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Die
Erfindung betrifft eine Wärmespeicheranordnung mit einem
Hauptspeicher, einer Wärmepumpe, einer vorzugsweise solarthermischen
Wärmequelle und einem insbesondere als Erdspeicher ausführbaren
Wärme-Zwischenspeicher.
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Bei
der Wärmegewinnung aus Sonnenenergie, insbesondere im Bereich
von Haushaltsanwendungen für Heizung und/oder Brauchwasser
und Trinkwasser ist es an sich bekannt, einen Wärme-Sonnenkollektor über
ein hydraulisches Leitungssystem mit einem beispielsweise als Erdspeicher
ausgeführten Zwischenspeicher zu verbinden, wobei der Zwischenspeicher
in der Regel eine Temperatur hat, welche unterhalb der in einem
Hauptspeicher für Heizung und/oder Brauchwasser erforderlichen
Temperatur liegt. Auch die Temperatur des Sonnenkollektors liegt
häufig unterhalb der im Hauptspeicher benötigten
Temperatur. Mittels einer Wärmepumpe kann sowohl die im
Sonnenkollektor anfallende Wärmeenergie bei Temperaturen
unterhalb des Hauptspeichers als auch die Wärmeenergie
aus dem Zwischenspeicher ausgenutzt werden. Sonnenkollektor und
Erdspeicher sind hierfür untereinander und mit der Kaltseite
(Primärseite) der Wärmepumpe über ein
hydraulisches Leitungssystem verbunden. Beim Betrieb der Wärmepumpe
wird der im Sonnenkollektor und/oder im Erdspeicher vorgewärmten Wärmeträgerflüssigkeit
auch bei einer unterhalb der Temperatur im Hauptspeicher liegenden
Temperatur Wärme entzogen und auf das höhere Temperaturniveau
im Hauptspeicher übertragen, wobei die vom Wärmeträgermedium
in den Hauptspeicher übertragene Wärmemenge deutlich
höher ist als die für den Betrieb der Wärmepumpe
benötigte Energiemenge.
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Eine
derartige Anordnung ist beispielsweise aus der
DE 101 02 041 A1 bekannt.
Ein Sonnenkollektor liegt in einem ersten Teilkreis des hydraulischen
Systems, welcher mit einem zweiten Teilkreis, in welchem ein Erdspeicher
als Zwischenspeicher vorgesehen sein kann, überlappt. Die
im Sonnenkollektor erwärmte Wärme-Trägerflüssigkeit
wird über eine hydraulische Weiche und zwei steuerbare
Mehrwegventile teilweise über die Kaltseite einer Wärmepumpe
und/oder den Erdspeicher geführt, wobei die Anschlüsse
der Kaltseite der Wärmepumpe mittels einer Bypassleitung
und einem der steuerbaren Mehrwegeventile überbrückbar
ist. Zur Wärmeentnahme aus dem Erdspeicher wird Wärme-Trägerflüssigkeit über
eine mit einem der beiden steuerbaren Mehrwegeventile verbundene
weitere Bypassleitung zwischen der hydraulischen Weiche und der
Wärmepumpe auf die Kaltseite der Wärmepumpe geleitet. Die
Warmseite (Sekundärseite) der Wärmepumpe ist über
ein weiteres hydraulisches System mit mehreren Hauptspeichern verbunden.
Der Erdspeicher ist als gewundene oder gewendelte Rohrleitung mit mehreren
parallelen Strängen ausgebildet. Die Hauptspeicher können
bei hoher Temperatur der Wärme-Trägerflüssigkeit
im Sonnenkollektor über weitere steuerbare Mehrwegeventile
auch direkt Wärmetauschern in den Hauptspeichern zugeleitet werden,
wobei dabei die Trägerflüssigkeit nicht über die
hydraulische Weiche und die Wärmepumpe und den Erdspeicher
geführt ist.
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Die
bekannte Anordnung ist relativ aufwendig und damit sowohl hinsichtlich
der Installation als auch der Kosten ungünstig.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wärmespeicheranordnung der
genannten Art im Hinblick auf eine energieeffizientere, einfachere
und kostengünstigere Ausführung und Installationsmöglichkeit
anzugeben.
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Erfindungsgemäße
Lösungen sind in den unabhängigen Ansprüchen
beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
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Die
Anordnung einer die Wärmepumpe enthaltenden Baueinheit
unmittelbar an dem Hauptspeicher ist hinsichtlich der Optimierung
der Wärmeübertragung in den Hauptspeicher und
der Verringerung der Wärmeverluste insbesondere auf der
Warmseite der Wärmepumpe von besonderem Vorteil. In bevorzugter
Ausführung kann dabei auch vorgesehen sein, dass Hauptspeicher
und die die Wärmepumpe enthaltende Baueinheit als eine
vormontierte Einheit einschließlich einer darauf abgestimmten
Steuereinrichtung angeboten und installiert werden, wodurch der
Installationsaufwand und die damit verbundenen Kosten besonders
niedrig gehalten werden können. Baueinheiten eines Hauptspeichers
mit einer direkt an diesem angeordneten Wärmepumpe sind
bei Systemen mit Wärmepumpen, welche der Umgebungsluft
Wärme entziehen, an sich gebräuchlich, aber nicht
bei Systemen mit über ein hydraulisches Leitungssystem
und ein Wärme-Trägerfluid auf der Kaltseite an
eine Wärmequelle wie z. B. einen Sonnenkollektor und/oder
einen Erdspeicher gekoppelten Wärmepumpen bekannt.
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Ein
insbesondere für eine Direktheizung aus dem Solarkollektor
in den Hauptspeicher dienendes steuerbares Mehrwegeventil einer
Ventilanordnung ist vorteilhafterweise in eine Baueinheit mit der
Wärmepumpe integriert. Eine Bypassleitung, welche für den
im zweiten Teilkreis zirkulierenden Volumenstrom des Wärme-Trägerfluids
eingesetzt ist, ist vorzugsweise zumindest teilweise in eine einheitlich handhabbare
Baueinheit mit der Wärmepumpe integriert. Die Bypassleitung
ist vorteilhafterweise direkt, d. h. ohne Mehrwegeventil, mit den
dem ersten Teilkreis und dem zweiten Teilkreis des hydraulischen Leitungssystems
gemeinsamen Leitungen, welche durch die Bypassleitung überbrückt
sind, verbunden, was den Aufwand im hydraulischen Leitungssystem deutlich
reduziert und die Steuerung erheblich vereinfacht.
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In
bevorzugter Ausführung weist die die Wärmepumpe
enthaltende Baueinheit als externe hydraulische Anschlüsse
lediglich zwei Anschlüsse für Vorlauf und Rücklauf
des ersten Teilkreises vom und zum Sonnenkollektor und gleichfalls
zwei externe hydraulische Anschlüsse für Vorlauf
und Rücklauf des zweiten Teilkreises durch den Zwischenspeicher
auf. In einer Weiterbildung können der Anschluss für
den Vorlauf aus dem Erdspeicher und der Anschluss für den
Rücklauf zum Sonnenkollektor zu einem einzigen externen
hydraulischen Anschluss der Baueinheit zusammen gefasst sein, indem
die Vorlaufleitung aus dem Zwischenspeicher und die Rücklaufleitung zum
Sonnenkollektor außerhalb der Baueinheit mit einem Teil
der genannten Bypassleitung an einem vorzugsweise ventilfreien Kreuzungspunkt
zusammengefasst sind und die Bypassleitung in den genannten gemeinsamen
externen hydraulischen Anschluss führt.
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Bei
einem hydraulischen System in einer gattungsgemäßen
Wärmespeicheranordnung mit einer Bypassleitung zwischen
Leitungspunkten, welche dem ersten und dem zweiten Teilkreis gemeinsam sind
und in der in Strömungsrichtung zu der Kaltseite der Wärmepumpe
vor der Wärmepumpe einmündet, ist vorteilhafterweise
im Verlauf der Bypassleitung zwischen den genannten Leitungspunkten
ein Rückschlagventil eingebaut, welches für den
ersten Teilkreis des Leitungssystems sperrend ausgerichtet ist, also
keinen Strömungspfad des ersten Teilkreises bilden kann,
welches hingegen in Strömungsrichtung des zweiten Teilkreises
zwischen dessen vom Zwischenspeicher kommenden Vorlaufleitung und
dem Eingang der Kaltseite der Wärmepumpe bildet. Die Vorlaufleitung
des zweiten Teilkreises überlappt bis zu der Bypassleitung
mit der Rücklaufleitung des ersten Teilkreises. Die Vorlaufleitung
des zweiten Teilkreises überlappt ab der Bypassleitung
mit dem zur Wärmepumpe führenden Teil der Vorlaufleitung
des zweiten Teilkreises und mit der Rücklaufleitung des zweiten
Teilkreises. Das Rückschlagventil ist vorzugsweise als
Klappenventil ausgeführt.
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Vorzugsweise
enthält der erste Teilkreis eine erste Umwälzpumpe
und der zweite Teilkreis eine zweite Umwälzpumpe, wobei
beide Umwälzpumpen über eine Steuereinrichtung
unabhängig voneinander steuerbar sind. Vorteilhafterweise
weist die zweite Umwälzpumpe eine höhere maximale
Förderleistung auf als die erste Umwälzpumpe.
Die zweite Umwälzpumpe liegt vorzugsweise in einem für
ersten und zweiten Teilkreis gemeinsamen Leitungsabschnitt des hydraulischen
Leitungssystems. In bevorzugter Ausführung schaltet die
Steuereinrichtung bei Wärmepumpenbetrieb immer auch die
zweite Umwälzpumpe ein, so dass die Wärmepumpe
auf ihrer Kaltseite immer zumindest teilweise mit über
das Wärmeträgerfluid aus dem Zwischenspeicher
entnommener Wärmeleistung versorgt ist und bei ausreichender
Temperatur des Sonnenkollektors, insbesondere über der
Temperatur des Zwischenspeichers liegender Temperatur des Sonnenkollektors mittels
der ersten Umwälzpumpe ein zusätzlicher Beitrag
aus dem Sonnenkollektor an die Kaltseite der Wärmepumpe
geliefert wird. Die Temperatur des Zwischenspeichers ist typischerweise
mit geringeren Schwankungen behaftet als die Temperatur des Sonnenkollektors.
Bei höherer Förderleistung der zweiten gegenüber
der ersten Umwälzpumpe ist dann im Wärmepumpenbetrieb
vorteilhafterweise die Temperatur des Wärme-Trägerfluids
an der Kaltseite der Wärmepumpe primär durch die
Temperatur des Zwischenspeichers bestimmt und damit nur gering schwankend.
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Vorteilhafterweise
ist die zweite Umwälzpumpe immer und nur zusammen mit der
Wärmepumpe in Betrieb, erforderlichenfalls mit geringem Zeitversatz
der jeweiligen Einschaltzeitpunkte und/oder der jeweiligen Ausschaltzeitpunkte.
Um bei Betrieb der zweiten Umwälzpumpe und niedriger Temperatur
des Sonnenkollektors zu vermeiden, dass Wärme-Trägerfluid
aus dem Zwischenspeicher durch die wegen niedriger Temperatur des
Sonnenkollektors nicht eingeschaltete erste Umwälzpumpe hindurch
in den kälteren Sonnenkollektor gefördert wird,
ist der erste Teilkreis in einem nicht mit dem zweiten Teilkreis überlappenden
Abschnitt bei ausgeschalteter erster Umwälzpumpe vorteilhaft
gesperrt, wofür vorzugsweise ein gemeinsam mit der ersten Umwälzpumpe
betätigtes Absperrventil, welches insbesondere mit der
ersten Umwälzpumpe baulich vereinigt sein kann, in den
ersten Teilkreis eingefügt ist.
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Die
zweite Umwälzpumpe ist bei bevorzugter Anordnung in einem
für ersten und zweiten Teilkreis gemeinsamen Leitungsabschnitt
in Förderrichtung vorteilhafterweise durch ein Rückschlagventil,
welches vorzugsweise mit besonders geringem Strömungswiderstand
in Durchlassrichtung als Klappenventil ausgeführt ist, überbrückt.
Dies ermöglicht auf besonders vorteilhafte Weise bei ausgeschalteter zweiter
Umwälzpumpe und gegenüber der Temperatur des Zwischenspeichers
höherer Temperatur des Kollektors eine Übertragung
von Wärmeenergie vom wärmeren Sonnenkollektor
in den kühleren Zwischenspeicher mittels des allein von
der ersten Wärmepumpe in dem ersten Teilkreis umgewälzten
Wärme-Trägerfluids.
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Die
Kaltseite der Wärmepumpe ist vorteilhafterweise immer von
dem vollen, durch eine oder beide Umwälzpumpen geförderten
Volumenstrom des Wärme-Trägerfluids durchströmt,
Eingang und Ausgang der Kaltseite der Wärmepumpe also nicht
durch eine Bypassleitung überbrückt. Eine für
die Wärmepumpe u. U. schädliche zu hohe Temperatur
an deren Kaltseite ist weitgehend ausgeschlossen unter der bereits
zuvor gemachten Annahme, dass die Temperatur des Zwischenspeichers
nur geringeren Schwankungen als die Temperatur des Sonnenkollektors
unterworfen ist und insbesondere nicht so hoch steigt wie die Sonnenkollektortemperatur,
und dass bei gleichzeitig mit oder kurz vor der Wärmepumpe
eingeschalteter zweiter Umwälzpumpe die Temperatur an der
Kaltseite primär durch die unproblematische Temperatur
des Zwischenspei chers bestimmt ist. Dabei ist vorteilhafterweise
kein steuerbares Ventil erforderlich.
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In
vorteilhafter Weiterbildung kann in an sich bekannter Weise ein
direkter Wärmeeintrag aus dem ersten Teilkreis in den Hauptspeicher
bei über der Hauptspeichertemperatur liegender Temperatur
des Sonnenkollektors erfolgen, indem ein zwischen Vorlaufleitung
und Rücklaufleitung des ersten Teilkreises eingefügter
und über ein steuerbares Mehrwegeventil zuschaltbarer Strömungsweg
durch einen im Hauptschalter liegenden Wärmetauscher führt.
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Der
Zwischenspeicher ist vorzugsweise als Erdspeicher ausgeführt,
bei welchem wenigstens ein von dem Wärme-Trägerfluid
durchströmbarer Rohrkörper mit einer Außenfläche
in thermischem Kontakt mit umgebendem Erdreich steht. Der Rohrkörper weist
hierfür vorteilhafterweise ein Außenrohr mit im wesentlichen
linearer Rohrachse auf, welches mit dem umgebenden Erdreich in thermischem
Kontakt steht und einen Rohr-Innenraum umgibt. In dem Innenraum
ist ein Innenrohr angeordnet, welches mit wenigstens einer Öffnung
in dem Innenraum des Außenrohrs mündet. Ein Strömungspfad
für das Wärme-Trägerfluid führt
von einem ersten Rohranschluss durch das Innenrohr in den Innenraum
des Außenrohrs zu einem zweiten Rohranschluss. Dabei verläuft
der Strömungspfad vorteilhafterweise großflächig
entlang der Innenwand des Außenrohrs. Vorzugsweise ist
in Strömungsrichtung des Wärme-Trägerfluids
der erste Anschluss der Eingangsanschluss und der zweite Anschluss
der Ausgangsanschluss. Vorzugsweise sind beide Anschlüsse
im Bereich eines ersten Rohrendes angeordnet. Die Mündung
des Innenrohrs in dem Innenraum des Außenrohrs ist vorteilhafterweise
im Bereich des zweiten, den Anschlüssen entgegen gesetzten
Ende des Außenrohrs angeordnet, so dass das Wärme-Trägerfluid
zwischen der Mündung des Innenrohrs und dem zweiten Anschluss
im wesentlichen über die gesamte Länge des Außenrohrs
an dessen Innen wand entlang strömt und durch den großflächigen
Kontakt viel Wärme an das Außenrohr und über
dessen Außenfläche an das umgebende Erdreich abgeben
bzw. von dort aufnehmen. Das Innenrohr kann gegen den Innenraum
thermisch isoliert sein. Das Innenrohr kann vorteilhafterweise zentriert
bei der Rohrachse in dem Außenrohr angeordnet und vorzugsweise
gegen die Innenwand des Außenrohrs über Abstandshalter
abgestützt sein.
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Die
Außenfläche des Außenrohrs ist in erster vorteilhafter
Ausführung im wesentlichen zylindrisch, d. h. mit in Richtung
der Rohrachse gleichbleibendem Querschnitt ausgeführt.
Zur Vergrößerung der Oberfläche zu dem
umgebenden Erdreich können seitlich, insbesondere radial
von der Außenwand des Außenrohrs abstehende Stege
vorgesehen sein. Das Außenrohr kann an seinem zweiten den
Anschlüssen abgewandten Ende spitz zulaufend ausgeführt
sein, wodurch ein Einschlagen oder Einpressen des Außenrohrs
oder des kompletten Rohrkörpers in das Erdreich erleichtert
wird und u. U. auch ohne Vorbohren eines Aufnahmelochs möglich
ist. An dem ersten Ende des Rohrkörpers können
hierfür besondere Ansätze zum Einschlagen oder
Einpressen des Rohrkörpers in das Erdreich ausgebildet
sein. Seitlich abstehende Stege, welche bei der zylindrischen Außenkontur
parallel zur Rohrachse verlaufen, bewirken dabei nur einen geringen
Widerstand.
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In
anderer vorteilhafter Ausführungsform kann die Außenfläche
des Rohrkörpers eine um die im wesentlichen lineare Rohrachse
gewendelte Struktur aufweisen. Der Rohrkörper kann mit
dieser gewendelten Struktur vorteilhaft drehend in das Erdreich
eingeschraubt werden.
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Die
erfindungsgemäßen Lösungen können sowohl
einzeln als auch vorzugsweise in Kombination vorteilhaft realisiert
werden.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei
zeigt:
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1 ein
Schema einer Wärmespeicheranordnung,
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2 eine
Skizze mit wesentlichen Elementen der Erfindung,
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3 einen Rohrkörper eines Erdspeichers.
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1 zeigt
in schematischer Weise eine Wärmespeicheranordnung mit
einem Hauptspeicher HS als Wärmepufferspeicher, einem thermischen Sonnenkollektor
SK als regenerative Wärmequelle und einem Rohrkörper
RK als Teil eines als Zwischenspeicher dienenden Erdspeichers. Eine
an dem Hauptspeicher HS angeordnete Baueinheit BA enthält
insbesondere eine Wärmepumpe und verschiedene hydraulische
Komponenten. Ein bevorzugtes Beispiel einer solchen Baueinheit BA
ist anhand der 2 noch näher beschrieben.
Ein hydraulisches Leitungssystem, in welchem ein Wärme-Trägerfluid,
insbesondere eine Flüssigkeit aus Wasser und Zusätzen
zirkuliert, verbindet den Sonnenkollektor SK über eine
Vorlaufleitung V1 und eine Rücklaufleitung R1 mit der Baueinheit
BA. Der gleichfalls von dem Wärme-Trägerfluid
durchströmbare Rohrkörper RK des Erdspeichers
ist über die Vorlaufleitung V2 und die Rücklaufleitung
R2 des hydraulischen Leitungssystems mit der Baueinheit BA verbunden.
Mittels einer ersten Umwälzpumpe P1 kann ein Volumenstrom
durch einen ersten Teilkreis des hydraulischen Leitungssystems erzeugt
werden, welcher die Rücklaufleitung R1, den Sonnenkollektor
SK, die Vorlaufleitung V1, die Baueinheit BA, die Rücklaufleitung
R2, den Rohrkörper RK, die Vorlaufleitung V2 und erneut
die Baueinheit BA enthält. Mittels einer zweiten Umwälzpumpe
P2 kann ein Volumenstrom in einem zweiten Teilkreis erzeugt werden,
welcher die Rücklaufleitung R2, den Rohrkörper
RK, die Vorlaufleitung V2 und die Baueinheit BA einschließt.
Die beiden Teilkreise überlappen in den Abschnitten der Rücklaufleitung
R2, des Rohrkörpers RK, der Vorlaufleitung V2 und teilweise
in der Baueinheit BA.
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Über
Temperaturfühler T2 können verschiedene Temperaturwerte
innerhalb der Wärmespeicheranordnung, insbesondere eine
oder mehrere Temperaturen der Speichenflüssigkeit im Hauptspeicher
HS, die Temperatur am Rohrkörper RK als Zwischenspeicher
und die Temperatur am Sonnenkollektor SK als Wärmequelle
erfasst und in einer Steuereinheit SE ausgewertet werden, wobei
die Auswertung insbesondere die Erfassung von Temperaturdifferenzen
und die Erzeugung von Steuersignalen für die Umwälzpumpen
P1, P2, der Wärmepumpe und eventuell weiterer steuerbarer
Komponenten in der Baueinheit BA umfasst. Die Erfassung von Temperaturen
innerhalb einer Wärmespeicheranordnung mit Pufferspeicher,
Wärmequelle und Zwischenspeicher und deren Auswertung zur
Erzeugung von Steuersignalen ist prinzipiell bekannt. Eine Drehzahlregelung mit
vorausprogrammierbarer Wartezeit ermöglicht bei gegenüber
der Temperatur im Hauptspeicher höherer Temperatur des
Wärme-Trägerfluids im Sonnenkollektor ein bevorzugtes
direktes Aufheizen des Hauptspeichers.
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Die
Baueinheit BA mit der Wärmepumpe ist vorteilhafterweise
unmittelbar an dem Hauptspeicher HS angeordnet und kann auch mit
diesem und der Steuereinrichtung eine Verkaufseinheit bilden.
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Der
thermische Sonnenkollektor SK als Wärmequelle und der in
ein Erdreich ER eingesenkte Rohrkörper RK als Zwischenspeicher
sind bevorzugte Ausbildungen. Es kann aber auch eine andere Wärmequelle,
beispielsweise zur Verwertung von Abwärme und/oder eine
andere an sich bekannte Zwischenspei cherform eingesetzt sein. Die
externen hydraulischen Anschlüsse der Baueinheit BA sind
bei bevorzugter direkter Anordnung dieser Baueinheit an dem Hauptspeicher
HS vorteilhafterweise auf zwei Anschlüsse AV1, AR1 für
die vom bzw. zum Sonnenkollektor SK führenden Leitungen
und zwei Anschlüsse AV2, AR2 für die vom und zum
Zwischenspeicher führenden Leitungen beschränkt.
In anderer Ausführung können auch die Leitungen
V2 und R1 außerhalb der Baueinheit BA zusammengefasst und über
einen gemeinsamen Anschluss der Baueinheit BA mit dieser verbunden
sein. Sowohl auf Seiten der Wärmequelle als auch auf Seiten
des Zwischenspeichers können vorteilhafterweise mehrere
Wärmequellenelemente bzw. mehrere Zwischenspeicherelemente
in paralleler Anordnung vorgesehen sein.
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An
den Hauptspeicher können insbesondere in an sich gebräuchlicher
Weise Heizkreise eines Gebäudes, Warmwasserleitungen für
Brauchwasser-Zapfstellen und dergleichen angeschlossen sein. Warmes
Brauchwasser kann z. B. über einen im oberen Bereich des
Hauptspeichers angeordneten Warmwasser-Wärmetauscher WW
gewonnen werden. Dessen Zulaufleitung kann in vorteilhafter Weiterbildung
auch von unten in den Hauptspeicher geführt sein, wodurch
das zugeführte kalte Brauchwasser bereits auf dem Weg zu
dem Wärmetauscher WW durch den unteren Wärmetauscher
WT vorgewärmt werden könnte. Der Hauptspeicher
HS kann mit zusätzlichen Erweiterungsspeichern verbunden sein.
In dem Hauptspeicher kann zusätzlich eine elektrisch betriebene
Notheizung vorgesehen sein. Der Pufferspeicher kann auch zur Erzeugung
elektrischer Energie mit einem Generator beispielsweise nach Art
eines Stirling-Motors gekoppelt sein.
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2 zeigt
in schematischer Anordnung einige für das Verständnis
der Erfindung und bevorzugter Ausführungsformen wesentliche
Elemente. Der Sonnenkollektor und der Zwischenspeicher sind dabei
nicht mit eingezeichnet und le diglich die zu diesen Komponenten
der Gesamtanordnungen führenden Leitungen V1, R1, V2, R2
und die Umwälzpumpen der beiden Teilkreise sind als außerhalb
der Baueinheit BA liegende Teile der Gesamtanordnung mit eingezeichnet.
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Die
Kaltseite oder Primärseite der Wärmepumpe WP umfasst
in gebräuchlicher Weise einen Wärmetauscher TP,
welche von dem Arbeitsfluid der Wärmepumpe und von dem
Wärme-Trägerfluid des hydraulischen Leitungssystems
durchströmt ist. Der Aufbau von Wärmepumpenanordnungen
ist in vielen Formen bekannt und gebräuchlich und daher
nicht weiter im Detail beschrieben. Vorteilhafterweise kann die
Warmseite oder Sekundärseite der Wärmepumpe, welche
als Kondensator CP am Ausgang des Verdichters VP der Wärmepumpe
angeordnet ist, direkt innerhalb des Hauptspeichers HS, insbesondere in
dessen unterem Bereich angeordnet sein.
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Zusätzlich
zu der Erwärmung der Speicherflüssigkeit im Hauptspeicher
durch die Wärmepumpenanordnung kann vorteilhafterweise
vorgesehen sein, dass ein weiterer innerhalb des Hauptspeichers HS
angeordneter Wärmetauscher WT mit Wärme-Trägerfluid
aus dem Sonnenkollektorkreis beaufschlagt werden kann, wenn die
Temperatur in der Vorlaufleitung V1 höher ist als die Temperatur
im Hauptspeicher HS. Hierfür ist in der Vorlaufleitung
V1 ein steuerbares Dreiwegeventil WV angeordnet, welches von der
Steuereinrichtung SE je nach gemessenen Temperaturen ansteuerbar
ist und insbesondere bei einer Temperatur des Sonnenkollektors SK
bzw. der Vorlaufleitung V1, welche über der Temperatur
im Hauptspeicher liegt, den durch die erste Umwälzpumpe
P1 bewirkten Volumenstrom über den zusätzlichen
Wärmetauscher WT führt und somit Wärme aus
dem Solarkreis unmittelbar in den Hauptspeicher HS einspeichert.
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Wenn
die Temperatur des Wärme-Trägerfluids im Sonnenkollektor
SK niedriger liegt als die Temperatur im Hauptspeicher HS und niedriger
liegt als die Temperatur im Rohrkörper RK des Erdspeichers bleibt
die erste Umwälzpumpe ausgeschaltet und das Dreiwegeventil
WV ist durch die Steuereinrichtung vorteilhafterweise in eine Stellung
geschaltet, in welcher der Strömungsweg durch den weiteren
Wärmetauscher WT gesperrt ist. Diese Ventilstellung sei als
die Normalstellung betrachtet. Die erste Umwälzpumpe P1
ist bei diesen Temperaturverhältnissen ausgeschaltet. Vorteilhafterweise
ist ein zusätzliches schaltbares Absperrventil VA gesperrt.
Das Absperrventil VA ist vorteilhafterweise von der Steuereinrichtung
immer gemeinsam mit der ersten Umwälzpumpe P1 angesteuert,
d. h. beim Förderbetrieb der ersten Umwälzpumpe
geöffnet und bei abgeschalteter erster Umwälzpumpe
gesperrt.
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Wenn
die Temperatur des Wärme-Trägerfluids im Sonnenkollektor
nicht höher als die Temperatur der Speicherflüssigkeit
im Hauptspeicher, aber höher als die Temperatur des Wärme-Trägerfluids
im Rohrkörper RK des Erdspeichers ist, schaltet die Steuereinrichtung
die erste Umwälzpumpe P1 ein und öffnet dabei
gleichzeitig das Absperrventil VA. Die erste Umwälzpumpe
P1 erzeugt einen Volumenstrom des Wärme-Trägerfluids
durch den ersten Teilkreis des hydraulischen Leitungssystems, welcher, wie
bereits beschrieben, teilweise mit dem zweiten Teilkreis überlappt.
In dieser Betriebsart wird erwärmtes Wärme-Trägerfluid
vom Ausgang des Sonnenkollektors SK über die erste Vorlaufleitung
V1 und das in Normalstellung geschaltete Mehrwegeventil WV durch
den Wärmetauscher TP der Kaltseite der Wärmepumpe
hindurch und über die Rücklaufleitung R2 dem Rohrkörper
RK des Erdspeichers zugeleitet und führt dabei dem Erdspeicher
Wärme zu. Das im Erdspeicher abgekühlte Wärme-Trägerfluid
wird über die Vorlaufleitung V2 und die Rücklaufleitung
R1 wieder dem Sonnenkollektor zugeführt. Eine für
einen Volumenstrom des Wärme-Trägerfluids im zweiten
Teilkreis vorgesehene zweite Umwälzpumpe P2 ist vorteilhafterweise
in dieser Betriebsart ausgeschaltet. Um den Strömungswiderstand
für den Volumenstrom des Wärme-Trägerfluids
möglichst gering zu halten, ist die zweite Umwälzpumpe
durch eine Überbrückungsleitung UL, in welcher
ein Rückschlagventil UV angeordnet ist, überbrückt.
Die Durchlassrichtung des Rückschlagventils UV verläuft
in Strömungsrichtung des umgewälzten Wärme-Trägerfluids,
so dass der Volumenstrom des Wärme-Trägerfluids
primär durch die Überbrückungsleitung
UL und das Rückschlagventil UV strömt und ein
Strömungsanteil durch die zweite Wärmepumpe vernachlässigbar
ist. Ein Absperrventil bei der zweiten Umwälzpumpe ist
nicht erforderlich.
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Prinzipiell
könnte bei der zuletzt beschriebenen Betriebsart mit eingeschalteter
erster Umwälzpumpe und ausgeschalteter zweiter Umwälzpumpe durch
Inbetriebnahme der Wärmepumpe auch Wärme von dem
den Wärmetauscher TP auf der Kaltseite der Wärmepumpe
durchströmenden Wärme-Trägerfluid entnommen
und über die Warmseite der Wärmepumpe Wärmeenergie
in den Hauptspeicher eingespeichert werden. Vorzugsweise wird beim
Betrieb der Wärmepumpe aber jeweils durch Einschalten der
zweiten Umwälzpumpe Wärme-Trägerfluid
in dem zweiten Teilkreis des hydraulischen Leitungssystem umgewälzt,
wobei die erste Umwälzpumpe je nach Temperaturverhältnissen
ausgeschaltet oder zusätzlich eingeschaltet sein kann.
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Wenn
die Temperatur des Wärme-Trägerfluids im Sonnenkollektor
niedriger liegt als die Temperatur des Wärme-Trägerfluids
im Rohrkörper RK des Erdspeichers, bleibt die erste Umwälzpumpe
ausgeschaltet und das Absperrventil VA ist geschlossen. Die zweite
Umwälzpumpe fördert dann einen Volumenstrom des
Wärme-Trägerfluids in dem zweiten Teilkreis, welcher
eine Bypassleitung BL enthält und von der Pumpe über
einen Teilabschnitt der Vorlaufleitung V2 des zweiten Teilkreises,
die Bypassleitung BL, den Wärmetauscher TP der Kaltseite
der Wärmepumpe, die Rücklaufleitung R2, den Rohrkörper
RK des Erdspeichers und einen Abschnitt der Vorlaufleitung V2 zurück
zur Pumpe umfasst. Das in der die zweite Umwälzpumpe überbrückenden Überbrückungsleitung
UL an geordnete Rückschlagventil UV verhindert ein Rückströmen
von Wärme-Trägerfluid unmittelbar vom Ausgang
der zweiten Umwälzpumpe auf deren Eingang. Die Bypassleitung
BL schließt den zweiten Teilkreis R2 und enthält
ein Rückschlagventil BV, welches in Strömungsrichtung
des zweiten Teilkreises öffnet. Die Bypassleitung BL verbindet auch
zugleich die Rücklaufleitung R1 und die Vorlaufleitung
V1 des ersten Teilkreises, wobei aber das Rückschlagventil
BV ein Überströmen von Wärme-Trägerfluid
von der Vorlaufleitung V1 in die Rücklaufleitung R1 verhindert.
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Der
Strömungswiderstand der Bypassleitung mit dem Rückschlagventil
BV, welches vorteilhafterweise wiederum als Klappenventil ausgeführt
ist, ist gering, so dass ein Nebenstrom des von der zweiten Umwälzpumpe
P2 geförderten Volumenstroms über die Rücklaufleitung
R1, den Sonnenkollektor SK und die Vorlaufleitung V1 auch ohne das
Absperrventil VA gering wäre. Durch das Absperrventil VA
ist aber auch ein solcher geringer Nebenstrom vollständig unterbunden
und der gesamte, von der zweiten Umwälzpumpe P2 geförderte
Volumenstrom fließt ausschließlich im zweiten
Teilkreis durch die Bypassleitung BL. Im Wärmetauscher
WP der Kaltseite der Wärmepumpe wird Wärmeenergie
von dem umgewälzten, am Eingang des Wärmetauschers
TP im wesentlichen auf der Temperatur des Wärme-Trägerfluids
im Rohrkörper RK des Erdspeichers befindlichen Wärme-Trägerfluid
auf das nach Entspannung im Entspannungsventil EV abgekühlte
Arbeitsfluid der Wärmepumpe übertragen. Das dabei
abgekühlte Wärme-Trägerfluid fließt über
die Rücklaufleitung R2 zurück zum Erdspeicher.
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Wenn
während des Betriebs der Wärmepumpe und der zweiten
Umwälzpumpe P2 die Temperatur des Wärme-Trägerfluids
im Sonnenkollektor höher liegt als die Temperatur im Rohrkörper
RK des Erdspeichers, kann über die Steuereinrichtung auch die
erste Umwälzpumpe P1 eingeschaltet werden, welche dann
erwärmtes Trägerfluid über die Vorlaufleitung
V1 dem Wärmetauscher TP auf der Kaltseite der Wärmepumpe
zusammen mit einem Volumenstromanteil über die Bypassleitung
BL zugeleitet wird. Der von der zweiten Umwälzpumpe P2
geförderte Volumenstrom fließt zum Teil über
die Rücklaufleitung R1 zu dem wärmeren Sonnenkollektor
und zu einem anderen Teil durch die Bypassleitung. Der durch die
Bypassleitung BL fließende Volumenstromanteil wird mit
dem durch die Vorlaufleitung V1 strömenden wärmeren
Volumenstromanteil aus dem Sonnenkollektor vermischt und durch den
Wärmetauscher TP der Kaltseite der Wärmepumpe
gefördert. Die Förderleistung der zweiten Umwälzpumpe P2
ist dabei vorteilhafterweise höher, insbesondere wenigstens
doppelt so hoch wie die Förderleistung der ersten Umwälzpumpe
P1.
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Zusätzlich
kann ein weiteres Rückschlagventil VV in der Vorlaufleitung
V1 eingefügt werden, um z. B. eine selbsttätig
einsetzende unerwünschte Schwerkraftumwälzung
des Trägerfluids zu unterbinden.
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Die
erste und die zweite Umwälzpumpe und das steuerbare Drei-Wege-Umschaltventil
WV können auch an anderen Leitungspositionen eingebaut sein.
Der Einbau an den skizzierten Positionen ist bevorzugt. In der Skizze
nach 2 ist der Kondensator CP als Wärmetauscher
auf der Warmseite der Wärmepumpe in dem Hauptspeicher HS
oberhalb des weiteren Wärmetauschers WT zur direkten Übertragung
von Wärmeenergie aus dem Sonnenkollektor-Kreislauf in den
Hauptspeicher angeordnet, was vorteilhaft für eine direkte
Erwärmung der dem Hauptspeicher unten mit niedriger Temperatur
zugeführten Speicherflüssigkeit aus dem Solarkreislauf ist.
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3 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform
eines durchströmbaren Rohrkörpers als Teil eines
von Erdspeichers. Der Rohrkörper weist ein Außenrohr
AR mit linearer Rohrmittelachse RA auf. An einem ersten, im skizzierten
Beispiel oben liegenden Rohrende sind zwei Anschlüsse als
Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss für ein durch den Rohrkörper
förderbares Wärme-Trägerfluid vorgesehen.
Innerhalb des von dem Außenrohr umschlossenen Innenraums
verläuft ein Innenrohr, welches vorzugsweise koaxial zu
dem Außenrohr verläuft und von den Innenwänden
des Außenrohres beabstandet ist und beispielsweise durch
Abstandshalter gegen diese Innenwände abgestützt
sein kann. Das Innenrohr reicht von einem der Anschlüsse
an dem ersten Rohrende über nahezu die vollständige
Länge des Außenrohrs bis nahezu dessen zweitem
Rohrende und mündet dort in den Innenraum des Außenrohres. Die
Strömungsrichtung eines durch den Rohrkörper geförderten
Wärme-Trägerfluids verläuft vorzugsweise
von dem ersten Anschluss Z1 durch das Innenrohr bis zum zweiten
Rohrende und von dort zwischen Innenrohr und Innenwand des Außenrohres
zurück zum zweiten Anschluss Z2. Das Innenrohr IR ist vorzugsweise
durch Ausführung aus schlecht wärmeleitendem Material
und/oder durch eine zusätzliche Wärmeisolierschicht
gegen den Innenraum ZR in Richtung der Innenwand des Außenrohres
thermisch isoliert, so dass durch den Rohrkörper gefördertes Wärme-Trägerfluid
ohne nennenswerte Temperaturänderung von dem ersten Anschluss
Z1 bis zum entgegen gesetzten Rohrende geleitet wird und auf dem
Rückweg durch den großfächigen Wärmekontakt
mit dem Außenrohr über dieses Wärmeenergie mit
dem umgebenden Erdreich ER austauscht. Das Außenrohr kann
für die Begünstigung eines guten Wärmeaustausches
zwischen Wärme-Trägerfluid und Erdreich aus einem
gut wärmeleitenden Material, beispielsweise Aluminium,
bestehen.
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Das
dem ersten Ende abgewandte zweite Ende des Außenrohres
ist vorteilhafterweise konisch oder flach meißelartig zugespitzt,
wodurch sich das Außen rohr leichter in Erdreich einpressen
oder einschlagen läßt. Das Innenruhr IP, welches
z. B. auch aus Kunststoff bestehen kann, kann nach Einbringen des
Außenrohrs AR in das Erdreich mit den Bauteilen Z1, Z2
in das Außenrohr eingesetzt und an diesem befestigt werden.
Die Vorlaufleitung V2 und die Rücklaufleitung R2 werden
mit den Anschlüssen Z1, Z2 verbunden.
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3(B) zeit einen Querschnitt durch den Rohrkörper
entlang B-B von 3(A) und veranschaulicht die
koaxiale Lage von Innenrohr und Außenrohr um die Rohrlängsachse
RA. Das Schnittbild nach 3(A) entspricht
einem Schnitt entlang von A-A der 3(B).
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In 3(B) sind von der Außenwand des Außenrohrs
AR radial abstehende Fortsätze FO mit unterbrochener Linie
eingezeichnet, durch welche angedeutet sein soll, dass an der Außenfläche
des Außenrohres derartige, insbesondere als zur Rohrachse
RA parallele längliche Stege oder ähnliche Strukturen
vorgesehen sein können, durch welche die Oberfläche
des Außenrohrs, mit welcher dieses mit dem Erdreich in
Kontakt steht, vergrößert werden kann.
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In
nicht dargestellter Ausführung kann alternativ auch an
der Außenseite des Außenrohres AR eine um die
Rohrlängsachse gewendelte Struktur vorgesehen sein, mittels
welcher das Außenrohr durch Drehen um seine Rohrachse RA
in das Erdreich eingeschraubt werden kann.
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Der
Rohrkörper RK kann in an sich beliebiger Lage im Erdreich
angeordnet sein. Eine Ausrichtung mit vertikaler Rohrachse ist bevorzugt.
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Die
vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie
die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als
auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung
ist nicht auf die beschriebe nen Ausführungsbeispiele beschränkt,
sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei
Weise abwandelbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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