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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Gewinnung von Wärme
oder Kälte mit einer Luftwärmepumpe.
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Stand der Technik
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Die
Gewinnung von Wärme aus der Umgebungsluft zur Heizung von
Gebäuden wird mit Luftwärmepumpen realisiert.
In diesen Anlagen wird die Umgebungsluft mit Ventilatoren zu dem
Verdampfer der Wärmepumpe geführt, dabei wird
die Luft abgekühlt und ihr die Wärme entzogen.
Zur Verbesserung werden sogenannte Erdreichwärmetauscher
verwendet. Dabei wird die Außenluft durch ein im Erdreich verlegtes
Rohrsystem angesaugt und vorgewärmt (z. B.
DE 10241751 A1 und
Dibowski,
G.: Leistungsbeispiele von Luft-/Erdwärmetauschern (L-EWT)
zur Luftvorwärmung und Raumkühlung, 6. Geothermische
Fachtagung, Akademie Mont Cenis, Herne, 18.–19.10.2000;
Neue Entwicklungen, Perspektiven, Herne 2000). Die Gewinnung
von Erdwärme erfolgt durch das Fördern von thermalem
Wasser aus dem Grundwasserleiter oder durch Abkühlen des
Erdreiches entlang waage- oder senkrecht eingebrachter Leitungen,
in denen die gewonnene Wärme auch transportiert wird (
DE 102005011239 A1 und
Informationen der geothermischen Vereinigung e. V.
www.geothermie.de).
Bekannt sind Kombinationen von Wärmepumpen mit Energieanlagen
auf der Basis von Elektroenergie, Öl, Gas, Holz u. ä.
(
Kunz, Peter: Wärmepumpen und Kältemaschinen – www.kunz-dietlikon.ch).
Für die Heizung mittels Luftwärmepumpen bei niedrigen
Außentemperaturen oder Kühlung bei hohen Außentemperaturen
ist der energetische Aufwand für Kompressionsmaschinen erheblich,
so dass die Wirtschaftlichkeit nicht mehr gegeben ist. Auch die
Kombination von Erdwärmesonden mit anderen Energieanlagen
zur Heizung oder Kühlung ist nicht nur aufwändig,
sondern ebenso unwirtschaftlich und mit einem hohen Primärenergieeinsatz
verbunden.
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Charakteristik der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Luftwärmepumpe
zusätzlich mit Wärme oder Kälte zu versorgen,
so dass der Primärenergieanteil gesenkt wird. Dabei soll
die Luftwärmepumpe mit der Erdwärme- bzw. Erdkältegewinnung
so miteinander verknüpfbar sein, dass die Luftwärmepumpe
in der kalten Jahreszeit bei niedrigen Lufttemperaturen durch die
höhere Temperatur und in der warmen Jahreszeit bei hohen
Lufttemperaturen durch die niedrige Temperatur aus dem Erdreich
oder Grundwasser unterstützt wird.
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Dies
wird dadurch erreicht, dass erfindungsgemäß im
Heizluftstrom vor dem Verdampfer der Luftwärmepumpe ein
Kältemittel-Kondensator, der mit einer Verdampfererdwärmesonde
verbunden ist, und im Kühlluftstrom vor dem Kondensator
der Luftwärmepumpe ein Kältemittel-Verdampfer,
der mit der Verdampfererdwärmesonde verbunden ist, angeordnet
sind, so dass der Heizluftstrom vor dem Verdampfer der Luftwärmepumpe
mit Wärme aus der Kondensation im Wärmeübertrager
der Verdampfererdwärmesonde oder der Kühlluftstrom
vor dem Kondensator der Luftwärmepumpe mit Kälte
aus der Verdampfung im Wärmeübertrager der Verdampfererdwärmesonde
steuerbar beaufschlagt wird und damit die Umgebungsluft, bevor sie
in die Wärmepumpe gelangt, vorgewärmt oder abgekühlt
wird.
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Die
Vorwärmung erfolgt durch Kondensation eines verdampfbaren
Kältemittels, mit dem die Erdwärmesonden gefüllt
sind, in einem Wärmeübertrager in Abhängigkeit
von der Umgebungstemperatur, der Temperatur im Verdampfungsraum
der Sonde und vom Luftstrom. Häufig werden die Komponenten der
Luftwärmepumpe durch eine geeignete Schaltung auch zur
Kühlung genutzt. Auch bei diesem Anwendungsfall ist eine
Verknüpfung mit dem Erdreich nützlich, da mit
den geringeren Temperaturen im Erdreich die Kühlung bei
warmer Umgebungsluft unterstützt werden kann. Der im Heizmodus
als Verdampfer wirkende Wärmeübertrager der Wärmepumpe wird
im Kühlmodus zum Kondensator und die Abkühlung
erfolgt durch Verdampfung des Kältemittels, dass aus den
Erdwärmesonden in den Wärmeübertrager
in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und der Temperatur
im Verdampfungsraum gepumpt wird.
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Vorteile der Erfindung
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Mit
geringem Aufwand wird eine Luftwärmepumpe um eine geothermische
Komponente erweitert, so dass die Wirtschaftlichkeit erheblich verbessert
wird. Beim Heizen werden die Vorteile der Luftwärmepumpe,
wenn die Umgebungstemperaturen über der Temperatur des
Erdreiches liegen, mit den Vorteilen der Erdwärmeanlage
verknüpft, wenn die Umgebungstemperaturen unter den Temperaturen des
Erdreiches liegen, verbunden. In analoger Weise gilt dieser Zusammenhang
auch für die Kühlung. Mit dieser Anordnung wird
nicht in den Kältemittelkreislauf der Luftwärmepumpe
eingegriffen, so dass jederzeit eine Nachrüstung von uneffektiv
arbeitenden Anlagen möglich ist. Die Vorwärmung
erfolgt in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur, der
Temperatur im Verdampfungsraum der Sonde und vom Luftstrom.
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Da
das Erdreich im Gegensatz zur Umgebungsluft sowohl für
die Wärme als auch für die Kälte als
Speicher nutzbar ist, verstärken sich die Vorteile bei
wechselnder Nutzung zwischen Heizen und Kühlen.
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Ausführungsbeispiel
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Die
Erfindung wird anhand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung der Verknüpfung einer Austauscher-Erdwarmesonde
als integrierte Kühl- und Verdampfererdwärmesonde
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2:
eine schematische Darstellung der Verknüpfung einer U-Rohr-Erdwärmesonde
mit einer Luftwärmepumpe
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Die
Energie aus der Erde wird mit dem integrierten Kühl- und
Verdampferrohr 17 der Verdampfererdwärmesonde 28 gewonnen
(1). Das verfüllte Bohrloch 1 wird
vom Wärme- bzw. Kältespeicher 25 und
der Erdwärme 14 beaufschlagt. Die Verdampfererdwärmesonde 28 weist
das Kühl- und Verdampferrohr 17, die Kondensatleitung 18,
den Verdampfungsraum 24, den Flüssigkeitssammler 20 mit Flüssigkeitsspiegel 21 sowie
das verdampfte Kältemittel 22 und das Kältemittelkondensat 23 auf.
Die Anordnung hat den Vorteil, dass im Heizmodus die Kondensation
im Wärmeübertrager 5, der mit dem Verdampfungsraum 24 der
Erdwärmesonde verbunden ist, genau dann einsetzt, wenn
die Temperatur des Luftstromes 13 unter der des Verdampfungsraumes
absinkt. Der Wärmeübertrager 5 ist so
angeordnet, dass dieser direkt im Luftanstrom 13 des Wärmeübertragers 6 liegt.
Die Zirkulation des Kältemittels erfolgt selbständig
ohne weiteren Fremdenergieaufwand. Die Luftwärmepumpe 29 besteht
im Wesentlichen aus den Komponenten Verdichter 8, Motor 9, Ventilanordnung 10,
Heizkreislauf 12 und den Wärmeübertragern 6 und 11.
Der Ventilator 19 des Wärmeübertragers 6 saugt
die Umgebungsluft an den Lamellenrohren vorbei, so dass die Wärme
aus der Luft 13 auf das Kältemittel im Kreislauf
der Luftwärmepumpe übertragen wird. Wenn die Luftwärmepumpe 29 im
Heizmodus außer Betrieb ist, wird das Kühl- und
Verdampferrohr 17 mit dem Ventil 27 geschlossen,
um nicht unnötig Erdwärme an den Wärmeübertrager 5 zu
liefern. Mit Bypassklappen (hier nicht dargestellt) kann der Luftstrom 13 bei
höherer Umgebungstemperatur als der Temperatur im Verdampfungsraum
dann direkt dem Wärmeübertrager 6 zugeführt
werden. Die abgegebene Kondensationswärme im Wärmeübertrager 5 erwärmt
den Luftstrom 13, bevor er den Wärmeübertrager 6 erreicht
und leitet damit die Vorwärmung des Luftstromes 13 ein (1).
Die Verdampfung des Kältemittels läuft dadurch
im Kreislauf der Luftwärmepumpe 29 bei höheren
Temperaturen ab. Für die Erzeugung der Heizwärme
in dem Heizkreislauf 12, der über den Wärmeübertrager 11 versorgt
wird, wird somit eine geringere Arbeit des Verdichters 8 erforderlich.
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Im
Kühlmodus wechseln die Wärmeübertrager 6; 11 ihre
Funktion im Kältekreislauf der Luftwärmepumpe 29.
Mit dem 4-Wegeventil 26 und den beiden 3-Wegeventilen 4; 30 ist
die Umkehrung vorzunehmen. Ebenso wechseln die Ventilatoren 19 ihre Drehrichtung,
so dass der Luftstrom 13 erst den Wärmeübertrager 7 und
anschließend den Wärmeübertrager 6 erreicht.
Die Kühlfunktion der Luftwärmepumpe 29 wird
durch die Verdampfung des aus der Verdampfererdwärmesonde 28 mit
der Speisepumpe 16 geförderten Kondensates im
Wärmeübertrager 7 unterstützt.
Der Luftstrom 13 wird mit der Verdampfungswärme
abgekühlt, bevor er den Wärmeübertrager 6 erreicht.
Das verdampfte Kältemittel 23 strömt zurück
in das Kühl- und Verdampferrohr 17, wird dort an
dem kälteren Erdreich kondensiert, sammelt sich am Fuß der
Sonde 20 und kann danach von dort erneut mit der Speisepumpe 16 nach
oben zur Kühlung gefördert werden. Dadurch wird
beim Kühlen ebenso wie beim Heizen Verdichterarbeit und
damit auch Primärenergie gespart.
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Wird
zwischen Kühl- und Heizmodus beispielsweise im Tages- oder
Jahresrhythmus gewechselt, wirkt sich die Speicherung von Wärme
bzw. Kälte 25 im Erdreich energetisch positiv
auf den jeweils folgenden Heiz- oder Kühlprozess aus. Wird
die Richtung des Luftstromes 13 nicht umgekehrt (hier nicht
dargestellt), kann auf den Wärmeübertrager 7 und
das 3-Wegeventil 4 verzichtet werden. Der Wärmeübertrager 5 über nimmt
dann die beiden Funktionen Vorwärmen und Vorkühlen
und die Drehrichtung des Ventilators bleibt gleich.
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Zur
Nutzung der Erdwärme 14 kann auch eine Zirkulationserdwärmesonde 31 mit
der Luftwärmepumpe 29 gekoppelt (2)
werden. Die Zirkulationserdwärmesonde 31 weist
das im Erdreich angeordnete Bohrloch 1 mit U-Rohr 2 auf,
dass im Verfüllmaterial 15 eingebettet ist. Die
Luftwärmepumpe 29 besteht aus den oben beschriebenen
Komponenten und arbeitet nach dem analogen Prinzip wie mit einer Verdampfererdwärmesonde 28.
Der Wärmeübertrager 5 ist ebenso angeordnet,
dass dieser direkt im Luftanstrom 13 des Wärmeübertragers 6 liegt.
Der Wärmeübertrager 5 ist in dem Zirkulationskreislauf der
Zirkulationserdwärmesonde 31 mit dem U-Rohr 2 eingebunden.
Mit der Zirkulationspumpe 3 wird das Fluid durch das U-Rohr 2 und
den Wärmeübertrager 5 gepumpt, wenn die
Umgebungslufttemperatur kleiner als die Temperatur des Fluids aus
der Zirkulationserdwärmesonde 31 ist. Die über
das U-Rohr 2 transportierte Wärme wird auf die
angesaugte Luft 13 übertragen. Ist die Temperatur
des Luftstroms 13 größer als die Temperatur
des Fluids aus der Zirkulationserdwärmesonde 31,
wird die Zirkulationspumpe 3 abgestellt.
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Die
Umschaltung in den Kühlmodus erfolgt analog in der oben
beschriebenen Weise. Die Zirkulationspumpe 3 wird dann
betrieben, wenn die Temperatur des Fluids, das aus der Zirkulationserdwärmesonde 31 gepumpt
wird, kleiner als die der Umgebungsluft ist. Der Luftstrom 13 wird
dadurch im Wärmeübertrager 7 abgekühlt,
bevor er den Wärmetauscher 6 erreicht. Dadurch
wird auf analoger Weise Verdichterarbeit und damit auch Primärenergie
gespart.
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Bei
Luftwärmepumpen, die mit Motoren mit einer hohen Abwärme,
wie zum Beispiel Verbrennungsmotoren, angetrieben werden, wird die
Luft auch zum Kühlen der Motore verwendet. In diesem Fall
wird im Heizmodus die Abwärme, wenn sie höhere
Temperaturen als die Umgebungstemperatur aufweist, vom Wärmeübertrager 7 aufgenommen
und dem zirkulierenden Fluid in der Zirkulationserdwärmesonde 31 zugeführt
oder direkt zur Wärmegewinnung genutzt.
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Die
Vorwärmung bzw. Abkühlung des Luftstromes 13 ist
auch von Erdkollektoren, sowohl mit Fluidzirkulation als auch mit
Direktverdampferanordnungen, von Abwasserwärmetauschern
und von Solarkollektoren zu gewinnen.
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Neben
der Anwendung für die Kühlfunktion bei Luftwärmepumpen
kann die Lösung auch für Kaltwassersätze
eingesetzt werden.
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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Gewinnung von Wärme
oder Kälte mit einer Luftwärmepumpe, bei der im
Heizluftstrom vor dem Verdampfer der Luftwärmepumpe ein
Kältemittel-Kondensator, der mit einer Verdampfererdwärmesonde
verbunden ist, und im Kühlluftstrom vor dem Kondensator
der Luftwärmepumpe ein Kältemittel-Verdampfer,
der mit der Verdampfererdwärmesonde verbunden ist, angeordnet
sind.
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- 1
- Bohrloch
- 2
- U-Rohr
- 3
- Zirkulationspumpe
- 4
- Dreiwegeventil
im Kreislauf der Zirkulationserdwärmesonde 31
- 5
- Wärmeübertrager
- 6
- Wärmeübertrager
- 7
- Wärmeübertrager
- 8
- Verdichter
- 9
- Motor
- 10
- Ventilanordnung
- 11
- Wärmeübertrager
- 12
- Heizkreislauf
- 13
- Heizluftstrom
- 14
- Erdwärme
aus dem Erdreich
- 15
- Verfüllmaterial
- 16
- Speisepumpe
- 17
- Kühl-
und Verdampferrohr
- 18
- Kondensatleitung
- 19
- Ventilator
- 20
- Flüssigkeitssammler
- 21
- Flüssigkeitsspiegel
- 22
- verdampftes
Kältemittel
- 23
- Kältemittelkondensat
- 24
- Verdampfungsraum
- 25
- Wärme-
bzw. Kältespeicher um das Bohrloch
- 26
- Vierwegeventil
- 27
- Ventil
- 28
- Verdampfererdwärmesonde
- 29
- Luftwärmepumpe
- 30
- Dreiwegeventil
im Kreislauf der Luftwärmepumpe 29
- 31
- Zirkulationserdwärmesonde
- 32
- Kühlluftstrom
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10241751
A1 [0002]
- - DE 102005011239 A1 [0002]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Dibowski,
G.: Leistungsbeispiele von Luft-/Erdwärmetauschern (L-EWT)
zur Luftvorwärmung und Raumkühlung, 6. Geothermische
Fachtagung, Akademie Mont Cenis, Herne, 18.–19.10.2000;
Neue Entwicklungen, Perspektiven, Herne 2000 [0002]
- - www.geothermie.de [0002]
- - Kunz, Peter: Wärmepumpen und Kältemaschinen – www.kunz-dietlikon.ch [0002]