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Stand der Technik
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Wärmepumpen
werden zur Zeit teilweise an einen Pufferspeicher angeschlossen
[1, 2, 3]. Aus dem Pufferspeicher kann je nach Aufbau Heizungswasser
oder (mittels eines Wärmetauschers) Brauchwasser oder beides
entnommen werden. Wärmepumpen arbeiten zur Zeit überwiegend
mit einer Temperaturspreizung von ca. 5 bis 10 K. Der Pufferspeicher
wird bei dieser Spreizung auf eine gewünschte Solltemperatur
gebracht. Es ist ersichtlich, dass der gesamte Pufferspeicher am
Ende einer Ladungsphase von der Wärmepumpe auf eine hohe
Durchschnittstemperatur gebracht ist. Der Speicher wird „durchgeheizt” [4].
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1 zeigt
den Aufbau einer herkömmlichen Heizanlage mit Wärmepumpe
zur Brauchwassererwärmung [5]. Die Wärmepumpe
gibt mit dem Wärmeträgermedium und in einem Wärmetauscher, der
sich hier in dem Brauchwasserspeicher befindet, Wärme an
den Brauchwasserspeicher ab. Dabei wird der gesamte Speicher zyklisch
auf das Nutzniveau hochgeheizt. Im oberen Bereich des Speichers
kann heißes Brauchwasser entnommen werden. Im Fall der
Entnahme strömt im unteren Bereich des Speichers kaltes
Wasser nach. Ist die Wärmepumpe gleichzeitig mit der Zapfung
in Betrieb, gelangt kaltes Wasser in die Wärmepumpe. Die
fortgeschrittene Schichtung im Wasserspeicher wird dabei zerstört.
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Zu lösende Probleme
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Diese
Verfahrensweise bei der Wärmeübertragung in den
Pufferspeicher weist mehrere Probleme auf:
- 1.
Bei der Einschichtung in einen Brauchwasserspeicher vermischen sich
die erwärmten Wasserbereiche mit den kälteren
Wasserschichten, wodurch eine erhebliche Menge des exergetischen Anteils
der Wärme dissipiert.
- 2. Der Aufheizvorgang, also bis im oberen Teil des Pufferspeichers
nach einer Zapfung wieder Wärmespeichermedium mit Nutztemperaturniveau zur
Verfügung steht, kann sehr lange dauern.
- 3. Nach der Beheizung ist im unteren Teil des Pufferspeichers
warmes oder heißes Wärmeträgermedium.
Beim bivalenten Betrieb des Pufferspeichers im Verbund mit anderen
Energieerzeugungsanlagen wie Brennwertkessel oder Solaranlage wirkt
sich dieser Zustand nachteilig auf die Systemwirkungsgrade der genannten
Teilsysteme aus.
- 4. Der Pufferspeicher hat eine hohe Mitteltemperatur was zu
hohen Wärmeverlusten durch die Wärmedämmung
des Pufferspeichers führt.
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Kernproblematik
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Die
Vermischung von Medien mit verschiedenen Temperaturen oder Wärmetauschprozesse mit
differierenden Kapazitätenströmen bedeuten immer
eine Vernichtung von Entropie. Bezogen auf Wärmepumpen
bedeuten die genannten Mischvorgänge eine beträchtliche
Verminderung der theoretisch möglichen Arbeitszahl. 2 zeigt
beispielhaft, in erster Näherung, idealisiert und für
den Fall der Brauchwassererwärmung, die Entropiekurven des
Brauchwassers (gestrichelte Linie), des Mischwassers (gepunktete
Linie) und des Kaltdampfprozesses (durchgehende Linie 1-2-3-4-5-6-1).
Die Flächen im Diagramm, nach unten abgegrenzt durch die Temperatur,
die zur Kurve 6-1 des Kaltdampfprozesses gehört, geben
dabei bekanntlich die für einen Temperaturhub erforderlichen
mechanischen Leistungen an, die in das System eingebracht werden müssen.
Deutlich zu erkennen sind die eigentlich erforderliche mechanische
Leistung zur Erwärmung des Brauchwassers (Fläche
unterhalb der gestrichelten Linie bis zur Linie 6-1), die zusätzliche,
nach dem Mischprozess erforderliche Leistung (Fläche zwischen
der gepunkteten und gestrichelten Linie) und die im Kaltdampfprozess
zusätzliche erforderliche mechanische Leistung (Fläche
zwischen der Linie 3-4-5 und der gepunkteten Linie). Alle zusätzlich
erforderlichen Leistungen führen zu einer Verringerung der
tatsächlich erreichbaren Arbeitszahl der Wärmepumpe.
In der 2 ist deutlich zu sehen, dass im Pufferspeicher
im Verbund mit einer Wärmepumpe ein außerordentlich
schlechter Wärmetauschprozess stattfindet. Die Ursache
für die schlechte Güte des Wärmetauschprozesses
liegt in den unterschiedlichen durchschnittlichen Volumenströmen
von Brauchwasser und Wärmeträgermedium der Wärmepumpe,
welche um einen Faktor 4 bis 10 verschiedene Kapazitätenströme
aufweisen. Selbst mit einem idealen Gegenstrom-Wärmetauscher
kann die Dissipation von Energie bei so stark abweichenden Kapazitätenströmen
nicht verhindert werden.
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Dass
die gestrichelte und gepunktete Linien in der Abbildung geringfügig
seitlich über den Kaltdampfprozess hinausragen sei für
diese erste Abschätzung vernachlässigt. Um die
Entropiekurven mit differierenden Massenströme vergleichen
zu können wird die absolute Entropie S (und nicht die spezifische
Entropie s) verwendet.
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Dissipation bei der Wärmeübertragung
im Speicher
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Beim
Wärmeübergang im Wasserspeicher treten im wesentlichen
zwei örtlich abgrenzbare Dissipationsprozesse auf: Dissipation
bei der Wärmeübertragung und Sekundärdissipation
bei der Strömung von erwärmtem Wasser im Speicher.
In der folgenden Abbildung sind die beiden Dissipationsarten örtlich
abgegrenzt.
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Dissipation im Wärmetauscher
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Die 3 zeigt
den berechneten Wärmetauschprozess in einem realen Brauchwasserspeicher.
Die obere Kurvenschar zeigt die Temperaturen der Wärmeträgerflüssigkeit
(wird abgekühlt), die untere die Temperaturen des Speicherwassers
(wird erwärmt). Der Wärmeübergänge
im Rohr und durch die Rohrwand seien unendlich. Der Wärmeübergang
an der Rohraußenoberfläche ist schwerkraftbetrieben [6].
Es sind Kurven dargestellt für ein Kapazitätenstromverhältnis
R von 1 (identische Kapazitätenströme) bis 0,1
(Kapazitätenstrom der Wärmeträgerflüssigkeit
ist 1/10 im Verhältnis zu der des Speicherwassers). Deutlich
zu erkennen ist der mittlere Temperaturunterschied der Flüssigkeiten
von ca. 7,5 K bei R = 1 und 9 K bei R = 0,1. Das Wärmetauscherrohr
hat eine Oberfläche von 1,25 m2 und
einen Durchmesser von 4 cm.
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Die
Dissipation im Wärmetauscher ergibt eine Verringerung der
theoretisch möglichen Arbeitszahl von 26% (bei R = 1) bis
29% (bei R = 0,1).
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Sekundärdissipation
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Die
Sekundärdissipation ergibt sich aus der Vermischung des
Konvektionsstroms mit kälterem Speicherwasser und wird
hier nicht berechnet. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die
Verwendung von Ladelanzen bei Solaranlagen die Sekundärdissipation
reduzieren können.
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Gesamtdissipation im Speicher
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Die
Berechnungen fassen eine erste konservative Schätzung der
Verbesserung der Arbeitszahl zu. Wird der Wärmetauschprozess
verbessert, kann mit einer Erhöhung der Arbeitszahl von
c: 30% bis 40% gerechnet werden. Die tatsächliche Verbesserung
hängt von Parametern ab wie z. B. Größe
des Pufferspeichers, Leistung der Wärmepumpe, Umgebungstemperatur,
Zapfprofile und thermische Trägheiten der Rohre und des
Kondensators.
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Im
dargestellten Fall der Brauchwassererwärmung kann die Verminderung
der Arbeitszahl anschaulich erklärt werden: Eigentlich
müsste das Brauchwasser beispielsweise von 10°C
auf 50°C erwärmt werden. Würde dies an
einem Massenelement direkt per Kondensation geschehen, müsste
ein Kompressor einen gleitenden Druck erzeugen, der beim niedrigen
Gleichgewichtsdruck des Arbeitsmediums bei 10°C beginnt
und bei dem hohen Gleichgewichtsdruck bei 50°C endet. Bei
dem oben genannten und üblichen Fall der Dissipationen
muss der Kompressor bereits zu Beginn der Kondensation den hohen
Anfangsdruck bei der Mischungstemperatur von ca. 40°C aufbringen,
welcher sich im Verlauf der Erwärmung auf den noch höheren
Enddruck bei 50°C nähert. Der Kompressor muss
also im herkömmlichen letztgenannten Fall bei gleicher
thermischer Leistung einen deutlich höheren Mitteldruck aufbringen,
was eine höhere erforderliche mechanische Leitung und damit
eine niedrigere Arbeitszahl bedeutet.
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Ergebnis:
Im Fall der zur Zeit am Markt befindlichen Wärmepumpen
zur Brauchwassererwärmung und Raumheizung bedeutet der
Vorgang der Durchheizung und Mischung des Speichers die Zerstörung
der Speicherschichtung. Aus diesem Sachverhalt folgt die bereits
erwähnte drastische Verringerung der Arbeitszahl und zusätzlich,
aufgrund der erhöhten Temperaturen im unteren Bereich des
Wärmespeichers, eine Verringerung des Wirkungsgrades eines
Brenners im bivalenten Betrieb und eine Verringerung des Ertrags
einer Solaranlage, falls eine Solaranlage an den Speicher angeschlossen
ist.
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Zyklischer Zwischenspeicher
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Zur
Lösung der genannten Problemfelder wird die Verwendung
eines thermischen Zwischenspeichers in Anlagen mit Wärmepumpen
vorgeschlagen. Das Wärmeträgermedium wird zyklisch
vom Zwischenspeicher in das Restsystem, z. B. einen Pufferspeicher,
gepumpt. Während des Pumpvorgangs wird kaltes Wasser aus
dem Pufferspeicher direkt oder über die Wärmepumpe
in den Zwischenspeicher gepumpt. Es handelt sich bei dem Zwischenspeicher
nicht um einen zweiten Pufferspeicher zur Zwischenspeicherung von
Wärme oder Kälte oder zum Ausgleich von Temperaturen
oder thermischen Leistungen sondern zum Erreichen einer Solltemperatur.
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Der
Zwischenspeicher ist so angeordnet, dass er das Temperieren des
im Zwischenspeicher befindlichen Wärmeträgermediums
erlaubt und dieses nach der Temperierung in das restliche System abgeben
kann. Die Abgabe an das restliche System, z. B. in einen Brauchwasserspeicher,
erfolgt also getaktet. Es sei hier ausdrücklich darauf
hingewiesen, dass mit Temperierung auch Kühlung gemeint
ist, die Erfindung also auch für den Fall der Kälteerzeugung gilt.
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Arbeitsweise der Systeme mit Zwischenspeicher
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Wärmepumpensysteme
mit Zwischenspeicher arbeiten getaktet. Im ersten Takt A wird die
Wärmeträgerflüssigkeit im Zwischenspeicher
auf die gewünschte Temperatur gebracht. Im zweiten Takt
B wird das temperierte Wärmeträgermedium in das restliche
System eingebracht. Entsprechend dieser Taktung werden erforderliche
Ventile angesteuert. Gleichzeitig mit dem Ausstoß der temperierten
Wärmeträgerflüssigkeit in Takt B wird
im Beispiel der Brauchwassererwärmung kaltes Wärmeträgermedium über
die Wärmepumpe in den Zwischenspeicher gebracht. Ist das
gesamte temperierte Wasser aus dem Zwischenspeicher in das restliche
System gebracht werden die Ventile wieder so geschalten, dass der
Zwischenspeicher erneut temperiert werden kann (Takt A). Es muss
darauf geachtet werden, dass die beteiligten Speicher so ausgeführt
sind, dass eine möglichst vermischungsfreie Beladung, Speicherung (ggf.
mit Schichtung) und Entladung möglich ist.
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Bei
der Entladung des Zwischenspeichers in das Restsystem wird Wärmeträgerflüssigkeit
mit der gewünschten Temperatur und, im Vergleich zu üblichen
Systemen, mit einem deutlich verringerten mittleren Volumenstrom übertragen.
Beide Parameter führen dazu:
- 1. dass
die Schichtung im ggf. vorhandenen Hauptspeicher beim Betrieb der
Wärmepumpe erhalten bleibt
- 2. dass heißes Wärmeträgermedium
bereits nach kurzer Zeit zur Verfügung steht
- 3. dass weitere energieerzeugende Anlagen im System wie z. B.
Brennwertkessel oder Solaranlage mit einem besseren Wirkungsgrad
arbeiten können
- 4. dass die thermischen Verluste des Speichers reduziert werden.
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Zur
Veranschaulichung der Lage und Funktion Zwischenspeichers und eines
nachfolgendes System ist in der 5 ein Heizsystem
mit Wärmepumpe und Zwischenspeicher zur Brauchwassererwärmung
und Raumheizung dargestellt. Der Zwischenspeicher erreicht gerade
die gewünschte Temperatur. In einem nächsten Moment
wird das Überströmventil B zur Entladung des Zwischenspeichers
in den Brauchwasserspeicher geöffnet und sofort darauf das
Ladeventil L zur Ladung des Zwischenspeichers geschlossen. Ist die
gesamte heiße Flüssigkeit aus dem Zwischenspeicher
in den Brauchwasserspeicher überströmt, wird das
Ladeventil L wieder geöffnet, das Ventil B wieder geschlossen
und der Zwischenspeicher erneut bis zur gewünschten Temperatur
hochgeheizt. Rückschlagventile, Regler und weitere erforderliche
Bauteile sind in den Abbildungen nicht eingezeichnet. Je nach Bedarfsfall
wird der Zwischenspeicher entweder bis zur gewünschten Brauchwassertemperatur
hochgeheizt und dann über das Ventil B in den Hauptspeicher
gepumpt, oder der Zwischenspeicher nur bis zur gewünschten Raumheizungstemperatur
hochgeheizt und dann über das Ventil R in den Hauptspeicher
gepumpt. Eine Regelungseinheit ermittelt zu diesem Zweck den Bedarfsfall
Brauchwassererwärmung und Raumheizung und steuert die entsprechenden
Ventile.
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Die
vorgeschlagenen Zwischenspeicher können bei Neuanlagen
direkt in die Wärmepumpe integriert sein. Es sind jedoch
auch Nachrüstsätze für Altanlagen denkbar.
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Literatur:
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- [1] Schraps, Stella: Kombinierter Einsatz von Elektrowärmepumpe
und Solarkollektore in Wohngebäuden, VDI Fortschrittsberichte,
Reihe 6, Nr. 452, Seite 97.
- [2] http://www.geothermie.de/download/WAERMEPU.PDF
- [3] Karl Ochsner: Wärmepumpen in der Heizungstechnik,
4. Auflage, C. F. Müller Verlag, Heidelberg, 2007
- [4] bine projekt info 14/01, S. 2f, http://www.bine.info/pdf/Publikation/bi1401.pdf
- [5] Kiril Popovski, Sanja Popovska Vasilevska, IGD2001,
17.–22.09.2001
- [6] Recknagel, Sprenger, Hönmann: Taschenbuch
für Heizung- und Klimatechnik; 1990; S. 126.
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Beschreibung der Ansprüche
und Abbildungen
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Anspruch
1 beschreibt die grundsätzliche Verwendung eines Zwischenspeichers
in Verbindung mit einer Wärmepumpe zur Temperierung eines
Wärmeträgermediums und anschließende
Verbringung des temperierten Wärmeträgermediums
in ein Restsystem, welches im häufigsten Fall eine Heizungsanlage
ist.
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Anspruch
2 beinhaltet ein Temperiersystem mit Wärmepumpe und Zwischenspeicher,
wobei das temperierte Medium nach der Temperierung in einen Pufferspeicher
gepumpt wird.
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Anspruch
3 betrifft ein System mit Wärmepumpe und Zwischenspeicher,
wobei das erwärmte Wärmeträgermedium
nach der Erwärmung in einen Brauchwasserspeicher, Heizungsspeicher
oder einen Kombispeicher gepumpt wird. Dieses System dient zur Wärmeversorgung
von Gebäuden und ggf. zur Versorgung mit heißem
Brauchwasser.
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Anspruch
4 betrifft eine mögliche Durchströmungsmethode
des Zwischenspeichers. Der Zwischenspeicher wird immer in die gleiche
Richtung durchströmt. Bei der Durchströmungsmethode
spielen Faktoren wie Vermischung und Fremdenergiebedarf und Kosten
wesentliche Rollen.
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Anspruch
5 betrifft eine weitere mögliche Durchströmungsmethode
des Zwischenspeichers. Hierbei kann die Vermischung minimiert werden,
es werden aber weitere Ventile benötigt.
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Anspruch
6 betrifft ein System mit einem zweiten Zwischenspeicher, welcher
eine ähnliche Größe aufweist wie der
erste Zwischenspeicher. Der zweite Zwischenspeicher dient zur Vergleichmäßigung
des Volumenströme. Die warme Wärmeträgerflüssigkeit
wird zunächst vom ersten in den zweiten Zwischenspeicher übertagen.
Während der erste Zwischenspeicher danach erneut hochgeheizt
wird, gibt der zweite Zwischenspeicher seine Wärme mit reduziertem
Kapazitätenstrom und dadurch effektiver an das Restsystem
ab.
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Anspruch
7 betrifft ein System mit externem Wärmetauscher. Da der
Wärmetauscher getaktet betrieben wird ist eine Verkalkung
vermeidbar. Ist der Wärmetauscher im unteren Bereich des
Pufferspeichers und im oberen Bereich des Zwischenspeichers 2 angeordnet
kann bei angemessener hydraulischer Abstimmung eine hocheffiziente
schwerkraftberiebene Wärmeübertragung erfolgen.
Siehe 11.
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1 zeigt
den Aufbau eines herkömmlichen Heizsystems zur Brauchwassererwärmung
mit Wärmepumpe. Die Wärmepumpe erwärmt
das Wärmeträgermedium. Das Wärmeträgermedium
gibt die Wärme in einem Wärmetauscher, der sich
hier in dem Brauchwasserspeicher befindet, an den Brauchwasserspeicher
ab. Dabei wird der gesamte Speicher auf das Nutzniveau hochgeheizt.
Im oberen Bereich des Speichers kann heißes Wasser entnommen
werden. Im Fall der Entnahme strömt im unteren Bereich
des Speichers kaltes Wasser nach.
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2 zeigt
die Entropiekurven des Brauchwasser (gestrichelte Linie), des Mischwassers
(gepunktete Linie) und des Kaltdampfprozesses (durchgehende Linie).
Die Flächen im Diagramm, nach unten abgegrenzt durch die
Temperatur, die zur Kurve 6-1 des Kaltdampfprozesses gehört,
geben dabei bekanntlich die für einen Temperaturhub erforderlichen Leistungen
an, die in das System eingebracht werden müssen. Deutlich
zu erkennen sind die zusätzlichen mechanischen Leistungen,
die durch die Vermischung erforderlich werden und die zusätzlichen
mechanischen Leistungen, die durch die Form des Kaltdampfprozesses
erforderlich sind. Alle zusätzlich erforderlichen Leistungen
führen zu einer Verringerung der tatsächlich erreichten
Leistungszahl der Wärmepumpe. Die Ursache für
die schlechte Güte der Wärmetauschprozesses liegt
in den unterschiedlichen (durchschnittlichen) Volumenströmen
von Brauchwasser und Wärmeträgermedium der Wärmepumpe, wobei
der Volumenstrom des Wärmeträgermediums um einen
um Faktor 4 bis 10 größer ist als der durchschnittliche
Volumenstrom des Brauchwassers. Selbst bei idealen Wärmetauschern
kann der Leistungszahlverlust im System nicht verhindert werden.
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3 zeigt
thermodynamische Systemgrenzen des Wärmetauschers im Pufferspeicher
und die Orte, an denen Dissipation im Wärmetauscher und
Sekundärdissipation stattfinden.
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In
der 4 zeigt die Anfangs- und Endtemperaturen des Wärmetauschprozesses
im Wasserspeicher nach 1. Der Wärmetauscher
besteht aus einem üblichen Wärmetauscherrohr mit
einem Rohrdurchmesser d = 4 cm und einer Rohroberfläche
A von 1,25 m2. Der Wärmeübergangsleitwert im
Rohr sei beliebig hoch. Die obere Kurvenschar zeigt die hohe Anfangs-
und die geringere Endtemperatur des Wärmeträgermediums
im Wärmetauscherrohr. Die untere Kurvenschar zeigt geringere
Anfangs- und höhere Endtemperatur des Wassers im Speicher.
Die Variable R gibt dabei das Verhältnis von Massenstrom
des Speicherwassers zum Massenstrom des Wärmeträgermediums
im Rohr an. Beispiele: R = 3 bedeutet, dass der Massenstrom des Speicherwassers,
das am Rohr Wärme aufnimmt, 3 mal so groß ist
wie der Massenstrom im Rohr; R = 1 bedeutet gleiche Massenströme.
Am Abstand der Geraden ist deutlich zu erkennen, dass im Wärmespeicher
ein sehr schlechter Wärmetauschprozess stattfindet. Die
Fläche zwischen den Kurven ist ein Maß für
den Exergieverlust im System.
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5 zeigt
den Aufbau einer Wärmepumpenheizung mit Zwischenspeicher
zur Brauchwassererwärmung und Wärmeübergabe
mittels Wärmetauscher WT. Der Zwischenspeicher erreicht
beispielhaft gerade die gewünschte Temperatur. In einem
nächsten Moment wird das Überströmventil
B zur Entladung des Zwischenspeichers in den Brauchwasserspeicher
geöffnet und sofort danach das Ladeventil L zur Ladung
des Zwischenspeichers geschlossen. Gleichzeitig startet die Pumpe
P2, so dass der Wärmetauscher WT die Wärme vom
Wärmepumpenkreis an den Brauchwasserspeicher übertragen
kann. Ist die gesamte heiße Flüssigkeit aus dem
Zwischenspeicher in den Brauchwasserspeicher überströmt, wird
das Ladeventil L wieder geöffnet, das Ventil B wieder geschlossen,
die Pumpe P2 ausgeschalten und der Zwischenspeicher erneut bis zur
gewünschten Temperatur hochgeheizt.
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6 zeigt
beispielhaft den Aufbau einer Wärmepumpenheizung mit Zwischenspeicher
und kombiniertem Brauchwasser – und Heizungsspeicher (Kombispeicher).
Je nach Bedarfsfall wird der Zwischenspeicher entweder bis zur gewünschten Brauchwassertemperatur
hochgeheizt und dann über das Ventil B in den Hauptspeicher
gepumpt oder der Zwischenspeicher wird nur bis zur gewünschten Raumheiztemperatur
hochgeheizt und dann über das Ventil R in den Hauptspeicher
gepumpt. Eine nicht eingezeichnete Regelungseinheit ermittelt zu diesem
Zweck den Bedarfsfall Brauchwassererwärmung und Raumheizung
und steuert die entsprechenden Ventile. Im Takt B liegt kurzzeitig
der Fall vor, dass im Zwischenspeicher kälteres Wärmeträgermedium
aus der Wärmepumpe oberhalb von heißem Speicherwasser
liegt. Diese Situation kann zu Konvektion und dadurch zu teilweiser
Vermischung im Zwischenspeicher führen. Der Zwischenspeicher kann
zur Verringerung der konvektiven Vermischung um 180° gedreht
aufgebaut werden, wie es in 7 dargestellt
ist.
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7 zeigt
den Aufbau von Abbildung mit um 180° gedrehtem Zwischenspeicher.
Dieser Aufbau verringert für den Fall der Entladung des
Speichers die Vermischung im Zwischenspeicher, da das kältere
Wasser bei der Entladung von unten in den Zwischenspeicher gepumpt
wird.
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Bei
den bisherigen Abbildungen mit Zwischenspeicher ist nachteilig,
dass der Volumenstrom während der Entleerung des Zwischenspeichers
sehr groß ist. Das hat den Nachteil, dass Wärmetauscher nur
kurz aber mit nachteilig großem Volumenstrom arbeiten und
dass sich aufgrund der volumenstromstarken Einströmung
in den Hauptspeicher Wassermassen mit unterschiedlichen Temperaturen
vermischen (Entropievernichtung). Es wird deshalb ein Zwischenspeicher
2 eingeführt.
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8 zeigt
beispielhaft einen Aufbau einer Wärmepumpenheizung zur
Brauchwassererwärmung und Raumheizung mit einem zusätzlichen
Zwischenspeicher 2, der eine Vergleichmäßigung
des Massenstroms erlaubt. Der Zwischenspeicher 1 wird wie zuvor
mittels der Pumpe P1 in den Zwischenspeicher 2 entladen. Eine Pumpe
mit wesentlich geringerem Massenstrom P2 sorgt während
des Wärmepumpenbetriebs für eine gleichmäßige
Wärmezufuhr an den Hauptspeicher. Die Schichtung des Hauptspeichers
bleibt dabei besser erhalten und ggf. vorhandene Wärmetauscher
arbeiten effizienter.
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9 zeigt
beispielhaft des Aufbau nach 8, allerdings
ist der Zwischenspeicher 1 gedreht ausgeführt und der Massenstrom
vom Zwischenspeicher 2 gelangt schwerkraftgetrieben in den Hauptspeicher.
Die Schwerkraftzirkulation erfolgt folgendermaßen: Ist
der Zwischenspeicher 2 teilweise oder ganz geladen und befindet
sich im Hauptspeicher auf gleicher geographischer Höhe
durchschnittlich kälteres und dadurch schwereres Wasser.
Folglich setzt selbstständig eine Konvektionsströmung ein.
Die Pumpe P2 aus 8 kann somit entfallen. Die
hydraulischen Widerstände der Rohre zwischen Zwischenspeicher
und Hauptspeicher sind so ausgelegt, dass sich durch die Konvektion
ein durchschnittlicher Volumenstrom einstellt, der ausreicht, um
den Zwischenspeicher 2 während des Aufheiztaktes vollständig
in den Hauptspeicher zu entleeren. Nicht eingezeichnete Drosseln
und Temperatursensoren im hydraulischen System können dabei
die Entleerung steuern.
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10 zeigt
ein optimales System zur Brauchwassererwärmung mit Wärmepumpe.
Die Dissipation im System ist minimiert. Der Wärmetauscher
wird gut ausgenutzt, weil er nicht bei Zapf-Massenstrom Wärme übertragen
muss, sondern nur bei einem wesentlich geringeren Volumenstrom von
ca. 10% des Zapfmassenstroms. Unmittelbare Auswirkung des geringen
Volumenstroms ist ein wesentlich geringerer Druckabfall am Wärmetauscher.
Geringer Druckabfall ermöglicht einen schwerkraftgetriebenen und
hocheffizienten Betrieb des Wärmetauschers. Diese Maßnahme
erspart zwei teure Umwälzpumpen, eine davon für
Brauchwasser, und die zu deren Betrieb erforderliche elektrische
Energie. Die Zwischenspeicher und die Wärmepumpe können
unterhalb des Pufferspeichers angeordnet sein, so dass sich ein
kompaktes Gesamtgerät ergibt. Beispielhafte Dimensionen:
Pufferspeicher: 250 Liter, Pufferspeicher 1 und 2: 20 Liter, Wärmepumpenleistung, thermisch:
5 kW, Die Dauer für die Aufheizung des Zwischenspeichers
1 beträgt dann etwas 11 Minuten. Nach dieser Zeit steht
heißes Wasser zur Verfügung. Ohne Zapfung ist
der Hauptspeicher in ca. 2,5 Stunden aufgewärmt. Die Ventile
L1, L2, E1 und E2 ermöglichen die Erhaltung von Schichtungen
in den Zwischenspeichern. Zyklus:
- • Im
Takt A ist L1 und L2 offen und E1 und E2 zu. Der Zwischenspeicher
1 wird hochgeheizt.
- • Im Takt B ist L1 und L1 zu und E1 und E2 offen. Der
Zwischenspeicher 1 wird in den Zwischenspeicher 2 entladen. Dabei
setzen sofort schwerkraftgetriebene Strömungen ein, welche
eine relativ zur Entladung des Zwischenspeichers 1 kontinuierliche
Wärmeübertragung vom Zwischenspeicher 2 in den
Hauptspeicher ausführen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Schraps, Stella:
Kombinierter Einsatz von Elektrowärmepumpe und Solarkollektore
in Wohngebäuden, VDI Fortschrittsberichte, Reihe 6, Nr. 452,
Seite 97 [0018]
- - http://www.geothermie.de/download/WAERMEPU.PDF [0018]
- - Karl Ochsner: Wärmepumpen in der Heizungstechnik,
4. Auflage, C. F. Müller Verlag, Heidelberg, 2007 [0018]
- - bine projekt info 14/01, S. 2f [0018]
- - http://www.bine.info/pdf/Publikation/bi1401.pdf [0018]
- - Kiril Popovski, Sanja Popovska Vasilevska, IGD2001, 17.–22.09.2001 [0018]
- - Recknagel, Sprenger, Hönmann: Taschenbuch für
Heizung- und Klimatechnik; 1990; S. 126 [0018]