DE20004881U1 - Vorrichtung zur Temperierung von Gebäude-Innenräumen - Google Patents
Vorrichtung zur Temperierung von Gebäude-InnenräumenInfo
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Description
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64646 Heppenheim
Vorrichtung zur Temperierung von Gebäude-Innenräumen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur ganzjährigen Temperierung von Gebäude-Innenräumen durch nach dem Stahlungsprinzip arbeitende Flächen-Temperierungssysteme, wie Boden-, Decken-, Wand- oder Betonkern- Heizungs-/Kühlsysteme, deren mit der Luft im Gebäudeinnern wärmetauschenden Funktionseinheiten von einem flüssigen Wärmeträgermedium, vorzugsweise gegebenenfalls mit Korrisions-und/oder Frost-Schutzbeimischungen versehenen Wasser durchströmt sind, wobei die Vor- und Rücklaufleitung der Funktionseinheiten des jeweiligen Flächen-Temperierungssystems an dem Verdampfer bzw. dem Kondensator zugeordnete Wärmetauscher einer abhängig von der Betriebsweise ihrerseits über einen geothermisehen Kreislauf des flüssigen Wärmetragermediums Wärme aus dem Boden entnehmenden bzw. Wärme in den Boden abführenden Wärmepumpe angeschlossen sind.
Wärmepumpe zur Erzeugung von Wärmeenergie auf ein gegenüber einer Wärmequelle höheren Temperaturniveau sind ebenso bekannt wie Kältemaschinen, die nach grundsätzlich dem gleichen Arbeitsprinzip arbeiten, wobei jedoch die Kälteerzeu-
gung im Vordergrund steht. Im jedem Fall wird zum Antrieb der Wärmepumpe bzw. Kühlmaschine zusätzliche Antriebsenergie erforderlich, wobei der wirtschaftliche Nutzen zwischen Nutzenergie und Antriebsenergie als Leistungszahl bezeichnet wird. Als wirtschaftlich interessant gilt für den Einsatz konventioneller Wärmepumpen eine Leistungszahl 3, während höhere Werte (4 und mehr) als optimal gelten. Je kleiner der Temperaturhub ist, desto höher ist die Leistungszahl .
Neue Anlagensysteme in der Gebäudetechnik wie Kühl-/Heizdecken, Fußbodenheizung/-Kühlung, Wandheizung/-Kühlung und die Betonkerntemperierung arbeiten überwiegend nach dem Strahlungsprinzip und haben als sog. Flächensysteme miteinander gemeinsam, dass sie mit niedrigen Temperaturdifferenzen zur gewünschten Raumtemperatur betrieben werden können. D.h. die mittlere Heizmediumtemperatur liegt nur etwa 5 bis 120K über und die mittlere Kühlmediumtemperatur nur ca. 1O0K unter der Raumtemperatur. Dabei bietet sich als zukunftsfähige ökologische Ergänzung zur Gebäudetemperierung über Flächensysteme die Nutzung regenerativer Energiequellen über Energiepfähle, Erd-, Bodenkollektoren unter guten Voraussetzungen an, da auf diese Weise die Potentiale des Untergrunds ausgenutzt werden können. Das Erdreich weist in bereits relativ geringen Tiefen über das Jahr nahezu gleichmäßige Temperaturen im Bereich von 10 bis 130C auf und bietet damit die Möglichkeit, Wärme aus dem Untergrund zu fördern und überschüssige Wärme wieder in den Untergrund einzuleiten. Wegen der bestehenden geringen Temperaturdifferenzen für Heiz- und Kühlbetrieb eignen sich dabei Wärmepumpen in besonderem Maße und erzielen sehr günstige Leistungszahlen und damit eine hohe Wirtschaftlichkeit, wobei die heute am Markt erhältlichen Wärmepumpen meistens für Standardanwendungen der Klimakälte ausgelegt sind.
Bei den marktüblichen Wärmepumpen für den Einsatz in der Gebäudetechnik unter Nutzung der Geothermie sind die Tempe-
raturdifferenzen zwischen Ein- und Austritts des Wärmetauschers standardmäßig auf 60K ausgelegt, Flächen-Temperierungssysteme weisen eine geringere Temperaturdifferenz auf, so dass mit den normalen Wärmepumpen und der üblichen Größe der Wärmetauscher keine hinreichende Kühl- oder Heizleistung erbracht werden kann, es sei denn, dass die Wärmepumpe in ihrer Leistung höher als an sich erforderlich ausgelegt wird.
Die Umschaltung von Heiz- in den Kühlbetrieb erfolgt bei den bekannten Systemen über eine Umschaltung des Kälteprozesses, d.h. der Verdampfer wird zum Kondensator und umgekehrt, oder durch komplizierte und kosten- sowie raumaufwendige hydraulische Umsteuerung der Wasserwege in separater Installation.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur ganzjährigen Temperierung von Gebäudeinnenräumen durch nach dem Strahlungsprinzip arbeitende Flächen-Temperierungssysteme und Verwendung einer Wärmepumpe zu schaffen, welche die erforderliche Heiz- bzw. Kühlleistung zur Verfügung stellt, welche erforderlichenfalls relativ einfach von Heiz- auf Kühlbetrieb umschaltbar ist, wobei die Vorrichtung grundsätzlich auch für eine automatische Temperatursteuerung geeignet ausgebildet sein soll.
Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art. wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in den die Funktionseinheiten des Flächen-Temperierungssystems 0 mit den der Wärmepumpe zugeordneten Wärmetauschern verbindenden, von flüssigem Wärmeträgermedium durchströmten Vor- und Rücklaufleitungen ebenso wie in den Wärme aus dem Boden entnehmenden bzw. in den Boden abgebenden, von flüssigem Wärmeträgermedium durchströmten Vor- und Rücklaufleitungen des geothermischen Kreislaufs der Wärmetauscher Ventile angeordnet sind, welche jeweils eine Umschaltung des Vor- und des Rücklaufs zu bzw. von den zugeordneten Funktionseinhei-
ten des Flächen-Temperierungssystems und des geothermischen Kreislaufs gestatten, und dass die Betätigungsorgane der Dreiwegeventile durch eine Steuereinrichtung betätigbar sind, welche über Temperatursensoren die im Gebäudeinnern herrschende Temperatur überwacht und Betätigungssignale zur Betätigung der Dreiwegeventile bei Abweichung von vorgewählten Gebäude-Innentemperaturen generiert. Die Umschaltung der Vorrichtung von der Funktion einer Wärmepumpe zur Beheizung auf eine Kältemaschine zur Kühlung der Gebäude-Innenräume kann dann automatisch durch Umschaltung der Vor- und Rücklaufleitung der vom flüssigen Wärmeträgermedium, d.h. vorzugsweise also Wasser durchströmte Funktionseinheiten erfolgen, so dass also auf die bei Stand der Technik überwiegend angewandten Umschaltung des Kälteprozesses in der Wärmepumpe oder auf aufwendi-ge Installationen außerhalb der Vorrichtung verzichtet werden kann.
Die Leistungszahl der Vorrichtung ist dabei wegen der relativ geringen Temperaturdifferenz des Wärmetauschermediums am Ein- und Auslass des Wärmetauschers besonders günstig, wobei in erfindungsgemäßer Weiterbildung zweckmäßig die zur Übertragung von Wärmeenergie auf der Verdampfer- und der Kondensatorseite der Wärmepumpe vorgesehenen Wärmetauscher für das flüssige Wärmeträgermedium unter Berücksichtigung der Wärmekapazität des Wärmeträgermediums auf einen Durchsatz des Wärmeträgermediums ausgelegt sind, welcher eine verringerte Temperaturspreizung At im Bereich von ca. 3 bis 40K zwischen der Temperatur des flüssigen Wärmeträgermediums im Vor- und Rücklauf der Funktionseinheiten des Flä-0 chen-Temperierungssystems und der Funktionsheiten des geothermischen Kreislaufs erlaubt. Das bedeutet also, dass diese Wärmetauscher sowie weitere für die Funktion der Kreisläufe des Wärmeträgermediums erforderliche Leitungen und Bauelemente wie Pumpen o.dgl. auf vergleichsweise größere Durchströmungsmengen ausgelegt werden, um den Vorteil
der erhöhten Leistungszahl bei geringerer Temperaturspreizung und die erforderliche Temperierungsenergie zu erhalten .
Zweckmäßig ist eine unabhängige Temperaturregelung für das flüssige Wärmeträgermedium auf der Verdampfer- und/oder Kondensatorseite der Wärmepumpe vorgesehen, wobei im Vor- und/oder Rücklauf des im Flächen-Temperierungssystem und/oder das im geothermischen Kreislauf strömenden flüssigen Wärmeträgers auch erforderliche Umwälzpumpe und Pufferbehälter für das Wärmeträgermedium vorgesehen sein können.
Die Erfindung ist nachstehend anhand eines beigefügten Prinzip-Schaltbilds der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert.
Die im Schaltbild dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Temperierung von Gebäude-Innenräume umfasst grundsätzlich die innerhalb des strichpunktierten Rechtecks dargestellten und zweckmäßig zu einer integrierten Baueinheit zusammengefaßten Baugruppen.
Zu diesen Baugruppen gehört die grundsätzlich konventionell aufgebaute Wärmepumpe 12 mit einem Verdampfer 14, ein Kompressor 16, ein Kondensator 18 und einem Expansionsventil 20, durch welche im Kreislauf das Arbeitsmedium strömt, wobei der die Antriebsleistung für den Kompressor 16 zur Verfügung stellende Antriebsmotor nicht dargestellt ist.
0 An je einem dem Verdampfer 14 und dem Kondensator 18 zugeordneten Wärmetauscher 22 bzw. 24 sind jeweils einerseits die Vor- und Rücklaufleitung 26 bzw. 28 für das einer Kühl-/Heizdecke 27 zu- bzw. von ihr abgeführte, im speziellen Fall von Wasser gebildete flüssige Wärmeträgermedium und andererseits die Vor- und Rücklaufleitung 32 bzw. 34 für flüssiges Wärmeträgermedium, d.h. ebenfalls Wasser angeschlossen, welche zu in geeigneter Tiefe im Untergrund an-
zuordnenden Energiepfählen oder -sonden 3 6 zur Aufnahme vor Wärmeenergie aus dem bzw. Abgabe von Wärmeenergie in den Boden dienen. Die Vor- und Rücklaufleitungen 26, 28 bzw. 32, 34 sind jeweils zu Umschaltventilen 38, 40 bzw. 42, 44 geführt, welche eine wahlweise Umschaltung der Vor- und Rücklaufleitung auf die Wärmetauscher 22 bzw. 24 erlauben. Damit ist es möglich, die Vor- und Rücklaufleitung der Kühl-/Heizdecke 30 wahlweise auf den dem Verdampfer zugeordneten Wärmetauscher 22 oder den dem Kondensator zugeordneten Wärmetauscher 24 zu schalten, wodurch eine Umschaltung vom Kühl- auf Heizbetrieb ausschließlich durch Umschaltung der Dreiwegeventile 38, 40 und 42, 44 möglich ist.
Die zum Betrieb der Vorrichtung erforderlichen Hilfsaggregate wie Pumpen, Pufferbehälter und die automatische Steuerung zur Temperaturregelung sind im Schaltbild nicht dargestellt, da dieses nur den grundsätzlichen schaltungsmäßiger Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 veranschauli-0 chen soll, welcher die Umschaltung vom Kühl- auf den Heizbetrieb ermöglicht, ohne dass hier eine Umschaltung der Wärmepumpe erforderlich ist.
Claims (4)
1. Vorrichtung (10) zur ganzjährigen Temperierung von Gebäude-Innenräumen durch nach dem Strahlungsprinzip arbeitende Flächen-Temperierungssysteme, wie Boden-, Decken-, Wand- oder Betonkern- Heizungs-/Kühlsysteme, deren mit der Luft im Gebäudeinnern wärmetauschende Funktionseinheiten von einem flüssigen Wärmeträgermedium, vorzugsweise gege benenfalls mit Korrosions- und/oder Frostschutz-Beimischungen versehenem Wasser durchströmt sind, wobei die Vor- und Rücklaufleitungen (26; 28) der Funktionseinheiten des jeweiligen Flächen-Temperierungssystems an Wärmetauscher (22; 24) einer abhängig von der Betriebsweise ihrerseits über einen geothermischen Kreislauf des flüssigen Wärmeträgermediums Wärme aus dem Boden entnehmenden bzw. Wärme in den Boden abführenden Wärmepumpe (12) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass in den die Funktionseinheiten (z. B. 30) des Flächen- Temperierungssystems mit den der Wärmepumpe (12) zugeordneten Wärmetauschern (22; 24) verbindenden, von flüssigem Wärmeträgermedium durchströmten Vor- und Rücklaufleitungen (26; 28) ebenso wie in den Wärme aus dem Boden entnehmenden bzw. in den Boden abgebenden, von flüssigem Wärmeträger durchströmten Vor- und Rücklaufleitungen (32; 34) des geothermischen Kreislaufs zu den Wärmetauschern. (22, 24) Ventile (38, 40; 42, 44) angeordnet sind, welche jeweils eine Umschaltung des vor- und des Rücklaufs zu bzw. von den zugeordneten Funktionseinheiten des Flächen-Temperierungssystems und des geothermischen Kreislaufs gestatten, und dass die Betätigungsorgane der Ventile (38, 40; 42, 44) durch eine Steuereinrichtung betätigbar sind, welche über Temperatursensoren die im Gebäudeinnern herrschende Temperatur überwacht und Betätigungssignale zur Betätigung der Ventile bei Abweichung von vorgewählten Gebäude-Innentemperaturen generiert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Übertragung von Wärmeenergie auf der Verdampfer- und der Kondensatorseite der Wärmepumpe (12) vorgesehenen Wärmetauscher (22; 24) für das flüssige Wärmeträgermedium unter Berücksichtigung der Wärmekapazität des Wärmeträgermediums auf einen Durchsatz des Wärmeträgermediums ausgelegt sind, welche eine verringerte Temperaturspreizung Δt im Bereich von ca. 3 bis 4°K zwischen der Temperatur des flüssigen Wärmeträgermediums im Vor- und Rücklauf der Funktionseinheiten (z. B. 30) des Flächen-Temperierungssystems und der Funktionseinheiten (z. B. 36) des geothermischen Kreislaufs erlaubt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine unabhängige Temperaturregelung für das flüssige Wärmeträgermedium auf der Verdampfer- und/oder Kondensatorseite der Wärmepumpe (12) vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Vor- und/oder Rücklauf des im Flächen-Temperierungssystem und/oder des im geothermischen Kreislauf strömenden flüssigen Wärmeträgers Umwälzpumpen vorgesehen sind.
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