AT508315A2 - Solaranlage - Google Patents

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AT508315A2 AT0114909A AT11492009A AT508315A2 AT 508315 A2 AT508315 A2 AT 508315A2 AT 0114909 A AT0114909 A AT 0114909A AT 11492009 A AT11492009 A AT 11492009A AT 508315 A2 AT508315 A2 AT 508315A2
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Description

Solaranlage
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Solaranlage zur Bereitung von Brauchwarmwasser und bzw. oder zur Raumheizung, mit einer Wärmepumpe mit Verdampfer und Kondensator für ein Kältemittel.
Thermische Solaranlagen liefern bei ausreichender Strahlung nahezu kostenlos Wärmeenergie für die Bereitung von Warmwasser und sie unterstützen in vielen Fällen auch die Raumheizung. Wärmepumpenanlagen entziehen einer Wärmequelle durch Abkühlung Energie und heben diese Energie auf ein höheres Temperatumiveau. Der Antrieb der Wärmepumpe erfolgt meist elektrisch. Um so geringer der Temperaturhub ist, um so wirtschaftlicher arbeitet die Wärmepumpe.
Die Erfindung zielt darauf ab, in der Kombination einer Solaranlage mit einer Wärmepumpe einen besonders guten Wirkungsgrad zu erreichen. Dies wird dadurch erreicht, dass der Verdampfer der Wärmepumpe und ein Wärmetauscher des über Sonnenkollektoren geführten Wärmekreislaufes in einem wassergefüllten drucklosen Wasser/Eis Latentspeicher und der Kondensator der Wärmepumpe sowie ein Wärmetauscher für die Raumheizung in einem weiteren Latentspeicher, vorzugsweise gefüllt mit Phasenwechselmaterial (englisch Phase Chance Material = PCM) eingebaut sind. Es ist also eine Kombination einer Solaranlage mit einer Wärmepumpe und zwei Latentspeicher vorgesehen, wobei der erste Latentspeicher den Verdampfer und der andere den Kondensator enthält. Der Latentspeicher mit dem Verdampfer kühlt bis zur Eisbildung herunter und wird als Wasser/Eis Latentspeicher bezeichnet. Wenn eine gewisse Eisdicke auf dem Verdampfer erreicht ist, kann eine Steuerung eine kurzzeitige Umkehr des Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe bewirken und durch Wärmezuführung das Eis vom Verdampfer gelöst werden, worauf es im Wasser nach oben aufschwimmt. So kann nach und nach ein Grossteil des Wassers im Behälter in Eis umgewandelt werden und eine große Speicherkapazität genutzt werden. Der Wasser/Eis Latentspeicher besteht aus einem drucklosen und mit Wasser gefüllten Behälter, in dem ein Wärmetauscherpaket mit einzelnen Reihen aus Verdampferrohren des Kältemittelkreislaufes der Wärmepumpe und aus Wärmetauscherrohren für die Zuführung von Solarwärme, aber auch Abwärme von Lüftung und Abwässern, vorzugsweise in Bodennähe vorgesehen sind. Dabei sind die Verdampferrohre und die Wärmetauscherrohre paarweise parallel zueinander geführt und jeweils mit Lamellen zur direkten Übertragung von Solarwärme auf den Kältemittelkreislauf verbunden, vorzugsweise verlötet.
Vorteile der Erfindung gegenüber den bereits bekannten Systemen
Bedeutende Steigerung des Solarwärmeertrags:
Die Solaranlage arbeitet auch in einem tiefen Temperatumiveau, dies erhöht den Kollektorwirkungsgrad und selbst diffuse Strahlung von 100 W/m2 wird bereits genutzt. Kollektortemperaturen ab 7°C können schon gewinnbringend abgeführt werden.
Bei der direkten Ladung des PCM Latentspeichers mit Solarwärme wird eine große Energiemenge im Schmelzbereich des PCM (etwa 3 K) gespeichert, der geringe Temperaturhub verbessert gleichfalls den Kollektorwirkungsgrad.
Bedeutende Verbesserung der Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe:
Durch die Speisung des Wasser/Eis Latentspeichers von der Solaranlage steht der Wärmepumpe immer ein relativ hohes Temperatumiveau zum Wärmeentzug zur Verfügung, die Verdampfungstemperatur wird kaum unter 0°C fallen (im Gegensatz zu Grabenkollektoren oder Tiefenbohrungen).
Es wird die sensible Wärme von 17 kWh/m3 im Temperaturbereich 20-0°C, sowie die riesige Energiemenge von 93 kWh/m3 beim Vereisungsvorgang genutzt.
Der kleine Temperaturhub von 0 auf 35°C - im Jahreschnitt etwa 5 auf 35 °C (bei einer Niedertemperaturheizung), sowie der Wegfall von Antriebsenergie für Grundwasser- oder Solepumpe und Heizungspumpe, oder für den Ventilator bei Luft/Wasser WP, schlägt sich in der Energiebilanz positiv zu Buche.
Die Abwärme einer kontrollierten Lüftung und von Abwässern kann in den Wasser/Eis Latentspeicher abgefuhrt und wiederverwertet werden, die Abtauenergie geht nicht verloren. Der Wasserbehälter des Wasser/Eis Latentspeichers kann im Keller aufgestellt (z.B. im ehemaligen Öllagerraum) oder vorm Haus eingegraben werden - dabei wird auch die umgebene Erdwärme genutzt.
Es kann der Verdampfer/Wärmetauscher auch in Regenwasserzistemen, stillgelegten Klärgruben oder Schwimmbecken eingebaut werden.
Sperrstunden der EVU's werden vom PCM Latentspeicher überbrückt, sodaß die Wärmepumpe vorwiegend mit billigen Nachtstrom-Tarifen betrieben werden kann.
Durch die Pufferung des PCM Latentspeicher im Schmelzbereich des PCM (etwa 3 K) wird das takten im Teillastbetrieb der Wärmepumpe vermieden und so die Lebensdauer erhöht.
Durch die hohe direkte Solardeckung und die günstige Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe, bleibt nur mehr ein geringer Bedarf an Antriebsenergie (Strom) für die Wärmepumpe, der im Idealfall von einer Photovoltaik-Anlage gedeckt werden kann. Es ist damit die Realisierung einer autarken Heizung möglich.
Ausführunesbeispiele des ErfmdunesgelensWiclesisiftd. fo den Zeichnungen dareestellt.
Fig 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Solaranlage, Fig 2 einen Querschnitt durch einen Wasser/Eis Latentspeicher in Prinzipdarstellung, Fig 3 eine Ansicht von oben, Fig 4 ein Detail aus Fig 1 im Schnitt der Linie IV - IV in Fig 2, Fig 5 eine Seitenansicht zu Fig 4 und Fig 6 einen Schnitt durch einen PCM Latentspeicher.
Fig 7 zeigt ein Verdampfer/Wärmetauscherpaket mit Ummantelung, Fig 8 eine Seitenansicht zu Fig 7, Fig 9 einen Wasser/Eis Latentspeicher mit eingebauter Wanne.
Gemäß Fig 1 sind Sonnenkollektoren 1 über Umwälzpumpe und Ventil 2 mit einem Wärmetauscher in einem Warmwasserspeicher 4 sowie über ein Ventil 5 und einem Wärmetauscher 6 mit einer Raumheizung 7 direkt - aber auch mit einem Wärmetauscher 8 in einem Wasser/Eis Latentspeicher 9 verbunden. Die Wärmepumpe 10 verfugt über einen Verdampfer 11 in dem Wasser/Eis Latentspeicher 9 und über einem Kondensator 12 in einem PCM Latentspeicher 13, der auch einen Wärmetauscher 14 des Heizkreises für die Raumheizung 7 enthält. Wird genügend Wärme von den Kollektoren 1 aufgenommen, dann können sowohl der Warmwasserspeicher 4 als auch die Raumheizung 7 über die Ventile 2 oder 5 direkt angespeist werden. Außerdem kann die Wärme aus den Kollektoren 1 zur Speicherung im PCM Latentspeicher 13 abgegeben und für einem späteren Zeitpunkt gespeichert werden. Ist dies nicht ausreichend tritt die Wärmepumpe 10 in Aktion, sie entzieht über den Verdampfer 11 dem Wasser/Eis Latentspeicher durch Abkühlung Wärme bis zur Eisbildung. Die Wärme wird über den Kondensator 12 an den PCM Latentspeicher abgegeben und über den Wärmetauscher 14 der Raumheizung (7) zugeführt.
Eis, daß sich an den Rohre 4 und Lamellen 24 auf dem Verdampfer 11 bildet, kann durch kurzzeitiges Umschalten des Kältemittelkreislaufes losgelöst werden, worauf es nach oben schwimmt, wo es durch Zuführung von Wärme aus den Kollektoren 1 über den Wärmetauscher 8 wieder geschmolzen wird. Dabei geht die Abtauenergie nicht verloren, sie bleibt im Wasser/Eis Latentspeicher 9.
Fig 2 zeigt den Wasser/Eis Latentspeicher in Prinzipdarstellung. Eine Rohrleitung 20 kommt von der Wärmepumpe 10 und führt zu einem Register von Verdampferrohren 21. Parallel dazu laufen Wärmetauscherrohre 22 an einer Rohrleitung 23 die im Kreislauf der Solarkollektoren 1 liegen. Die Verdampfer- und Wärmetauscherrohre 21 und 22 sind durch Lamellen 24 und Verlötung 25 verbunden. Die gesamte Einheit - die Fig 3 im Grundriß zeigt-ist im unteren Bereich des Wasser/Eis Latentspeichers 9 vorgesehen, der als druckloser, wassergefüllter Behälter ausgebildet ist.
In Fig 4 ist als Detail ein kleiner Bereich aus Fig 2 von der Seite dargestellt.
Erwähnt sei, dass die Rohrleitungen 21 und 22 nicht unbedingt in einer vertikalen Ebene liegen müssen, es kann von Vorteil sein, sie in einer Horizontalebene anzuordnen
Fig 6 zeigt den PCM Latentspeicher 13 im Schnitt, er kann in seiner Ausführung gemäß der AT 504 794 entsprechen. In einem drucklosen Behälter, der mit Phasenwechselmaterial (PCM, z.B. Paraffin) gefüllt ist, sind zwei Wärmetauscherpakete 30/31 integriert, die jeweils aus einem äußeren Rohr 14'mit aufgezogener Rippen 32 und einem inneren Wärmeträgerrohr 12' bestehen. Das äußere Wärmeträgerrohr 14' dient der anfälligen direkten Wärmezuführung von der Solaranlage 1 entsprechend dem Wärmetauscher 14 und zur Wärmeabgabe an den Kreislauf der Raumheizung. Das innere Wärmeträgerrohr 12' dient als Kondensator 12 der Wärmepumpe 10 zur Wärmezuführung. Wie bekannt wird das in dem drucklosen Behälter vorgesehene Phasenwechselmaterial (PCM z.B. Paraffin) durch die Zuführung von Wärme durch das äußere Wärmeträgerrohr 14' und des inneren Wärmeträgerrohr 12' und den aufgezogenen Rippen 32 zum Schmelzen gebracht und so die hohe Speicherkapazität erreicht. I ί ; · · ······ • κ· 2 1 *····· ·
Durch Wärmeentzug über den äußeren Wärrhetfägörröbr *14' einschließlich der Rippen 32 für die Raumheizung 7, kristallisiert das geschmolzene PCM wiederum, wodurch die hohe Speicherkapazität genutzt wird.
Fig 7 zeigt eine Variante aus dem Wasser/Eis Latentspeichers, bei der die Verdampfer-(21) und Wärmetauscherrohre (22) mit den Lamellen (24) in einer flachovalen behälterartigen Ummantelung (33) aus dünnwandigen CU-Blech eingebaut sind. Der Behälter wird mit Glykol gefüllt. Bei Wärmeentzug durch die Wärmepumpe über das Verdampferrohr wird das Glykol so weit abgekühlt, bis sich Eis an der Oberfläche des Behälters bildet. Nach Erreichen einer gewissen Eisdicke wird durch Umschalten des Kältemittelkreislaufes der Wärmepumpe das Glykol erhitzt und das Eis zum Abschmelzen gebracht. Durch die Volumenausdehnung das Glykols bei der Erwärmung dehnt sich der Behälter, wodurch das Eis von der Oberfläche abgelöst wird und im Wasserbehälter nach oben schwimmt. Eine Leiste aus schlecht wärmeleitenden Material vermeidet eine Eis-Brückenbildung zwischen den beiden Behälterwänden.
In Fig 8 sind die Verdampfer-(21) und Wärmetauscherrohre (22) mit den Lamellen (24) eingebaut in einer behälterartigen Ummantelung (33) von der Seite gesehen gezeichnet.
Fig 9 zeigt den Wasser/Eis Latentspeicher mit einem Einbau, der eine gleichmäßige Entwärmung des gesamten Speicherinhaltes ermöglicht.
Er besteht aus einer Wanne (36) in der das durch den Verdampfer abgekühlte Wasser nach unten und entlang des Bodens zu einer mittig angordneten Öffnung (37) aus der Wanne strömt. Durch das nachdrängende Wasser wird es seitlich zwischen der Speicherinnenwand und den Wänden der Wanne (38) wieder nach oben geführt. Damit vermeidet man die Bildung eines Kaltwassersees am Boden und es kommt zu einer Zirkulation des Wassers mit verbesserten Wärmeübergang.
Die Führung das Kaltwassers an der Speicherinnenwand erleichtert zudem die Aufnahme von Umgebungswärme und der Auftrieb wird unterstützt.

Claims (8)

  1. Patentansprüche 1. Solaranlage zur Bereitung von Brauchwarmwasser in einem Warmwasserspeicher (4) und bzw. oder für die Raumheizung (7) mit einer Wärmepumpe (10) und Verdampfer (11) und Kondensator (12) für ein Kältemittel, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (11) der Wärmepumpe (10) und ein Wärmetauscher (6) des über Sonnenkollektoren (1) geführten Wärmekreislaufes in einem wassergefüllten drucklosen Wasser/Eis Latentspeicher (9) und der Kondensator (12) der Wärmepumpe (10) sowie ein Wärmetauscher (14) für die Raumheizung in einem weiteren Latentspeicher (13), vorzugsweise gefüllt mit Phasenwechselmaterial (PCM) eingebaut sind
  2. 2. Solaranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung eine kurzzeitige Umkehr des Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe (10) bewirkt und durch Wärmezuführung das Eis vom Verdampfer (11) gelöst wird
  3. 3. Latentspeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem drucklosen und mit Wasser gefüllten Behälter ein Wärmetauscherpaket mit einzelnen Reihen aus Verdampferrohren(21) des Kältemittelkreislaufes der Wärmepumpe und ferner aus Wärmetauscherrohren (22) für die Zuführung von Solarwärme vorzugsweise in Bodennähe vorgesehen sind
  4. 4. Solaranlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampferrohre (21) und die Wärmetauscherrohre (22) paarweise parallel zueinander geführt und jeweils mit Lamellen (24) zur direkten Übertragung von Solarwärme auf den Kältemittelkreislauf verbunden, vorzugsweise verlötet (25) sind
  5. 5. Latentspeicher nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampferrohre (21) und die Wärmetauscherrohre (22) in einer Horizontalebene des Wasser/Eis Latentspeichers (9) vorgesehen sind
  6. 6 Latentspeicher nach einen der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Reihe von Verdampferrohren (21) und Wärmetauscherrohren (22) mit Lamellen (24) in einer behälterartigen Ummantelung (33) angeordnet sind, die mit einer Flüssigkeit gefüllt ist (z.B. Glykol), deren Gefrierpunkt unter dem des umgebenen Wassers liegt
  7. 7 Latentspeicher nach einen der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (33) eine flachovale Querschnittsform aufweist und vorzugsweise zweischalig mit Lötrand (34) ausgebildet ist, wobei über den Lötrand eine Abdeckleiste (35) aus schlecht wärmeleiteten Material aufsteckbar ist
  8. 8 Latentspeicher nach einen der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Behälter (9) eine die Reihen von Verdampferrohren und Wärmetauscherrohren mit Lamellen und gegebenenfalls den Ummantelungen aufnehmende Wanne (36) vorgesehen ist, die im Bodenbereich eine mittig angeordnete Öffnung (37) zum Abströmen des bei Abkühlung nach unten strömenden Wassers aufweist und dass randseitig ein Abstand (38) zwischen Wanne und Behälterinnenwand für die Zirkulation nach oben besteht
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