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DE3005910A1 - Heizsystem zur nutzung und speicherung der niedertemperaturwaerme - Google Patents

Heizsystem zur nutzung und speicherung der niedertemperaturwaerme

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Publication number
DE3005910A1
DE3005910A1 DE19803005910 DE3005910A DE3005910A1 DE 3005910 A1 DE3005910 A1 DE 3005910A1 DE 19803005910 DE19803005910 DE 19803005910 DE 3005910 A DE3005910 A DE 3005910A DE 3005910 A1 DE3005910 A1 DE 3005910A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
heat
temperature
heating system
long
term storage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE19803005910
Other languages
English (en)
Inventor
Franz Karl 8500 Nürnberg Krieb
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to DE19803005910 priority Critical patent/DE3005910A1/de
Publication of DE3005910A1 publication Critical patent/DE3005910A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24DDOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D11/00Central heating systems using heat accumulated in storage masses
    • F24D11/02Central heating systems using heat accumulated in storage masses using heat pumps
    • F24D11/0214Central heating systems using heat accumulated in storage masses using heat pumps water heating system
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/20Solar thermal
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P80/00Climate change mitigation technologies for sector-wide applications
    • Y02P80/20Climate change mitigation technologies for sector-wide applications using renewable energy

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Other Air-Conditioning Systems (AREA)
  • Central Heating Systems (AREA)

Description

  • Heizsystem zur Nutzung und Speicherung der Niedertemperaturwärme.
  • beschreibung: Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in gro3en engen anfallende Niedertemperatur-Abwärme von Kraftwerken und industrieanlagen beliebiger Art zu Beheizung von Räumen und Schwimmbädern nutzbar zu machen. Durch Ver-ertung von verfügbarer Wärme und Rückgewinnung von Abwärme des Haushalts und der Wärmesumpen soll die behelzbare Fläche vergrößert werden.
  • Ein großer eil der Kraftwerke überträgt die Abwärme mit ilfe von Kühlturmen ungenutzt an die Umgebungsluft ozw. de Flußwasser. emühangen, diese Abwärme zu nutzen stoßen auf folgende Schwierigkeiten: Kraftwerke sind beruht, die Energie so weit wie möglich für die Stromerzeugung zu nützen. Das ergibt Abwärme bei Temperaturen, die für den Vorlauf von üblichen Radiatoren-Heizungen zu niedrig sind. In den langen Leitungen bis zu den Wohngebieten entstehen verluste, die eine weitere Senkung der Temperatur bewirken. Die Nutzung der Kraftwerksabwärme ist häufig mit dem Verzicht auf die vclle verwertung der verfügoaren Energie zur Stromerzeugung verbunden.
  • Der Wärmebedarf für Gebäudeheizung ist je nach Jahreszeit sehr unterschiedlich. Kraftwerke müßen uber das ganze Jahr Strom erzeugen, wobei zwangsläufig auch im Sommer große Menge: an Abwärme entstehen, zu einer Zeit, als zur Gebäudeheizung nur sehr wenig gebraucht wird. Auch in den übrigen Jahreszeiten stimmt der bedarf an Heizenergie mit dem Anfall von Abwärme nur über relativ kurze Zeit überein. So kann die gesamte Menge der täglich anfallenden Abwärme nur beim Spitzentedarf an Heizenergie in wenigen Wochen des Jahres zur Gebäudeheizung eingesetzt werden. Die übrige Wärmemenge muß der umgebungsluft oder an Flüße uebertragen werden. Dazu werden große Kühltürme mit hohem Investitions- und Betriebsaufwand verwendet.
  • Schwierigkeiten, die mit der örtlichen Erhöhung der Flußwasser-Temperatur verbunden sind. kcmmen danu.
  • Die Speicherung der Wärme nat sich bisher weitgehend auf Temperaturen konzentriert, die für den vorlauf der eizanlage geeignet waren. Auch Niedertemperaturspeicher mit verscniedenen chemischen Speichermedien sind bekannt. Latentspeicher mit Wasser in kubischen oder rechteckigen behältern sind hinzugekommen. .eizsystemeS die einzelne Vorteile solcher Komponenten nützen2 sind ebenfalls bekannt.
  • Die Nachteile, der bisher bekannten Systeme sind: Wärmespeicher bei Temperaturen von 50 - 900 C müssen für die ganzjährige Versorgung sehr groß sein. Sie müssen sehr gut isoliert werden und verlieren über die lange Speicherzeit einen beträchtlichen Anteil der gespeicherten Wärme.
  • Sie müssen in teuren umbauten Räumen untergebracht werden. Die bisher bekannten Latentspeicher haben zwar einige beträchtliche Vorteile aufzuweisen, aber sie müssen auf bis zu 50 % der Latentwärme verzichten, um das Bersten des Speicherbehälters bei der Volumenvergrößerung des Speichermediums während der Vereisung zu vermeiden.(Wärmepumpen,Verlag C.F, Müller, Seite 177 und 178). Bisher bekannte Latentspeicher waren vorgesehen,bei etwa im unter der Erdoberfläche eingegraben zu werden, wo sie einen Teil ihrer Wärmeverluste bei der Entnahme von Wärme aus dem Erdreich zurückgewinnen konnten. Sie halten durch ihre kühle Speichermasse ihre nähere Umgebung länger als die Umwelt kühl. Dadurch werden die Wurzeln der Pflanzen über den Speicher langer als die der übrigen Pflanzen kühl gehalten, mit entsprechenden folgen für ihr Wachstum Auch ihre Unterbringung unter anderen Nutzflächen hat Nachteile für den Verkehr und Umgebung. Solche Latentspeicher, knapp unter der Erdoberfläche untergebracht2 mit ungünstigem Verhältnis zwischen ihrer Außenfläche zum Speichervolumen, entziehen dem Erdreich nur gringe Mengen an Wärme. Mit der Erfindung wird angestrebt, diese und andere Nachteile bisher bekannter heizsysteme z vermeiden und gleiche zeitig andere Vorteile zu erarbeiten. Zur Lösung der Probleme wird angestrebt, die Nutzung der Wärme besondersw aus der Tiefe des Erdreichs, mit der Fähigkeit der Endmasse, Wärme langsfristig zu speichern, zu verbinden und mittels Langszeitsteicher in liefbohrungen oder ändere Art den Spitzen zu decken. Langszeitspeicher in Tieftbohrungen wurden unter P 30 03 007.0 beim Patentamt angewelder. Die Vorteile dieser und anderer Komponenten zu Heizsystemen für die Wärmeversorgung von Gebäuden beliebiger Größe zu vereinen, ist eines der Ziele dieser Erfindung.
  • Bei ausreichender Temperatur der Trägerflüssigkeit aus Wärmequelle (1) werden nacheinander die Heizanlage (11) mit Wärme versorgt, der Warmwasserbereiter (9) und der Kurzeitsspeicher (10) aufgeladen und die überschwärme in den Langszeitspeicher (65) eingebracht. Die eingebrachte Wärme trifft im Langszeitspeicher (65) auf des vorgewärmte Speichermedium, Gewähnlich wird gegen Ende des Winters oder am Anfang des Frühjahrs auf die Entnahme von Wärme aus dem Langszeitspeicher (65) verzichtet. Dem abgekülten Speichermediums wird aus der umgebenden Erdmasse über die leitenden Wände des Speicherbehälters Wärme aus dem Erdkern zugeführt. Bei größer Tiefe mit dünnem Speicherbehälter findet eine schnelle zufuhr stat. Die Speicherung von überschlußwärme wird erst @onate später beginnen als die Außentemperatur gestiegen sein wird. Auf diese Weise wird bereits gegen Ende des Frungehrs im Speichermedium eine beträchtliche Menge an Wärme gespeichert sein, die in nächsten Winter zusammen mit dem erhaltenden Anteil der später zugeführten Wärme zur Deckung des Spitzenbedarfs zur Verfugung stehen wird.
  • Ein Teil der zugeführten Wärme wird über die leitenden Flächen des Speicherbehälters (65) dem Erdreich (66) übertragen, das durch seine große Masse sehr viel aufnehmen und dabei die Temperatur nur geringfügig erhöhen wird. Die große Messe des Erdreichs (66) wird auch isolierend wirken; insbesondere dadurch, daß ihr aus dem Erdkern ständig Wärme zugeführt wird. bei der Entnahme wird der prozess umgekehrt verlaufen und dabei ein teil der Wärme aus dem Erdkern, in Form von Latentwarme des Speichermediums, sowie Teile der zugeführten Wärme, teils in Speichermedium, teils in der umgebenden Erdmasse werden zur verfügung stehen. Die entnommene Wärme soll mittels Wärmepumpen auf die jeweils notwendige Vorlaufttemperatur angehoben werden. Dabei soll wo es möglich ist, der Niedertemperatur Fußbodenheizung Vorrang eingerumt werden, da bei geringen Temperaturunterschieden zwischen der Kalten und der w.rmen Seite der Wärmepumpen diese wirtschaftlicher arbeiten. Für vorhandene Heizungen, insbesondere im Altbau wird häufig die zusätzliche Erhöhung der Temperatur über die Abwärme des zum Antrieb benutzten Verbrennungsmotor nützlich werden. Mehrstufige Wärmepumpen söllen für höhere Verlauftemperaturen vorgesehen werden.
  • Fig. 1 zeigt eine Variante des Heizsystems, das in der Lage ist, die Hauptfunktionen zu erfüllen. Bei ausreichender Wärmemenge mit ausreichender Temperatur wir die kühle Trägerflüssigkeit mittels Umwälzpumpe (17) durch den Kühlerwärmetauscher (1) der Anlage befördert.
  • wo sie die Wärme aufnimmt. Die erwärmte Trägerflüssigkeit gelangt über Ventil (26) zu Heizanlage (11), wo sie über deren leitenden Flächen die Wärme an den überträgt. Über Umwälzpumpe (12), Mischventil (27) und auf geraden Durchfluß gestellten Ventilen (28-34) kehrt die abgekühlte Trägerflüssigkeit zurück zur Umwälzpumpe (17), wo der Kreislauf von Vorne beginnt.
  • Falls die Wärmemenge und die Temperatur ausreichen, wird auch Warmwasserbereiter (9) aufgeladen Dazu muß Ventil (31) entsprechend umgestellt und Umwälzpumpe (14) im Betrieb gesetzt werden. danach wird über Ventil (38) das kalte und über Ventil (39) das warme Wasser reguliert und an den Warmwasserverbraucher (40) weitergeleitet.
  • Der Kurzzeitspeicher (10) wird leber entsprechend umgestelltem Ventil (30) und Umwälzpumpe (13) mit aufgewärmter Trägerflüssigkeit gefüllt.
  • Diese wird bei Sedarf über das entprechend umgestellte Ventil (29) und durch die Fördertätigkeit der .wälzpume il2i in die Reizanlage kil) gepumpt. dadurch sieht heizenergie auch zu Zieten zur Verfügung als die Versorgung aus den übrigen Komponenten nicht ausreichend ist, oder scnst nur mit Einsatz teuerer Antriebsenergie möglich waren Ist nach Versorgung der Heizanlage (11) und Füllung des Warmwasserbereiters (9) und des Kurzzeitsspeichers (10) Wärme verfügbar, wird Ventil (33) entprechend umgestellt und Umwälzpumpe (15) in Betrieb gesetzt. Dadurch wird die Trägerflüssigkeit über Ventil (24) durch die Übertragungsleitung (35) des Langzeitspeichers (65) geleitet, wo sie ihre Wärme dem Speichermedium überträgt. Da die Trägerflüssigkeit nach ihrer Wärmeabgabe in der Heizanlage (11) bzw. in dem Warmwasserbereiter (9) oder Kurzzeitspeicher (10) durch die Übertragungsleitung (35) des kühleren Langszeitspeichers (65, fließt, wird sie ihre Wärme jeweils in zwei Raten abgaben. dadurch wird sie gut abgekühlt.
  • Wird eine Wärme benötigt5 so wird Ventil t32) umgestellt, wodurch der Rückfluß aus den Verbrauchern (9, 10, 11) gesperrt wird. Nach Umstellen des Ventils (25) und Inbetriebnahme der Umwälzpumpe (15) fließt die in Wärmequelle (1) aufgewärmte Trägerflüssigkeit durch die Übertragungsleitung (35) und entsprechend umgestelltes Ventil (33). Dadurch wird die gesamte zugeführte Wärme gespeichert. es soll festgehalten werden, daß alle bIsher genannten Funktionen nur mit geringer umwälzenerg-e durchgeführt werden.
  • Ist die Temperatur der Trägerflüssigkeit zu niedrig, um damit den Vorlauf der Verbraucher 9,10,11,67) zu speisen, wird der Verdichter (6) des Wärmepumpen-Systems in Betrieb. Die über Verdampfer(5) entogene Wärme wird vom Arbeitsstoff des Wärmepumpensystems aufgencmmen im Verdichter (6) kompriziert und über Verflüssiger (7) mit erhöhter Temperatur an den Sekundärkreis des Heizsystems übergeben, wo sie den Verbrauchern (9,10,11,67) zur Verfügung steht Bei diesem Vorgang muß Sperrventil (22) geöffnet und Ventil (32) zu Verflüssiger (7) umgestellt sein.
  • Will man dle Restwärme nach dem Verdampfer (5) speichern, muß Ventil (33) zu Übertragungsleitung (35) umgestellt werden. Dadurch wird die Trägerflüssigkeit über Umwälzpumpe (15) und Ventil (24) durch die Übertragungsleitung (35) geleitet, wo sie die - besonders bei mäßigem Wärmeverbrauch - verbliebene Restwärme dem Speichermedium überträgt.
  • Da für den Antrieb des Verdichters (6) häufig hochwertige elektrische Energie verwendet wird, Ist es zweckmäßig, diese während der Gültigkeit des Schwachlasttarifs zu entsprechend niedrigem preis in Anspruch zu nehmen und die so gewonnene Wärme im Kurzzeitspeicher (10) aufzuhaben. Wird Kühlbetrieb gewünscht, müssen die Ventile (26 und 26) zu Übertragungsleitung (36) umgestellt werden. Durch den Betrieb der Umwälzpumpe (12) wird die Trägerflüssigkeit von der Heizanlage (11) über Mischventil (27), Ventil (28), Übertragungsleitung (36) und Ventil (2b) umgewälzt. Es ist zweckmäßig zum Kühlbetrieb einen ralten, noch nicht aufgeladenen Lengzeitspeicher zu benützen, um durch möglichst niedrige temperaturen der Trägerflüssigkeit entsprechend effektive Kühlung zu erreichen. Der relat-iv geringe Temperaturunterschied zwischen Langszeitspeicher (65) mit 0 - 5° C und Heizanlage mit 22 - 300 C kann nur entsprechende Kuhlwirkung möglich mohen. In vielen Fällen wird dieser relativ einfache Kühlbetrieb mit nur Umwlz energie ausreichen. Die Speicherung der entzogenen Wär:t:e Ist ein weiterer Vorteil.
  • Zur Entnahme der Wärme, nur aus dem Langzeitspeicher (65) muß Verdichter (6) in Betrieb sein, Sperrventil (22) geöffnet, Vnetil (33) zu Ubertragungsleitung (35) und Mischventil (3) ganz zu Verdampfer (5) umgestellt werden.
  • Zur gleichzeitigen Entnahme aus dem Langszeitspeicher (65) nd Wärmequ11e (1) muß über Mischventil (34) das Verrältnis der Entnahme aus dem Langzeitspeicher (65) zur Wärmequelle (1) getegelt verden.
  • Zur Entnahme aus einem anderen Langzeitspeicher (65) muß cas Ventil (24) zur bbertragungsleitung (36) umgestellt und sperrventil (23) geöffnet werden.
  • Das dargestellte Heizsystem eignet sich je nach Auslegung für Ein-und Mehrfamilienhäuser. Durch Parallelanschluß (67) sollen weitere Verbraucher wie (11) oder beliebiger anderer Art, in beliebiger Anzahl angeschlossen werden.
  • Die auf Fig. 1 dargestellte Variante soll je nach örtlichen Möglichketten und Bedarf an Wärme, um weitere Komponenten erweitert werden.
  • Fig. 2 zeigt eine Variante mit zusätzlicher Nutzung der AbNrn.e aus dem aushalt (41 und 42) und den Antrieb mit 2 Wärmepumpen k3 und 6) unterschiedlicher Größe.
  • Das gebrauchte warme Wasser aus Ead (40) und Hausgerät (42) wird über Wärmetauscher (43) geleitet, wo seine Wärme der trägerflüssigkeit des Systems übertragen wird. Durch den 3etrieb der mwälzpumpe (46) bei geöffnetem Sperrventil (45) wird die rückgewcnnene Warme in den Speicher (65) eingebracht. Nach Abkühlung des Abwassers wird Sperrventil (44) temperaturabhängig gesteuert, geöffnet und das Abwasser in die Kanalisation geleitet.
  • Der bedarf an eizwärme unterliegt je nach Außentemperatur großen Schwankungen. Mit einer kleineren Wärmepumpe, bestehend sus Verdampfer (2), verdichter (3), Verflüssiger (4) und Expansionsventil (16) soll der mäßige Bedarf gedeckt werden. Mit einer zweiten größeren Wärmepumpe, bestehend aus Verdampfer (5), verdichter t6), verflüssiger (7) und Expansionsventil (8) soll der erhöhte Bedarf gedeckt werden.
  • bei Spitzenbedarf sollen beide Wärmepumpen gleichzeitig arbeiten.
  • Fig. 3 zeigt eine variante, die geeignet ist, die Vermischung der Trägerflüssigkeiten der Wärmequelle (1) und des Heizsystems zu vermeiden, die Abwärme des Verdichters (6) und die unterkühlungswärme des Wärmepumpenprozesses zu nutzen, sowie die zusätzliche Gewinnung von Wärme über Luftwarmetauscher (55) zu bewältigen.
  • Durch den insatz des Wärmetauschers (20) wird der Kreislauf der Wärmequelle (1) mit den dazugehörigen Komponenten t25,22,5,15,24,S5,33,S4, 17bzw. 64,53,54,55,52) von der übrigen Heizanlage getrennt. Dadurch wird die verwendung von Trägerflüssigkeiten unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung ermöglicht. Übertragungsleitung (63) soll über die Trennung der Kreisläufe im Langzeitspeicher (65) das gleiche Ziel verfolgen.
  • Die Verlustwärme des Wärmepumpen-Verdichters t6) wird dadurch gewonnen, daß der Raum zwischen Kühlflüssigkeits-Mantel (19) und Verdichterkorper mit Trägerflüssigkeit gefüllt, die durch Umwälzpumpe (18) bei geöffnetem Thermostatventil (21) in den verdampfer-Wärmetauscher (5) eingebracht wird. Die dort entzogene Wärme wird anschließend auf höhere Temperatur gebracht und den Verbrauchern (9,10,11,67) zur Verfügung gestellt.
  • In den Kreislauf des N-irmepumpen-Arbeitsstoffes wird zwischen Verflüssiger (7) und Expansionsventil die Übertragungsleitung (37) eingesetzt wodurch die Unterkühlungswärme des Wärmepumpen-prozesses nach bekanntem Verfahren in den Speicher eingebracht wird.
  • Bei Betrieb des Gebläses (54) und der Umwalzpumpe (53) bei geöffne tem Sperrventil (64) und auf geradem Durchfluß gestelltem Ventil (52) wird die über Luft-Wärmetauscher (55) gewonnene Wärme mittels Übertragungsleitung (35) in den Langspeicher (65) eingebracht.
  • Während des Betriebs der Wärmepumpe (6) wird Ventil (52) n?cW Verdampfer (5) umgestellt und somit die Temperatur der geonnenen Wärme angehoben.
  • Fig. 4 zeigt eine Variante, die die Nutzung der Wärme des Grundwassers (50) zum Ziel h-t Das Grundwasser (50) wird über Ur.wälzpumpe (47) in die elastische Ubertragunssleitung (48) gepumpt, von wo es - nachdem ihre Wrrme in den Langszeitspeicher (65) eingebracht wurde - anschließend in einen Brunnen (49) geleitet wird. Durch den Höhenunterschied (H) des Wasserspeigels in der beiden Brunnen (49 und 50) sickert das Wasser zum nahegelegenen Brunnen (50) zurück und nimmt dabei aus dem Erdreich (65) Wärme auf. i>'-r Kreislauf kann nur bis knapp über dem Gefrierpunkt erhalten werden. Überdrcukventil t51) soll bei beginnender Vereisung des Grundwassers vcr Schäden schützen.
  • Fig. 5 zeigt eine Variante, die zusätzlich die Wärme aus Gewerbe und Industrie nutzen soll. Gewerbetriebe (56) (wie Wäschereien, Großküchen, Kühlanlagen in Metzgereien u. a. ) sollen be' Ventil (57) Umwälzpumpe (58) und Ubertragungsleitung k59) ihre Abwärme im Lange zeitspeicher (65) sammeln. Das gleiche gilt für Industrieanlagen beliebiger Art. Diese scllen inre Abwärme über Ventil (61), Umwälzpumpe (62) und Ubertragungsleitung (63) in den Langszeitspeicher (55) einbrin en.
  • Fig. 6 zeigt eine Variante, bei der, der Wärmepumpenverdichter (6) nach bekannter Art von einem Verbrennungsmotor angetrieben wird. Die Abwärme des Antriebsmotors t69) wird über Umwälzpumpe (70) in den Wärmetauscher (71i eingebracht, dessen Sekundärseite mit dem Verflüssiger (7) der Wärmepumpe in serie geschaltet ist. Dadurch ird die Temperatur der Trägerflüssigkeit weiter erhöht. Das gleicne gilt für die Kühlung des Auspuff-Sammelrohrs (72) von welchem die künlflüssig keit mittels ümwälzpumpe (73) über den Wärmetauscher i74i geleitet wird. Die auspuffgase über Wärmetauscher (75) geleitet, geben inre Wärme als letzte Stufe der Temperaturerhohung ab. Der Kurzzeitspeicher (10) soll die Möglichkeit scnaffen, den Verbrennungsmotor ,6) zu bestimmten zeiten, als seine Geräusche empfunden werden, abzustellen.
  • ur gewinnung von Wärme aus beliebigen Quellen i wie Milchühlung, Bierkühlung, Gewässern oder auch Kollektoren ) ist der Abschluß (77) über Vnetil (76)sowie Anschluß (78) vorgesehen. Hier können verschiedene geräte uber Schlauch oder Rohr angescnlossen werden, die mittels der vorhandenen Wärmepumpe (5,6,7,8) gleichzeitig nutzliche sünlarbeit und Wärmegewinnung leisten sonnen. Für die Angliederung verschiedener Wärmeverbraucher ( wie Beheizung von Schwimmbädern, Nebenräumen u. a. ) ist auf der Warmseite des Systems der Anschluß (80) über Vnetil (79), Umwälzpumpe (82) sowie Anschluß (81) vorgesehen. Fig. 7 zeigt eine der einfachsten Varianten der Nutzung der Niedertemperaturwärme mit dem Erdreich (56) als Wärmequelle, die im Laufe der wärmeren Monate des Jahres dem Langzeitspeicher (65) langsam aber stetig Wärme zuführt. Das Speichermedium nimmt die Wärme auf und geht in den flüssigen Aggregatzustand über.
  • Seine Temperatur wird dem er Erdmasse angenähert. Bei dr Entnahme der Wärme werden Wärmepumpen-verdichter (6) und Umwälzpumpe (15) in Betrieb gesetzt. Uber Ventil (24) wird die im Verdampfer (5) abgekühlte Trägerflüssigkeit durch die Ubertragungsleitung (35) geleitet wo sie aus dem Langzeitspeicher (65) Wärme entnimmt und diese dem Wärmetauscher des Verdampfers (5) überträgt. Durch die Tätigkeit der Warmepumpe (5,6,7,8) wird die Temperatur der Wärme augehoben und den Speichern (9 und 10) bzw. der Heizanlage (11) übergeben. Durch umstuern des ventils (24) zu übertragungsleitung (36) wird aus weiteren Langszeitspeichern (65) Wärze entnommen. Da durch Abkühlung des Speichermediums als unter dessen Gefrierpunkt die hohe latentwärme entzogen wird, ist eine beträchtliche Wärmereserve zur Deckung des Spitzenbedarfs verfügbar. Diese wird um die in der großen Erdmasse in der näheren Umgebung des Langszeitspeichers (55) vorhandene Wärme erweitert, ds nach Abkürzung des Speichermediums diesem aus dem Erdreich (66) weitere Wärme zufließt. Da das Erdreich als einzige Wärmequelle - neben der Antriebsenergie der Wärmepumpe r ist, muß das gesamte Volumen der Langzeitspelcher (65) entsprechend hoch ausgelegt werden. Zur Verminderung des Gesamtvolumens der Langzeitspeicrer stehen Komponenten zur Rückgewinnung (1;, 43, 71, 74, 75) sowie zur Erweiterung der Wärmemenge (50, 55, 55, 50) wie in Fig. 2 - 6 dargestellt, zur Verfugung.
  • Die beschriebenen Varianten werden dadurch gekennzeichnet, daß sie jeweils die Hauptkomponenten eines variablen Heizsystema mit anderen nach Bedarf kombinieren.
  • Die Erfindung bringt folgende Vorteile: Weitgehende Nutzung von Niedertemperatur-Abwärme. Große Mengen von bisher nicht nutzbarer Warme beliebiger Herkunft werde mit relativ einfachen Mitteln gespeichert und zur Deckung des Spitzenbedarfs zur Verfügung gestellt.
  • Die Wärme des Erdreichs (66) wird zusätzlich genutzt. Die Fläche über den Langzeitspeichern (65) bleibt beliebig nutzbar. Die geringe Grundfläche und die große Tiefe für den Langszeitspeicher ist überall vorhanden. Die langsfristige Speicherung der Wärme braucht nur wenig Umwälzenergie und verbleibt ohne weiteren Aufwand. Langzeitsei ober bis zu beträchtlichen Tiefen vorgefertigt und versenkt, verursache: relativ niedrige Investitionen. Langzeltspeicher arweiten ungefährlich, $geräusschlos und unweltfreundlich. Kühltürme entfallen. Ia der Langzei~speicher bis unter 0 ° C abgekühlt wird, kann Wärme bei sehr niedrigen Temperaturen eingebracht werden. Durch Einsatz größer Mengen an gespeicherter Wärme ist da gleiche Kraftwerk in der Lage bein S itzenbedarf erheblich mehr Raum zu beheizen als bisher. Durch die Fä:igkeit aus großer Tiefe Wärme zu entnehmen, sint relativ einfache Ausführungen in der Lag mit Närmegewinnung nur aus dem Erdreich '6 ) bei entsprechender Auslegung mittels Wärme pumpen die Raumheizung in bereich der gemäßigten Klimazone zu tewältigen.
  • L e e r s e i t e

Claims (1)

  1. Heizsystem zur Nutzung und Speicherung der Niedertemperaturwärme Patentansprüche: 1. Verfahren zur Nutzung und Speicherung der Noiedertemperaturwärme dadurch gekennzeichnet, daß es zum wesentlichem Anteil Abwärme von Kraftwerken .1) und Industrieenl-gen, nützt und diese um Wärme be ie@iger Herkunft erweitert, daß die zugeführte Wärme bei ausreichender Temperatur direkt, sonst nach Erhöhung ihrer Temperatur mittels ein-, oder mehrstufigen Wärmepumpenprozesses aus Raumheizung, - insbesondere in Hochnäusern - Warmewasserbereitung, sowie Schwimmbadbeheizung, genutzt wird, daß die Überschubwärme, erweitert durch Wänge beliebiger Herkunft, bei niedriger Temperatur unter der Erdoberfläche, besonders bei großen Tiefen im Speicnermedium und in der großen Masse des Erdreichs 60) gespeichert wird, daß bei der Entnahme der gespeicherten Wärme das Speichermedium bis unter dessen Ge@rrierpunkt abgekühlt wird und beim Ubergang vom flüssigen in den festen hggregatzustand die gesamte Menge der Latentwtrwe genutzt wird, daß nach Abkühlung des Speichers unter die Temperatur das umgebenden Erdreichs aus der @asse des Erdreichs (66) beträchtliche Mengen an Wärme entzogen werden, daß nach Abbruch der Wärmeentnahme dem abgekühlten Speicher aus dem Eiern und aus der Sonneneinstrahlung über die Lrdmasse Wärme zufließt, die mit oder chne zugeführte Wärme zwecns Nutzung zur Verfügung stent, daß die zur ErhJhung der Temperatur notwendige hochwertige Antriebsenergie des Wärmepumpenprozesses zu günstigen Leiten zur Deckung des bedarfs, sowie zur kurzfristigen Speicnerung eingesetzt wird, um außerhalb dieser eiten Wärme in begrenzter Menge und Dei begrenzten verlusten auf Vorlauftemperatur der Heizung und Warmwasserbereitung zur Verfügung zu stellen, daß die Oberschußwärme der Päume über den Kühlbetrieb in den Langzeitspeicher (652 eingebracht wird, daß Maßnahmen zur Nutzung und Rückgewinnung von Wärme je nach edarf und örtlichen Möglichkeiten miteinander kombiniert werden, daß die Speicherung der Wärme bei niedrigen Temperaturen nur unter Einsatz geringer Umwälzenergie erfolgt, daß es geeignet ist, bei entsprechender Auslegung nur mit zugeführter Wärme aus dem Erdreich (6c) ergänzt durch Maßnahmen zur Kurz- und Langzeitspeicherung von Wärme und Verwendung von Antriebsenergie für Wärmepumpen die Raumheizung im Bereich der gemäßigten Klimazone zu bewältigen 2. Heizsystem zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die zugeführte Wärme bei ausreichender Temperatur der Trägerflüssigkeit direkt an die Raumheizanlage (11), Warmwasseraufbereiter (9), Kurzzeitspeicher (10) sowie an beliebige Wirmeverbraucher 680 und 81) weitergeleitet wird, bei nichtausreichender Temperatur diese über wärmepumpe (5, 6, 7, 8) erhöht wird, daß zur Speicherung der Überschußwärme sowie der Wärme beliebiger Herkunft Lanzeitspeicher (65) unter der Erdoberfläche, insbesondere in Tiefbohrungen verwendet werden, wobei für Trägerflüssigkeiten unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung und Reinheitsgrades je getrennte Kreisläufe mit einzeln abgestimmten Werkstoffen der übertragungsleitungen (35, 36, 37, 48, 59 63) verwendet werden, daß zur Übertragung der Wärme aus dem Langszeitspeicher (R5) an die Masse des Erdreichs (66) und umgekehrt, die Wände des S eicherbehlters aus wärmeleitendem Material vorgesehen wurden, daß zur Nutzung der gesamten Menge der Latentwärme des Sxieichermediums die Wärme des Langszeitspeichers (65) gewälbt vorgesehen wurden, um den Volumenzuwachs des Speichermediums bei dessen Übergang vom flüssigen in den festen Aggregatzustand zu folgen, dal3 zur Nutzung der Vorteile von gunstigen Betriebszeiten, insbesondere des Schwachlast-Tarifs von Elektroantrieben Kurzzeitspeicher (9 und 10) vorgesehen wurden, die zur Deckung des Bedarfs außerhalb günstiger Betriebszeiten in Anspruch genommen werden, daß zur Erhöhung der Temperatur der Trägerflüssigkeit Wärmepumpen beliebiger Art in ein- und mehrstufiger Ausführung mit beliebigem Antrieb in beliebiger Kombination und beliebiger Leistung vorgesehen wurden, daß zur entnahme von W;rme auf der Kaltseite der Wärme umpe Anschlüsse (77 und 78) für beliebige Zusatztgeräte vorgesehen wurden, daß zur Abgabe von Wärme die Warmseite der Wärme umpe geeignet ist, Raumheizanlagen (67) beliebiger Anzahl, sowie weitere Wärmeverbraucher, insbesonder Schwimmbäder Ler Anschlüsse (80 und 81) mit Wärme zu versorgen, d ß Komponenten zur Zufuhr (1) Gewinnung (56, 50, 55), Rückgewinnung (19, 37, 45, 59, 65, 71, 74, 75) und Speicherung t9, 10, 65) von Wärme vorgesehen si:t, da3 es geeignet ist bei entsprechendem Verhältnis zwischen dem Gesamtvolumen der langzeitspeicher (65) und dem zu beheizendem Raum, nur mit zugeführter Wärme aus dem Erdreich (60) als Wärmequelle, ergänzt urch Kurzzeitspeicher :9 und 10) sowie Verwendung von Antriebsenergie für Wärmepumpen dle Haumr.eizung im bereich der gemäßigten Klimazone zu bewältigen.
    5. Heizsystem nach Anspruch 2 dadurcn gekennzeichnet, daß die Jberschußwärme mit ausreichender Temperatur über Umwälzpumpe (14) und entsprechend umgestelltem Ventil 31) in den Wärmwasserbereiter 9) eingebracht wird und anschließend bei ausreichender menge huber Umwälzpumpe (13) und entsprechend umgestelltem Ventil (50) in Kurzzeitspeicher (10) zur Deckung des späteren Bedarfs gesammelt wird.
    4. Heizsystem nach Anspruch 2 dadurch gekennzeícenet, daß nach Deckung des laufenden Bedarfs der eizanlage (11) und Füllen des Warmwasserbereiters (9) und des Kurzzeitspeichers (10) die verfugbare überschußwärme nach entsprechender Umsteuerung des Ventils (35) und ïnbetreibsetzung der Umwalzpumpe (15) in den Langzeitspeicher (65) eingebracht wird.
    t. Heizsystem nach-Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß bei zu niedriger Temperatur der Trägerflüssigkeit der Wärmequelle (1) der Verdichter (6) der Wärmepumpe in Betrieb gesetzt, Sperrventil (22) geöffnet und Ventil (32) entsprechend umgesteuert wird, dadurch über Verdampferwärmetauscher (5), Verlüssigerwärmetauscher (7) und Expansionsventil (8) die Temperatur der zugefüktrten Wärme ernöht wird und zur Nutzun zur Verfügung steht.
    6. Heizsystem nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebs der Wärmepumpe die Restwärme der Trägerflüssigkeit über Umwälzpumpe (15), Übertragungsleitung (35) und entprechend umgesteuertem Ventil (33) in den Langzeitspeicher (65) eingebracht wird.
    7. Heizsystem nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß es geeignet ist über aktive Flächen der Heizanlage (11) nach entsprechender Umstellung der Ventile (-6 und 28) und Insbetriebsnahme der Umwälzpumpe (12) den betreffenden Räumen solange Wärme zu entziehen, bis die Temperatur des Langszeitspeichers (65) niedriger ist als die der Räume (Kühlbetrieb).
    o, Heizsystem nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß es geeignet ist, die überschußwärme die Abwärme von Haushalt (41 und 42), Gewerbe (56), Industrie (60) und Wärme aus Luftwärmetauscher (55), Grundwasser (50), Kür.ibetrieb, sowie Warme beliebiger Herkunft nur mit geringer Umwälzenergie in den Langzeitspeicher (65) einzubringen.
    9. Heizsystem nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die An.ahl und die Grö3e von Langzeitspeichern (65), sowie ihre Gruppierung und Verbindung zu den übrigen Komponenten des Systems, weiterhin die Art una Größe der Wärmepumpen nach dem jeweiligen Bedarf, festgelegt werden.
    10. Heizsystem nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, da.! die Fläche über den Langszeitspeichern (65) zur beliebigen Nutzung zur Verfügung steht und durch die Verlegung des kühlen Speichermediums in die Tiefe sowie durch Wärmedämmung die obere Erdschicht nur geringfügig abgekühlt wird.
    11. Heizsystem nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß es geeignet ist nach höchstmöglicher Nutzung der Energie für Stromerzeugung bzw.
    für Industrieprozesse die verbleibende Abwärme niedriger Temperatur zu speichern und zu nutzen.
    12 Heizsystem nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß as geeignet ist nur mit Wärme aus dem Erdreich ;6c), zugeführt über entsprechend ausgelegte Langzeitspeicher (65) in Tiefbohrungen, nach Erhöhung ihrer Temperatur mittels Antriabsener-ie für Wärmepumpe, anschließend geereichert in Warmwasserbereiter (9) und Kurzzeitspeicher (10) den Wärmebedarf für Raumheizung im Bereich der gemäßigten Klimazone über Heizanlage (11) zu decken.
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AT512284B1 (de) * 2012-01-26 2013-07-15 Vaillant Group Austria Gmbh Wärmepumpe mit mindestens zwei wärmequellen
EP2781858A1 (de) 2013-03-20 2014-09-24 Vaillant GmbH Wärmepumpe mit mindestens zwei Wärmequellen
DE102024102522A1 (de) * 2024-01-30 2025-07-31 KAFA Karl Kallfaß GmbH & Co. KG Wäschereisystem mit optimierter nutzung eingebrachter energie

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