AT516313B1 - Verfahren und Einrichtung zum Betrieb von Wärmegewinnungsanlagen mit Wärmepumpe und Wärmetauscher - Google Patents

Abstract

Bei einer Wärmegewinnungsanlage (Heizungsanlage) mit Wärmepumpe (10) wird der Vorlauf (11) einer Wärmequelle (25) einerseits und der Rücklauf (15) eines Heizkreislaufs (13) andererseits durch ein der Wärmepumpe (10) zugeordnetes Wärmetauschersystem mit einzeln ansteuerbaren Segmenten (16) hindurchgeleitet mit dem Ergebnis, dass mittels eines auf den Wärmetauscher wirkenden komplexen Regelsystems (29) die Temperatur der Wärmequelle (25) - Vorlauf (11) - bei Bedarf erhöht und auch begrenzt werden kann, indem Wärme von dem Wärmeträger des Heizkreises (13) über Rücklauf (15) und (17) und das Wärmetauschersystem (16) vor dem Eintritt in die Wärmepumpe (10) auf den Wärmeträger der Wärmequelle übertragen und über den Vorlauf (20) der Wärmepumpe zugeleitet wird; die Temperatur des Rücklaufs (15) des Heizkreises (13) wird dabei entsprechend herabgesetzt. Diese Übertragung von Wärme führt dazu, dass die Wärmepumpe (10) mit einer höheren Quellentemperatur arbeitet, zugleich durch die bei etwa gleichbleibender Spreizung höhere Temperatur des Wärmeträgers der Wärmequelle im Rücklauf (12) die im Laufe der Heizperiode sonst immer weiter abnehmende Quellentemperatur auf einem höheren Temperaturniveau gehalten werden kann, sodass dank der günstigeren Betriebsbedingungen der Wärmepumpe diese mit einer deutlich höheren Leistungszahl arbeitet und so trotz des zusätzlichen Wärmebedarfs für das Wärmetauschersystem eine größere Effizienz der Gesamtanlage erreicht wird.

Description

Beschreibung

VERFAHREN UND EINRICHTUNG ZUM BETRIEB VON WÄRMEGEWINNUNGSANLAGEN MIT WÄRMEPUMPE UND WÄRMETAUSCHER

[0001] Wärmepumpen werden seit vielen Jahren In großer Zahl zur Wärmegewinnung eingesetzt, sie arbeiten mit verschiedenen Energiequellen als Wärmeträger der Wärmequelle und einem Heizkreis als Wärmesenke, für den Betrieb der Wärmepumpe wird vorwiegend elektrische Energie eingesetzt.

[0002] Die Effizienz der Wärmepumpe wird im Prüffeld bei Normbedingungen als Leistungszahl ermittelt, diese ist bestimmt durch das Verhältnis von aufgewendeter elektrischer Energie zu der erzeugten Wärme, die Jahresarbeitszahl gibt dagegen den entsprechenden Wirkungsgrad der Gesamtanlage unter den im Laufe des Jahres auftretenden realen Betriebsbedingungen an.

[0003] Der allgemeine Stand der Technik ist bekannt und wird deshalb an dieser Stelle nicht ausführlich dargestellt.

[0004] Während der Heizperiode sinkt die Quellentemperatur bei vielen Anlagen stark ab, hinzu kommt noch eine zunehmend höhere Heizkreisvorlauftemperatur, was zu einem größeren Temperaturhub zwischen Wärmequelle und Wärmesenke führt mit der Folge, dass die Wärmepumpe mit einer deutlich geringeren Leistungszahl arbeitet und damit auch die Jahresarbeitszahl abnimmt.

[0005] Bei aus der Patentliteratur bekannten Vorschlägen, wie sie in den Patentanmeldun-gen/Offenlegungsschriften DE 3129742 A1, DE 102007024524 AI und WO 9102199 A1 dargestellt werden, geht es nicht darum, diesen Temperaturhub zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke einer Wärmepumpe zu verringern. Es handelt sich stattdessen jeweils um eine bessere Nutzung der Solarwärme für Heizungsanlagen, ein Wärmetauscher ist dafür nicht erforderlich. Diese Vorschläge haben daher keinerlei Bezug zu der in dieser Patentanmeldung vorgeschlagenen Verfahrensänderung.

[0006] Anders sieht es dagegen aus bei der Patentanmeldung/Offenlegungsschrift DE 102008016128 AI. Hier wird der Vorschlag gemacht, zwischen Rücklauf des Heizkreises und Vorlauf der Quelle einen Wärmetauscher einzufügen und durch Übertragung von Wärme aus dem Heizkreis die Quellentemperatur anzuheben, um damit günstigere Arbeitspunkte für die Wärmepumpe zu erreichen und so die Effizienz zu verbessern. Leider ist die Idee aber nicht zielführend, die Leistungszahl der Wärmepumpe lässt sich dadurch zwar erhöhen, der Wärmetauscher ist aber ein zusätzlicher Verbraucher im Heizkreis der Wärmepumpe, diese muss also mehr Wärme erzeugen, sodass sich insgesamt die Effizienz der Anlage deutlich verschlechtert.

[0007] Überschlägige Berechnungen zeigen, dass sich bei der angenommenen Erhöhung der Primärtemperatur von 6° auf 10°C der Stromverbrauch je nach Art des Wärmeverbrauchers und der entsprechenden Heizkreistemperaturen sogar um etwa 15% bis zu 40% gegenüber der Anordnung ohne Wärmetauscher erhöht.

[0008] Die angestrebte Effizienzsteigerung lässt sich allein mit der Einfügung eines Wärmetauschers also nicht erreichen. Dazu bedarf es weitergehender Verfahrensänderungen, die eine Modifikation von Bauteilen und die Einführung zusätzlicher Einrichtungen erforderlich machen. Die damit möglichen Änderungen der Betriebsabläufe und deren Auswirkungen werden nachfolgend am Beispiel der Sole/Wasser-Wärmepumpe beschrieben.

[0009] Die Temperatur der Wärmequelle ist gegen Ende des Sommers am höchsten, wegen der klimatischen Einflüsse und wegen des erheblich geringeren Wärmebedarfs in den Sommermonaten (meist nur noch für die Brauchwassererwärmung) kann sich die Quelle erholen, die Soletemperatur erhöht sich.

[0010] Mit zunehmendem Wärmebedarf im Herbst und im Winter nimmt die Temperatur der Wärmequelle durch den Wärmeentzug wieder stetig ab. Durch die vorgeschlagenen Verfahrensänderungen wird diesem Temperaturrückgang entgegengewirkt.

[0011] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau und den Betrieb einer Wärmepumpenanlage dahingehend zu verbessern, dass deren Effizienz insgesamt erhöht wird.

[0012] Zur Lösung dieser Aufgabe dient die erfindungsgemäße Weiterentwicklung der bisherigen Verfahren, gekennzeichnet durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 4. In entsprechender Weise sind Einrichtungen gemäß den Merkmalen der Ansprüche 5 bis 13 ausgebildet.

[0013] Die Erfindung geht aus von der Tatsache, dass sich die Leistungszahl einer Wärmepumpe unter winterlichen Betriebsbedingungen ganz erheblich verringern kann. Das wirkt sich auf die Jahresarbeitszahl, die ein Maß für die Effizienz von Wärmepumpenanlagen ist, sehr stark aus, weil mehr als die Hälfte des jährlichen Wärmebedarfs in den drei oder vier kältesten Monaten der Heizperiode unter dann recht ungünstigen Betriebsbedingungen erzeugt werden muss.

[0014] Eine Verbesserung lässt sich erreichen, wenn durch geeignete Maßnahmen der Rückgang der Quellentemperatur während der Heizperiode begrenzt wird, das Temperaturniveau auf der Quellenseite der Wärmepumpe also weitgehend stabilisiert wird.

[0015] Dies führt zu Effizienzsteigerungen von 10% und mehr, der Stromverbrauch nimmt somit stark ab. Darüber hinaus ergeben sich weitere Vorteile hinsichtlich der Betriebssicherheit und Verfügbarkeit von Wärmepumpenanlagen, weil auch bei übermäßigem Wärmeentzug wie bei einem Kälteeinbruch nach einem extrem langen Winter oder durch falsche Auslegung der Erdsondenanlage oder eine fehlerhafte Berechnung der Heizlast ein Einfrieren der Wärmequelle und damit ein Totalausfall der Anlage verhindert werden kann.

[0016] Die notwendigen Verfahrensänderungen erfordern [0017] - ein Wärmetauschersystem, das aus einem Wärmetauscher mit einzelnen Segmenten besteht (oder alternativ aus einer Vielzahl von Wärmetauschern kleinerer Leistung, die in geeigneter Weise miteinander verbunden sind), die jeweils über Ventile einzeln oder in Gruppen angesteuert werden können, [0018] - sowie ein komplexes Temperatur-Regelsystem, das auf das Wärmetauschersystem einwirkt und dieses bei Bedarf teilweise oder mit der vollen Leistung zuschaltet und so die Temperatur der Wärmequelle entsprechend den jeweiligen Anforderungen erhöht oder gegebenenfalls auch begrenzt; [0019] - nicht immer unbedingt erforderlich, aber von Vorteil ist auch ein beheizbarer Speicher für den Wärmeträger der Wärmequelle, da sich damit weitere Verbesserungen realisieren lassen.

[0020] Die damit möglichen Änderungen der Betriebsabläufe lassen sich anhand von schematisch dargestellten Anlagen bzw. Einrichtungen erläutern. Es zeigt [0021] Fig. 1 eine Heizungsanlage mit Wärmepumpe in herkömmlicher Ausführung (Stand der Technik), [0022] Fig. 2 eine Heizungsanlage mit Wärmepumpe und zusätzlichem Wärmetauscher, ausgelegt für einen Heizkreis mit Radiatoren, gemäß der Patentanmeldung DE10 2008 016 128 A1 (Qffenlegungsschrift vom 1.10.2009), [0023] Fig. 3 eine Wärmepumpe mit Radiatorenheizkreis mit zusätzlichem Wärmetauscher mit einzeln ansteuerbaren Segmenten für die Erwärmung der Sole sowie einem auf den Wärmetauscher wirkenden Regelsystem für eine feinstufige hochgenaue Anhebung und Begrenzung der Soletemperatur, [0024] Fig. 4 eine Wärmepumpe mit Wärmetauscher mit einzeln ansteuerbaren Segmenten und einem Temperatur-Regelsystem sowie einem beheizbaren Speicher für den Wärmeträger der Wärmequelle (Sole), der durch Solarwärme oder eine andere Energiequelle erwärmt wird und bei Bedarf zusätzlich durch Wasser, das in einem Zwischenkreis zirkuliert, mittels des Wärmetauschers weiter erwärmt werden kann.

[0025] Fig. 5 eine Wärmepumpe mit Wärmetauscher mit einzeln ansteuerbaren Segmenten und einem Temperatur-Regelsystem sowie einem beheizbaren Speicher, in dem in einem Zwischenkreis Wasser als Wärmeträger der Wärmequelle vorgewärmt wird durch Erdwärme und Solarwärme oder eine andere Energiequelle und bei Bedarf im Wärmetauscher weiter erwärmt werden kann, [0026] Fig. 6 eine Wärmepumpe gemäß dem Stand der Technik mit einem zusätzlichen Wärmetauscher als Beispiel für die Nutzung der Restwärme nach dem Ladevorgang (Darstellung von Ladevorgang und Nachlaufphase).

[0027] Die dargestellten Anlagen können allgemein für die Wärmegewinnung mittels Wärmepumpen verschiedener Bauarten sowie für verschiedene Energiequellen als Wärmeträger der Wärmequelle eingesetzt werden, sowohl für Heizungsanlagen unterschiedlicher Art für Gebäude wie auch für den Wärmebedarf bei gewerblichen und industriellen Anwendungen. Die Beschreibungen erfolgen anhand der Darstellung in Fig. 3 am Beispiel einer Sole/Wasser-Wärmepumpe.

[0028] Von einem Temperatur-Regelsystem (29) wird bei einer einstellbaren Unterschreitung der Quellentemperatur im Vorlauf der Wärmepumpe (11) bei entsprechender Programmierung ein Segment des Wärmetauschers (16) zugeschaltet, dadurch erhöht sich über den Vorlauf (20) die Temperatur auf der Primärseite der Wärmepumpe (Soleeingangtemperatur) beispielsweise um 1 K. Bei gleichbleibender Spreizung von etwa 5 K auf der Primärseite der Wärmepumpe verlässt die Sole über den Rücklauf (12) die Wärmepumpe mit einer dann auch etwa 1 K höheren Temperatur.

[0029] Die Quelle wird daher nicht mehr so stark abgekühlt, die Sole verlässt die Erdsondenanlage (25) beim nächsten Ladevorgang der Wärmepumpe bereits mit einer um etwa 1 K höheren Temperatur und kann nun entweder über den Vorlauf (11) direkt zur Wärmepumpe fließen (Wärmetauscher nicht zugeschaltet) oder bei Bedarf erneut über Vorlauf (19) zum Wärmetauscher (16), dort wird sie wieder um 1 K erwärmt und dann über Vorlauf (20) zur Wärmepumpe (10) geleitet.

[0030] Auf diese Weise kann der Wärmepumpe Sole mit einer je nach Bedarf um 1 K oder 2 K höheren Temperatur als sonst üblich zugeführt werden, der Rückgang der Quellentemperatur wird so verhindert, die Wärmepumpe arbeitet weiterhin unter günstigen Betriebsbedingungen mit einer fast unverändert guten Leistungszahl.

[0031] Da die Wärmepumpen so ausgelegt sein müssen, dass sie auch unter winterlichen Betriebsbedingungen noch die erforderliche Nennleistung abgeben, bei den durch diese Verfahrensänderungen möglichen höheren Soletemperaturen aber eine größere thermische Leistung zur Verfügung steht, kann der zusätzliche Wärmebedarf für das Wärmetauschersystem problemlos aufgebracht werden, je nach Auslegung der Anlage kann sogar eine preisgünstigere Wärmepumpe kleinerer Leistung eingesetzt werden.

[0032] Falls durch einen erhöhten Wärmebedarf mit der Folge eines größeren Wärmeentzugs die Quellentemperatur weiter zurückgehen sollte, ist ein Ausgleich dadurch möglich, dass weitere Segmente des Wärmetauschersystems zugeschaltet werden und so mehr Wärme auf den Solevorlauf übertragen wird.

[0033] Grundsätzlich gilt aber, dass die Wärmeübertragung so gering wie möglich sein sollte, sodass lediglich gerade der sonst auftretende Temperaturrückgang der Sole kompensiert wird, weil der Wärmeverbrauch des Wärmetauschersystems dann am niedrigsten ist und die Effizienz der Gesamtanlage den höchstmöglichen Wert erreicht.

[0034] Um die mit den Verfahrensänderungen möglichen Effizienzsteigerungen von 10% und mehr wirklich ausnutzen zu können, muss das komplexe Temperatur-Regelsystem in der Lage sein, die Temperaturwerte von Solevorlauf und Solerücklauf auf wenige zehntel Grad genau zu erfassen und zuverlässig zu verarbeiten, damit die einzelnen Segmente des Wärmetauschers exakt angesteuert und zugeschaltet werden können und so die vom Optimierungsprogramm vorgegebenen Temperaturen erreicht und gehalten werden.

[0035] Die Einfügung eines beheizbaren Speichers in das System bringt weitere Vorteile. Für die Anordnung eines Speichers gibt es mehrere Aiternativen, in Fig. 4 und Fig. 5 werden bei-spieihaft zwei Mögiichkeiten vorgesteiit.

[0036] Bei der Anordnung nach Fig. 4 wird der Wärmeträger der Wärmequelle (Sole) nicht mehr direkt über Voriauf (11) und (19) zum Wärmetauschersystem (16), sondern in einen beheizbaren Speicher (21) geieitet.

[0037] Sofern eine geeignete Energiequeiie wie Soiarwärme (26) oder Abwärme aktuell zur Verfügung steht, kann diese zur Erwärmung der Soie genutzt werden (bekannt) und so die Leistungszahi der Wärmepumpe verbessern. Steht diese Wärme aber nicht zur Verfügung oder reicht sie nicht aus, um die Temperatur der Soie in dem beheizbaren Speicher (21) auf dem erforderiichen Wert zu halten, so wird über das Regeisystem (29) ein Segment des Wärmetauschersystems (16) zugeschaitet, so dass über die Zuieitung (27) eines Zwischenkreises erwärmtes Wasser zum Speicher (21) geiangt und die darin befindiiche Sole auf die angestrebte Temperatur erwärmt; über die Rückieitung (28) fließt das Wasser dann wieder zum Wärmetauscher (16). Auf diese Weise kann die Soietemperatur mitteis des Temperatur-Regelsystems (29) stets auf dem jeweils optimalen Wert gehalten werden.

[0038] Bei der Anordnung nach Fig. 5 wird im beheizbaren Speicher (21) nicht die Sole, sondern Wasser als Wärmeträger der Wärmequelle erwärmt und über die Zuleitungen (22) und (23) der Wärmepumpe (10) zugeführt und über die Rückieitung (24) wieder in den Speicher (21) geieitet. Die Erwärmung des Wassers in diesem Zwischenkreis erfoigt im beheizbaren Speicher (21) durch die Zuführung von Wärme aus Erdsonden (25) oder auch durch Solarwärme (26) oder eine andere aktueii verfügbare Energiequeiie. Bei Bedarf kann in der beschriebenen Weise das Wärmetauschersystem zugeschaitet werden.

[0039] E ine Besonderheit bei der in Fig. 5 dargesteiiten Anordnung ist die Möglichkeit, die Sole nicht nur während des Ladevorgangs der Wärmepumpe zu fördern, sondern sie kontinuierlich mit geringem Leistungsbedarf umzuwäizen.

[0040] Für beide Speicher-Varianten giit, dass eine Übertragung von Wärme über das Wärmetauschersystem (16) nur dann erfoigt, wenn eine Unterschreitung einer vom Regelsystem (29) berechneten optimalen Temperatur des Wärmeträgers der Wärmequelle im Speicher (21) vor-iiegt. Steht jedoch Wärme von anderen Energiequeiien im Überfiuss zur Verfügung, so kann die Wärmepumpe (10) durchaus auch mit einer höheren Temperatur im Primärkreis betrieben werden.

[0041] Überschüssige Wärme wird jeweiis im Speicher bzw. in den Erdsonden in Form der höheren Temperatur des Wärmeträgers der Wärmequeiie eingeiagert. Wenn aber beispielsweise Soiarwärme nicht mehr in ausreichender Menge zur Verfügung steht, werden zunächst die Wärmemengen aufgebraucht, die im Speicher bzw. in den Erdsonden eingelagert sind, die höhere Queiientemperatur verringert sich wieder. Erst danach wird die Wärmequelle Erdreich belastet und gegebenenfalls bei einem zu starken Absinken der Quellenvorlauftemperatur bzw. der Speichertemperatur das Wärmetauschersystem wie beschrieben je nach Bedarf teilweise oder vollständig zugeschaitet.

[0042] Auf diese Weise können die verfügbaren Energiequeiien höchst effizient genutzt werden, die Queiientemperatur wird sich dabei weitgehend auf dem hohen sommerlichen Niveau stabiiisieren, so dass die Wärmepumpenaniagen insgesamt mit einer erheblich höheren Effizienz arbeiten ais dies derzeit mögiich ist.

[0043] Die durch die Verfahrensänderungen mögiichen Betriebsweisen sind am Beispiel einer Sole/Wasser-Wärmepumpe erläutert worden. Grundsätzlich iässt sich das Verfahren aber auch bei Wasser/Wasser- bzw. Luft/Wasser-Wärmepumpen anwenden, aiierdings ist dafür immer ein Speicher erforderiich, damit die über das Wärmetauschersystem aus dem Heizkreis entnommene Wärme, die ja auch zu einer höheren Temperatur im Rückiauf des Wärmeträgers der Wärmequeiie führt, nicht ungenutzt verioren geht, sondern in Form einer höheren Quellentemperatur im System verbieibt.

[0044] Ein weiterer Vorteil eines beheizbaren Speichers ergibt sich daraus, dass sich die Temperaturen allmählich angleichen und dann ziemlich konstant sind und nicht nur die vergleichsweise kurze Zeit während des Ladevorgangs der Wärmepumpe für die Wärmeübertragung zur Verfügung steht, was zu unterschiedlichen Temperaturen am Anfang und am Ende des Ladevorgangs führt.

[0045] Zusätzliche Verluste durch die Verfahrensänderungen entstehen nur bei der Übertragung von Wärme aus dem Heizkreis auf den Wärmeträger der Wärmequelle. Diese Verluste sind aber dank des hohen Wirkungsgrads von Wärmeübertragern recht niedrig, außerdem fallen sie nur in der Zeit an, wo bei entsprechendem Bedarf ein kleiner oder auch größerer Teil des Wärmetauschersystems zugeschaltet ist.

[0046] Mit der Kombination von Erdwärme und Solarwärme oder anderen nicht ständig ausreichend verfügbaren Energiequellen kann man je nach den jahreszeitlichen Witterungsbedingungen die jeweils günstigste Energieform nutzen und so eine sehr hohe Anlagen-Effizienz erreichen.

[0047] Bei Einfügung eines Wärmetauschersystems wird es auch möglich, die nach dem Ende eines Ladevorgangs in der Wärmepumpe selbst sowie im Wärmetauschersystem und in den Rohrleitungen noch enthaltene Restwärme zu nutzen und so die Effizienz der Anlage zu verbessern.

[0048] In dem beschriebenen Beispiel der Sole/Wasser-Wärmepumpe ist dazu nur erforderlich, dass nach dem Abschalten der Wärmepumpe die Heizkreisumwälzpumpe und die Soleumwälzpumpe in Betrieb bleiben und in einer Nachlaufphase über eine entsprechende Ventilsteuerung nun das Heizwasser aus der Wärmepumpe nicht mehr in den Heizkreis, sondern zum Wärmetauschersystem geleitet wird und zugleich die Sole nicht mehr vom Wärmetauscher zur Wärmepumpe, sondern über einen Bypass direkt in die Solerücklaufleitung gelangt.

[0049] Damit wird erreicht, dass die Temperatur der Sole im Rücklauf zur Erdsonde (bzw. zu einem Speicher) angehoben wird, die Sonde kühlt nicht mehr so stark aus, sodass bei einem etwa gleich bleibendem Wärmestrom vom Erdreich zur Erdsonde die Sole bis zum nächsten Ladevorgang eine höhere Temperatur als sonst möglich annehmen kann.

[0050] Das gilt auch entsprechend für den Fall, dass bei einer Anlage mit einem Speicher in einem Zwischenkreis ein anderer Wärmeträger der Wärmequelle eingesetzt oder die Wärmepumpe mit einer anderen Energiequelle betrieben wird.

[0051] Dieser durch einen Wärmetauscher mögliche Effekt kann auch bei einer Wärmepumpe gemäß dem Stand der Technik genutzt werden (Fig. 6). Dies wird sich aber nur bei Wärmepumpen größerer Nennleistung lohnen, bei denen der apparative Aufwand durch eine ausreichend hohe Energieeinsparung gerechtfertigt ist.

[0052] Dafür reicht es aus, einen nach dem Ende eines Ladevorgangs zuschaltbaren kleinen Wärmetauscher geringer Leistung zwischen Heizkreis und Primärkreis der Wärmepumpe einzubauen und über eine Ventilsteuerung (beispielsweise Dreiwegeventile) das Heizwasser nicht mehr dem Heizkreis der Anlage, sondern dem Wärmetauscher zuzuführen und so wie zuvor beschrieben die Restwärme auf den Primärkreis der Wärmepumpe zu übertragen, sodass die Erdsonde nicht mehr so stark wie bisher auskühlt.

[0053] Sobald keine Erhöhung der Primärtemperatur durch den Wärmetauscher mehr erfolgt, wird die Nachlaufphase durch Abschalten der Umwälzpumpen beendet. Im einfachsten Fall wird diese Abschaltung über einen Zeitablauf gesteuert.

[0054] Die am Beispiel einer Sole/Wasser-Wärmepumpe beschriebene Möglichkeit der Nutzung von Restwärme nach dem Ende eines jeden Ladevorgangs kann auch angewendet werden bei den Wärmepumpen, die mit einem anderen Wärmeträger der Wärmequelle arbeiten, sowie bei Wärmepumpen anderer Bauarten.

BEZUGSZEICHENLISTE 10 Wärmepumpe 11 Verlauf Sole zur Wärmepumpe 12 Rücklauf Sole zur Erdsondenanlage 13 Heizkreis (auch für Brauchwassererwärmung) 14 Verlauf Heizkreis 15 Rücklauf Heizkreis 16 Wärmetauschersystem (Segmente) oder Wärmetauscher 17 Zuleitung zum Wärmetauschersystem 18 Rückleitung vom Wärmetauschersystem 19 Zuleitung Sole zum Wärmetauschersystem 20 Zuleitung Sole zur Wärmepumpe 21 beheizbarer Speicher (Sole oder Wasser) 22 Zuleitung Wasser zum Wärmetauschersystem 23 Zuleitung Wasser zur Wärmepumpe 24 Rückleitung Wasser zum Speicher 25 Erdsondenanlage 26 Solaranlage 27 Zuleitung Wasser zum Speicher 28 Rückleitung Wasser zum Wärmetauschersystem 29 Temperatur-Regelsystem

Claims (13)

1. Patentansprüche

   1. Verfahren zum Betrieb einer Wärmegewinnungsaniage, insbesondere einer Heizungsania-ge, unter Einsatz mindestens einer Wärmepumpe (10), der ais Wärmeträger der Wärme-queiie aus einer beiiebigen Energiequeiie (beispieisweise Soie, Grundwasser, Luft, Abwärme oder Abiuft, Soiarwärme, Gas oder Strom) direkt oder mitteis Wärmeübertragung über einen Queiienvoriauf (11) Wärme zugeführt und über einen Queiienrücklauf (12) abgeführt wird und an die mindestens ein Verbraucher (Wärmesenke) angeschiossen ist, insbesondere eine Heizungsaniage, mit einem an die Wärmepumpe (10) anschiießendem Voriauf (14) und einem Rückiauf (15), dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Wärmeträgers der Wärmequeiie mitteis eines Temperatur-Regeisystems (29) bei Bedarf in Stufen erhöht und auch begrenzt wird, indem Wärme von dem Wärmeträger des Heizkreises vor dem Eintritt in die Wärmepumpe (10) über den Rückiauf (15) (17) (18) und ein Wärmetauschersystem mit einzein ansteuerbaren Teiibereichen (16) auf den Wärmeträger der Wärmequeiie übertragen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Wärmeträgers der Wärmequeiie vor dem Eintritt in die Wärmepumpe (10) erhöht wird durch Erwärmung in einem Speicher (21), der beheizt werden kann durch beiiebige Energiequeiien, bei Bedarf aber auch zusätziich durch Wasser in einem Zwischenkreis, das über den Rückiauf (28) dem Wärmetauschersystem (16) zugeführt und dort bei Bedarf zusätziich erwärmt wird und über den Voriauf (27) wieder zum Speicher (21) fließt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das ais Wärmeträger der Wärmequeiie dienende Wasser aus einem Wasserspeicher (21), der durch Erdwärme (oder eine andere in Anspruch 1 aufgeführte Energiequeiie) beheizt wird, entnommen wird und die Temperatur des Wassers bei Bedarf im Wärmetauschersystem (16) weiter erhöht werden kann.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nach dem Ende eines Ladevorgangs in der Wärmepumpe, im Wärmetauschersystem und in den Rohrleitungen noch enthaitene Restwärme genutzt wird, indem in einer Nachlaufphase das Heizwasser (der Wärmeträger des Heizkreises) direkt dem Wärmetauschersystem zugeführt und die Restwärme so auf den Primärkreis der Wärmepumpe übertragen und die Temperatur des Wärmeträgers der Wärmequelle damit erhöht wird.
5. 5. Einrichtung zur Wärmegewinnung, insbesondere mit einer Heizungsanlage, unter Einsatz einer Wärmepumpe (10), der als Wärmeträger der Wärmequelle aus einer beliebigen Energiequelle (beispielsweise Sole, Grundwasser, Luft, Abwärme oder Abluft, Solarwärme, Gas oder Strom) direkt oder mittels Wärmeübertragung über einen Vorlauf (11) Wärme zugeführt und über einen Rücklauf (11) abgeführt wird, wobei an die Wärmepumpe (10) ein Vorlauf (14) und ein Rücklauf (15) eines Heizkreises anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass an der Wärmepumpe (10) zwischen dem Heizkreis (Wärmesenke) und der Wärmequelle ein Wärmetauschersystem mit einzeln ansteuerbaren Teilbereichen (16) angeschlossen ist, durch das das Medium des Heizkreisrücklaufs (15) - nachfolgend als Wärmeträger des Heizkreises bezeichnet - hindurchgeführt wird, wobei dem Heizkreisrücklauf bei Bedarf Wärme entzogen und so mittels eines Temperatur-Regelsystems die Temperatur des Wärmeträgers der Wärmequelle in Stufen erhöht und auch begrenzt werden kann, bevor dieser über den Vorlauf (20) der Wärmepumpe (10) zugeführt wird.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nahe der Wärmepumpe (10) ein beheizbarer Speicher (21) angeordnet ist, in dem der Wärmeträger der Wärmequelle vor dem Eintritt in die Wärmepumpe (10) weiter erwärmt wird, soweit eine andere Energiequelle wie beispielsweise Solarwärme zur Verfügung steht, wobei dieser Speicher bei Bedarf aber stets auch dadurch beheizt werden kann, dass in einem Zwischenkreis Wasser über den Rücklauf (28) in das Wärmetauschersystem (16) fließt, dort erwärmt wird und über den Vorlauf (27) wieder zum Speicher (21) fließt.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Nähe der Wärmepumpe (10) angeordneter beheizbarer Wasserspeicher (21) als Wärmequelle dient, der durch Erdwärme oder Wärme aus einer anderen verfügbaren Energiequelle erwärmt wird, das darin enthaltene Wasser als Wärmeträger der Wärmequelle in einem Zwischenkreis über die Zuleitungen (22) und (23) zur Wärmepumpe (10) und über die Rückleitung (24) wieder in den Speicher fließt, bei Bedarf aber auch das an der Wärmepumpe (10) angeschlossene Wärmetauschersystem (16) zugeschaltet werden kann, sodass das Wasser dort weiter erwärmt und dann über den Vorlauf (23) der Wärmepumpe zugeleitet wird.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (16) entweder aus einem System von einzeln ansteuerbaren Segmenten besteht, die über Ventile jeweils einzeln oder in Gruppen zugeschaltet werden können, oder aus einer Vielzahl von Wärmetauschern kleinerer Leistung besteht, die miteinander verbunden sind und einzeln oder in Gruppen zugeschaltet werden können.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung und die Begrenzung der Temperatur des Wärmeträgers der Wärmequelle mittels eines Temperatur-Regelsystems (29) erfolgt, das die Temperaturwerte erfasst und verarbeitet und nach einem Optimierungsprogramm die einzelnen Segmente des Wärmetauschersystems entsprechend ansteuert und zuschaltet, sodass die Temperaturen im Vorlauf und Rücklauf der Wärmequelle beeinflusst und auch begrenzt werden können.
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Wirkung eines Wärmetauschersystems (16) über einen Zwischenkreis mit den Zuleitungen (27) und (28) bei Bedarf nach einem der vorhergehenden Ansprüche eine Erhöhung der Temperatur des Wärmeträgers einer Wärmequelle in einem beheizbaren Speicher (21) erreicht wird.
11. 11. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Wärmepumpe (10) ein beheizbarer Wasserspeicher (21) angeordnet ist, dessen Wasserinhalt als Wärmeträger der Wärmequelle dient und bei Bedarf im Wärmetauschersystem (16) vor dem Eintritt in die Wärmepumpe (10) zusätzlich erwärmt werden kann.
12. 12. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Ende eines Ladevorgangs die Umwälzpumpen im Heizkreis und im Primärkreis der Wärmepumpe weiterhin in Betrieb bleiben (Nachlaufphase), aber das Heizwasser als Wärmeträger des Heizkreises nicht mehr in den Heizkreis der Anlage, sondern zum Wärmetauschersystem geleitet wird, zugleich auch der im Wärmetauschersystem erwärmte Wärmeträger der Wärmequelle dann nicht mehr zur Wärmepumpe, sondern über einen Bypass direkt in die Rücklaufleitung zur Erdsonde bzw. zum Speicher gelangt und so die Temperatur des Wärmeträgers der Wärmequelle erhöht wird.
13. 13. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an Wärmepumpen gemäß dem Stand der Technik zusätzlich ein Wärmetauscher zwischen Heizkreis und Primärkreis angeschlossen und die Steuerung so ausgebildet wird, dass die Umwälzpumpen im Heizkreis und im Primärkreis der Wärmepumpe jeweils nach dem Ende eines Ladevorgangs weiterhin in Betrieb bleiben (Nachlaufphase), aber das Heizwasser als Wärmeträger des Heizkreises nicht mehr in den Heizkreis der Anlage, sondern zum Wärmetauscher geleitet wird, zugleich auch der dadurch im Wärmetauscher erwärmte Wärmeträger der Wärmequelle dann nicht mehr zur Wärmepumpe, sondern über einen Bypass direkt in die Rücklaufleitung zur Erdsonde bzw. zum Speicher gelangt und so die Temperatur des Wärmeträgers der Wärmequelle erhöht wird.