelle zuzuführen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmepumpensystems mit einem Abluftmodul mit einer Wärmeübertragungseinheit sowie mit einer Wärmepumpe. Abluftwärme wird mittels der Wärmeübertragungseinheit extrahiert, und Wärme einer Wärmequelle wird mittels der Wärmepumpe extrahiert, wobei ein Fluid durch die Wärmeübertragungseinheit bis zu einem ersten Zeitpunkt (τ_N ) nach einer Abschaltung der Wärmepumpe gepumpt wird, um die Abluftwärme der Wärmequelle zuzuführen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nachfolgend werden die Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

1 zeigt eine schematische Veranschaulichung eines Wärmepumpensystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, und
2 zeigt einen Zusammenhang zwischen Soletemperatur und Nachlaufzeit eines Abluftmoduls gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.

1 zeigt eine schematische Veranschaulichung eines Wärmepumpensystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Das Wärmepumpensystem weist eine Wärmepumpe 100, eine Wärmequellenpumpe 5, eine Vielzahl von Erdsonden 401 sowie ein Abluftmodul 200 mit einem Wärmeübertrager 300 auf. Durch die Wärmequellenpumpe 5 wird Sole in die Erdsonden 400 gepumpt, welche sich innerhalb einer Wärmequelle 500 wie beispielsweise Erdreich befinden. Die in den Erdsonden 401 erwärmte Sole wird dann wieder zurück zur Wärmepumpe 100 gepumpt. Parallel zu diesem Kreislauf wird ein Solekreislauf des Abluftmoduls, d. h. der Solekreislauf durch den Wärmeübertrager 300, angeschlossen. Der Soleeintritt 1 des Abluftmoduls 200 wird an den Rücklauf 2 von der Wärmequelle 400 angeschlossen, und der Soleaustritt 3 des Abluftmoduls 200 wird an den Vorlauf 4 von der Wärmequelle 400 angeschlossen. Somit werden sowohl der Solekreislauf der Wärmequelle 400 bzw. die Erdsonden 401 als auch der Solekreislauf des Abluftmoduls 200 durch die Wärmequellenpumpe angetrieben und parallel durchströmt. Dadurch wird eine zusätzliche Pumpe für das Abluftmodul nicht mehr benötigt.
Die Sole wird vorzugsweise aus einem Gemisch von Wasser und Frostschutz gebildet.
Die Wärmequellenpumpe 5 kann dabei innerhalb der Wärmepumpe 100 integriert werden oder kann als eigenständige Komponente ausgebildet sein.
Ein Wärmepumpensystem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel stellt ein Wärmepumpensystem mit einer verbesserten Steuerung eines Abluftmoduls dar. Das Wärmepumpensystem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel entspricht dabei im Wesentlichen dem Wärmepumpensystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei das Abluftmodul optional eine eigene Pumpe bzw. Solepumpe aufweisen kann.
Um die Effizienz des Wärmepumpensystems gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zu verbessern, wird das Abluftmodul nur dann in Betrieb genommen, wenn die Wärmepumpe 100 ebenfalls in Betrieb ist. Zusätzlich dazu kann das Abluftmodul auch nach einer Abschaltung der Wärmepumpe für einen definierten Zeitraum weiter betrieben werden, d. h. es kann weiterhin Sole durch die Wärmeübertragungseinheit 300 des Abluftmoduls in die Erdsonden 401 gepumpt werden, um Abluftwärme zur Wärmequelle zu übertragen. Vorzugsweise wird der Zeitpunkt des Abschaltens des Abluftmoduls bzw. des Abschaltens der Solepumpe nach einem Abschalten der Wärmepumpe in Abhängigkeit von der Soletemperatur und ggf. von einstellbaren Konstanten bestimmt. Ein Abschalten des Abluftmoduls bezieht sich dabei auf ein Abschalten der Durchströmung der Wärmeübertragungseinheit 300 mit Sole, d. h. ein Abschalten der Solepumpe.
Somit kann ein Abschalten des Abluftmoduls 200 und somit eine Wärmezufuhr von dem Abluftmodul zu der Wärmequelle 400 in Abhängigkeit eines Wärmezufuhrbedarfs des Erdreiches der Wärmequelle 400 erfolgen. Das Erdreich, welches die Wärmequelle 400 einer Sole/Wasser-Wärmepumpe darstellt, wird im Kurzzeitbereich umso stärker belastet, je häufiger die Wärmepumpe 100 betrieben wird. Während des Betriebs des Abluftmoduls 200 wird der Wärmequelle 400 auch dann Wärme zugeführt, wenn die Wärmepumpe 100 beispielsweise im Sommer nicht in Betrieb ist und das Erdreich ohnehin warm ist. Ferner kann dem Erdreich der Wärmequelle 400 beim Betrieb des Abluftmoduls 200 auch während einer Heizsaison beispielsweise bei langen Stillstandzeiten der Wärmepumpe 100 Wärme zugeführt werden, welche das Erdreich nicht benötigt. In einem derartigen Fall wird die Energie zum Betreiben der Umwälzpumpe bzw. der Solepumpe zum Pumpen der Sole durch den Wärmetauscher verschwendet.
Um dies zu verhindern, wird die Umwälzpumpe bzw. die Solepumpe in dem Abluftmodul nach Abschalten der Wärmepumpe ebenfalls direkt abgeschaltet, oder noch eine gewisse Zeit lang weiter betrieben, um Wärme in das Erdreich der Wärmequelle 400 einzuspeisen. Somit erfolgt eine Einspeisung von Wärme aus dem Abluftmodul in das Erdreich nur dann, wenn die Wärmepumpe aktiviert wird. Die Einspeisung von Wärme aus dem Abluftmodul 200 in das Erdreich der Wärmequelle 400 entspricht somit also dem tatsächlichen Belastungszustand der Wärmequelle 100. Wenn die Stillstandzeit der Wärmepumpe kleiner ist als die Nachlaufzeit des Abluftmoduls, wird von dem Abluftmodul permanent Wärme in das Erdreich der Wärmequelle 400 gespeist.
Das Wärmepumpensystem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel erweist sich ebenfalls im Langzeitbetrieb als vorteilhaft, da die Nachlaufzeit der Solepumpe bzw. Umwälzpumpe des Abluftmoduls in Abhängigkeit von der tatsächlichen Soletemperatur ermittelt wird. Mit anderen Worten, je tiefer die Soletemperatur, desto länger die Nachlaufzeit der Solepumpe für das Abluftmodul. Somit kann eine langfristige Belastung des Erdreichs der Wärmequelle 400 berücksichtigt werden. Eine Belastung des Erdreichs durch die Wärmepumpe kann zu einer Abnahme der Temperatur des Erdreichs und somit der Soletemperatur erfolgen.
Die Nachlaufzeit τ_N der Solepumpe des Abluftmoduls kann durch die folgende Gleichung bestimmt werden: $τ_{N} = C_{1} \cdot (- C_{2} + C_{3} \cdot e^{(- C_{4} \cdot t_{s})})$
Hierbei stellt τ_N die Nachlaufzeit, C₁ - C₄ positive Konstanten und t_s die Temperatur der Sole dar.
2 zeigt einen Graphen zur Veranschaulichung der Abhängigkeit der Nachlaufzeit des Abluftmoduls in Abhängigkeit der Soletemperatur für verschiedene Konstanten.
Ein Nutzer des Wärmepumpensystems gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann vorzugsweise die Konstante C₁ entsprechend beeinflussen, so dass der Betrieb des Wärmepumpensystems gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel an die individuellen Bedürfnisse eines Nutzers angepasst werden kann.
Mit anderen Worten, die Solepumpe des Abluftmoduls ist während der Laufzeit der Wärmepumpe und für einen definierten Zeitraum nach Abschaltung der Wärmepumpe in Betrieb. Der Zeitraum, den die Solepumpe nach Abschaltung der Wärmepumpe in Betrieb ist, wird in Abhängigkeit der Temperatur der Sole berechnet. Der Zeitraum, den die Solepumpe nach Abschaltung der Wärmepumpe in Betrieb ist, fällt umso länger aus, je niedriger die Soletemperatur ist. Der Zeitraum, den die Pumpe nach Abschaltung der Wärmepumpe in Betrieb ist, kann von dem Nutzer durch Auswahl eines Parameters, vorzugsweise der Konstante C₁ , beeinflusst werden.

Claims

Wärmepumpensystem, mit einem Abluftmodul (200) mit einer Wärmeübertragungseinheit (300) zum Extrahieren von Abluftwärme, einer Wärmepumpe (100) zum Extrahieren von Wärme aus einem Erdreich (500) über eine Erdsonde (400), einer Wärmequellenpumpe (5) zum Pumpen eines ersten Fluids durch die Erdsonde (400) zu der Wärmepumpe (100) sowie zum Pumpen eines zweiten Fluids durch die Wärmeübertragungseinheit (300) des Abluftmoduls (200), um einen Volumenstrom des Abluftmoduls (200) sicherzustellen, wobei die Wärmequellenpumpe (5) dazu ausgestaltet ist, bis zu einem ersten Zeitpunkt (τ_N) nach Abschaltung der Wärmepumpe (100) aktiviert zu sein, um die Abluftwärme dem Erdreich (500) zuzuführen, wobei ein Fluid durch die Wärmeübertragungseinheit (300) bis zu dem ersten Zeitpunkt nach Abschalten der Wärmepumpe (100) gepumpt wird.
Wärmepumpensystem nach Anspruch 1, wobei der erste Zeitpunkt (τ_N) in Abhängigkeit einer Temperatur (t_s) des Fluids bestimmt wird.
Wärmepumpensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Zeitpunkt (τ_N) in Abhängigkeit von positiven Konstanten (C₁ - C₄) und einer Temperatur (t_s) des Fluids bestimmt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Wärmepumpensystems mit einem Abluftmodul (200) mit einer Wärmeübertragungseinheit (300) sowie mit einer Wärmepumpe (100), mit den Schritten: Extrahieren von Abluftwärme mittels der Wärmeübertragungseinheit (300), Extrahieren von Wärme aus einem Erdreich (500) über eine Erdsonde (400) mittels der Wärmepumpe (100), wobei ein Fluid durch die Wärmeübertragungseinheit (300) bis zu einem ersten Zeitpunkt (τ_N) nach einer Abschaltung der Wärmepumpe (100) gepumpt wird, um die Abluftwärme dem Erdreich (500) über die Erdsonde (400) zuzuführen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der erste Zeitpunkt (τ_N) in Abhängigkeit einer Temperatur (t_s) des Fluids bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei der erste Zeitpunkt in Abhängigkeit von positiven Konstanten (C₁ - C₄) und einer Temperatur (ts) des Fluids bestimmt wird.