AT516403B1 - Verfahren zur Regeneration des Primärenergiespeichers einer Solewasserwärmepumpe - Google Patents

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AT516403B1 ATA8/2015A AT82015A AT516403B1 AT 516403 B1 AT516403 B1 AT 516403B1 AT 82015 A AT82015 A AT 82015A AT 516403 B1 AT516403 B1 AT 516403B1
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regeneration des Primärenergiespeichers (1) einer Solewasserwärmepumpe (4), bei dem ein bevorzugt als metallischer Lamellenwärmetauscher ausgebildeter Luftsolewärmetauscher (3) seriell in den Primärkreis der Solewasserwärmepumpe (4) geschaltet wird, und zwar so, dass die Solepumpe (6) auch dann betrieben wird, wenn der Kältekreis der Wärmepumpe (4) deaktiviert ist. Damit kann der Flächenbedarf für den Primärenergiespeicher (1) auf einen Bruchteil eines konventionellen Flächenkollektors reduziert werden. Der Luftsolewärmetauscher (3) wird bevorzugt mit ausschließlicher natürlicher Luftbewegung betrieben.

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUR REGENERATION DES PRIMÄRENERGIESPEICHERS EINER SOLEWASSERWÄRMEPUMPE
HINTERGRUND UND GEBIET DER ERFINDUNG
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration des Primärenergiespeichers einer Solewasserwärmepumpe gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
BISHERIGER STAND DER TECHNIK
[0002] Aus der EP 2 246 633 A2 ist ein Verfahren zur Nutzung von solarer Wärme bekannt, bei dem der solare Energieertrag neben einen Heizungskreislauf und einen Warmwasserspeicher auch auf eine Erdwärmesonde geleitet werden kann. Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren wird das die Sonde umgebende Erdreich aber ausschließlich durch Solarenergie und nicht durch die Wärmeenergie von Umgebungsluft regeneriert.
[0003] Aus der EP 2 151 637 A2 ist eine Anordnung zur Bereitstellung von warmem Brauchwasser bekannt, in der ein Solarkreislauf mit einem Solarkollektor und einem Verbraucher einerseits, sowie der Primärkreislauf einer Wärmepumpe (Solekreislauf) andererseits über einen Wärmetauscher thermisch gekoppelt werden. Das Ausmaß der thermischen Kopplung wird durch ein Mischventil bestimmt. Die Anordnung erlaubt die Nutzung der Solarenergie insbesondere dann, wenn die Sonneneinstrahlung nicht mehr ausreicht, um im Solarkreislauf das Temperaturniveau des Verbrauchers zu erreichen, das Temperaturniveau jedoch über jenem des Primärkreises der Wärmepumpe liegt.
[0004] Aus der EP 1 248 055 A2 ist eine Gesamtumweltwärmequelle bekannt, bei der im Primärkreis einer Wärmepumpe bis zur drei Wärmequellen (Erdwärmetauscher, Luftkollektor, Solarabsorber) in Serie geschaltet sind, wobei die Wärmequellen jeweils einzeln durch eine von einem Umschaltventil beherrschte Bypass-Leitung umgangen werden können. Damit kann die unter den gegebenen Verhältnissen jeweils beste Wärmequelle (beziehungsweise Kombination von Wärmequellen) für den Betrieb der Wärmepumpe ausgewählt werden. Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren ist in der EP 1 248 055 A2 jedoch keine Zirkulation des Wärmeträgermediums - und damit auch kein Energieaustausch zwischen den Wärmequellen - vorgesehen, wenn die Wärmepumpe nicht im Betrieb ist. Des Weiteren ist in der EP 1 248 055 A2 ein Umschaltventil für jede einzelne Wärmequelle vorgesehen, während im erfindungsgemäßen Verfahren nur ein einziges Schaltorgan notwendig ist, weil sich der Erdkollektor immer im Primärkreis der Wärmepumpe befindet.
[0005] In der WO 2012/032159 A2 wird ein Speichertank vorgeschlagen, der die latente Wärmeenergie eines Speichmediums, insbesondere Wasser, nutzt. Im Zentrum des Speichertanks befindet sich ein erster Wärmetauscher, über den dem Speichertank vorzugsweise durch eine Wärmepumpe Energie entzogen wird. Zwei weitere Wärmetauscher, die beispielsweise in der Gehäusewand des Speichertanks eingegossen sind und den ersten Wärmetauscher umgeben, dienen der Regeneration. Das Wärmeträgermedium des zweiten Wärmetauschers ist bevorzugt ein Gas, insbesondere Umweltluft oder Abwasserkanalluft, jenes des dritten ist eine Flüssigkeit, über die dem Speichertank bevorzugt aus Solarabsorbern gewonnene Energie zugeführt wird. Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren werden in der WO 2012/032159 A2 für den Eintrag und Entzug der Energie aus dem Speichertank unterschiedliche Wärmetauscher vorgeschlagen, was zu einem hohen mechanischen und elektrischen Aufwand führt.
[0006] Aus der EP 2 322 880 A1 ist eine Wärmepumpenanlage bekannt, bei der wenigstens zwei baulich getrennte Wärmepumpen mit einem einzigen Umweltwärmequellen-Kreislauf verbunden sind, wobei in den letzteren verschiedene Umweltwärmequellen integrieren sein können.
[0007] Aus der DE 3 101 138 A1 ist eine Wärmepumpe bekannt, bei der die Wärmeenergie von zwei Wärmequellen der Verdampferseite über einen Dreifachwärmetauscher einzeln oder zusammengleichzeitig zugeführt wird.
[0008] Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
[0009] Fig. 1 zeigt ein Fließschema einer Heiz- und/oder Kühlanlage (10), auf dessen Pri märenergiespeicher (1) das erfindungsgemäße Verfahren angewandt wird, [0010] Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Variante des Luftsolewärmetauschers (3) beziehungs weise eines Wärmetauschermoduls (3a) in schematischer Darstellung, [0011] Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Variante des Erdkollektors (2) beziehungsweise eines
Kollektormoduls (2a) in schematischer Darstellung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
[0012] Fig. 1 zeigt ein Fließschema der Heiz- und/oder Kühlanlage (10), auf dessen Primärenergiespeicher (1) das erfindungsgemäße Verfahren angewandt wird. Im elementaren Primärkreis (8) sind die Solepumpe (6), der Erdkollektor (2) und der Primärwärmetauscher (5) der Solewasserwärmepumpe (4) enthalten. Im erweiterten Primärkreis (8a) ist noch zusätzlich ein Luftsolewärmetauscher (3) enthalten, wobei der letztere durch ein Schaltorgan (9), insbesondere durch ein Umschaltventil, seriell in den Solekreislauf geschaltet wird. Im Sekundärkreis der Solewasserwärmepumpe (4) ist ein Verbraucher (7) enthalten, an den die gewonnene Wärme und/oder Kälte abgegeben wird. Für den Fall, dass mit ein- und derselben Solewasserwärmepumpe (4) in der warmen Jahreszeit Kälte und in der kalten Jahreszeit Wärme erzeugt werden soll, muss diese als reversible Wärmepumpe ausgebildet sein. Bei Wärmepumpen dieses Typs werden mithilfe eines Vierwegventils einfach der Verdampfer und der Verflüssiger im Kältekreis vertauscht; üblicherweise werden zur optimalen Anpassung an die beiden Betriebsarten auch zwei unterschiedliche Expansionsventile verwendet. Diese Details sind in der schematischen Darstellung der Wärmepumpe (4) in Fig. 1 jedoch nicht ausgeführt, weil sie für das erfindungsgemäße Verfahren unerheblich sind.
[0013] Grundsätzlich kann die Solewasserwärmepumpe (4) für jede der beiden Hauptbetriebsarten (Heizen und Kühlen) in jeweils drei Unterbetriebsarten betrieben werden. Diese sind: [0014] a. Betrieb der Wärmepumpe (4) mit elementarem Primärkreis (8) (Betriebsart B1) b. Betrieb der Wärmepumpe (4) mit erweitertem Primärkreis (8a) (Betriebsart B2), c. Betrieb der Solepumpe (6) bei deaktiviertem Kältekreis der Wärmepumpe (4) und erweitertem Primärkreis (8a) (Betriebsart B3).
[0015] In der Betriebsart B1 wird die Primärenergie ausschließlich dem Primärenergiespeicher (1) entnommen. Die Heiz- und/oder Kühlanlage (10) kann in die Betriebsart B2 übergeführt werden, wenn sich (a) im Heizbetrieb die Lufttemperatur größer als die Temperatur des Speichermediums (31b) des Primärenergiespeichers (1) beziehungsweise (b) im Kühlbetrieb die Lufttemperatur kleiner als die Temperatur des Speichermediums (31b) des Primärenergiespeichers (1) darstellt. In der Betriebsart B2 wird dann zumindest ein Teil der Primärenergie über den Luftsolewärmetauscher (3) der Umgebungsluft entzogen, es kann aber auch der Fall eintre-ten, dass der gesamte Primärenergiebedarf der Umgebungsluft entnommen wird und es zusätzlich noch zu einer Regeneration des Primärenergiespeichers (1) kommt. Dieser Fall tritt dann ein, wenn ein signifikanter Temperaturunterschied zwischen Umgebungsluft (31a) und dem Speichermedium (31b) des Primärenergiespeichers (1) gegeben ist. Beträgt im Heizbetrieb beispielsweise die Lufttemperatur (31a) ΙΟ'Ό und die Temperatur des Speichermediums (31b) 0°C, und regelt die Wärmepumpe (4) die Spreizung der Soletemperatur auf 4 Kelvin ein, könnten sich bei entsprechender Dimensionierung von Luftsolewärmetauscher (3) und Erdkollektor (2) folgende Temperaturverhältnisse einstellen: Referenzpunkt 1 (30a): 1^, Referenzpunkt 2 (30b): δ'Ό, Referenzpunkt 3 (30c): 5°C. Die Temperaturspreizung beträgt am Luftsolewärmetauscher (3) also 8°C - 1 <€ = 7K, am Erdkollektor (2) - 8^ = -3K und am Primärwärme tauscher (5) 5°C - 1 °C = 4K. Mit anderen Worten gehen All der am Luftsolewärmetauscher (3) gewonnenen Energie an die Wärmepumpe (4) und von dort weiter an den Verbraucher (7) und 3/7 der gewonnenen Energie in die Regeneration des Primärenergiespeichers (1).
[0016] Anhand der obigen Beispielrechnung wird auch deutlich, dass es von Vorteil sein kann, auch dann von der Betriebsart B1 in die Betriebsart B2 zu wechseln, wenn die Lufttemperatur (31a) niedriger ist als die Temperatur des Speichermediums (31b) ist: Durch die Strategie der Wärmepumpensteuerung, eine Temperaturspreizung der Sole von 4K am Primärwärmetauscher (5) herzustellen, ergibt sich eine Soleaustrittstemperatur (Referenzpunkt 1 (30a)), die um wenigstens 4K geringer ist als die Temperatur des Speichermediums (31b). Liegt die Lufttemperatur (31a) nun zwischen der Temperatur des Speichermediums (31 b) und der genannten Soleaustrittstemperatur (30a), kommt es in der Betriebsart B2 am Luftsolewärmetauscher (3) auf alle Fälle zu einer Temperaturanhebung der Sole und damit zu einem Wärmeeintrag, wodurch der Primärenergiespeicher (1) im Vergleich zur Betriebsart B1 geschont wird.
[0017] Die Betriebsart B3 wird aktiviert, wenn am Verbraucher (7) aktuell kein Wärme- beziehungsweise Kältebedarf gegeben ist, die Lufttemperatur (31a) (a) im Heizbetrieb sich aber größer als die Temperatur des Speichermediums (31b) im Primärenergiespeicher (1) beziehungsweise (b) im Kühlbetrieb kleiner als die letztere darstellt. Durch den Solefluss kommt es (a) im Heizbetrieb zu einer Wärmeaufnahme am Luftsolewärmetauscher (3) und zu einer Wärmeabgabe am Erdkollektor beziehungsweise (b) im Kühlbetrieb zu einer Kälteaufnahme am Luftsolewärmetauscher und einer Kälteabgabe am Erdkollektor (2), wodurch in beiden Hauptbetriebsarten eine Regeneration des Primärenergiespeichers (1) gegeben ist.
[0018] Das Speichermedium des Primärenergiespeichers (1) soll insbesondere im Heizbetrieb einen hohen Wasseranteil aufweisen. Die enorme Schmelzenthalpie (333,5 kJ/kg) des Wassers sorgt dafür, dass der gesamte Primärenergiespeicher (1) lange Zeit auf einem Temperaturniveau von 0°C (Gefrier-/Schmelzpunkt Wasser) verharren kann. Dadurch kommt es bei Phasen warmen Wetters während der Heizperiode (beispielsweise bei Föhnwetterlagen) wegen der hohen Temperaturdifferenzen zwischen Luft und Speichermedium zu großen Energieeinträgen, wobei sich diese auch bei langen Phasen warmen Wetters nicht abschwächen, weil ein Temperaturanstieg im Speicher erst nach einem vollständigen Aufschmelzen des Eises möglich ist. Bei einem Verbleib des geschmolzenen Wassers im Primärenergiespeicher (1) steht die eingetragene Wärme für nachfolgende Kältephasen wieder zur Verfügung, wodurch auch lange Kältephasen auf einem Temperaturniveau des Speichermediums von 0°C überbrückt werden können.
[0019] Im Hinblick auf die zweite Hauptbetriebsart (Kühlen) kommt es in vielen Regionen der Welt zu großen Temperaturunterschieden zwischen Tag und Nacht. Aber auch in den gemäßigten Zonen Mitteleuropas erreicht man an Sommertagen häufig Temperaturen von 35°C während die Temperaturen in der Nacht auf unter 20°C zurückgehen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es nun, die bei der Kühlung am Tag anfallende Wärme gegen das relative kühle Speichermedium des Primärenergiespeicher (1) abzugeben. In der Nacht wird der nun warme Primärenergiespeicher (1) über den Luftsolewärmetauscher (3) gegen die kalte Außenluft entladen. Durch diese antizyklische Betriebsweise können wesentlich bessere Arbeitszahlen (EER) realisiert werden, als dies bei einer direkten Abgabe der Wärme gegen die heiße Außenluft des Tages möglich wäre. Beispielsweise erreichen reversible Solewasserwärmepumpen für den Betriebspunkt „B20/W7“ (Sole: 20°C, Wasser: 7^) Arbeitszahlen (EER) von 6,4 und mehr. Vergleicht man diesen Wert mit reversiblen Luftwasserwärmepumpen, überschreiten die Arbeitszahlen (EER) für den Betriebspunkt „A35/W7“ (Luft: 35°C, Wasser: 7°C) nur selten den Wert von 3,30. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass als Wärmeträgermedium eine Sole eingesetzt wird und nicht ein gasförmiges Kältemittel, wie dies bei Luftwasserwärmepumpen der Fall ist, wodurch die Errichtung und Wartung der Anlagen wesentlich vereinfacht wird. Ganz allgemein sind zudem auch die Arbeitszahlen von Solewasserwärmepumpen besser als jene von Luftwasserwärmepumpen.
[0020] Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Variante des Luftsolewärmetauschers (3). Dieser besteht aus einer Vielzahl von metallischen Kernrohren (11), die wärmeleitend mit einer Vielzahl von ebenfalls metallischen Lamellen (12) verbunden sind. Die Lamellen (12) sind dabei bevorzugt in einer Normalebene der Kernrohrachsen angeordnet, wobei die Kernrohre (11) zuerst in Reihe zu Subsolekreisen (11b) und dann parallel zu einem Gesamtsolekreis mit zwei Solesammelanschlüssen (13) verschaltet sind. Die serielle Verschaltung der Kernrohre (11) zu Subsolekreisen (11b) erfolgt durch Rohrbögen, die auch als Haarnadeln (11a) bezeichnet werden. Die parallele Verschaltung der Subsolekreise (11b) zum Gesamtsolekreis erfolgt über Sammelrohre (14). Das bevorzugte Material für die Lamellen (12) ist Aluminium, das bevorzugte Material für die Kernrohre (11), Haarnadeln (11a) und Sammelrohre (14) ist Aluminium oder Kupfer. Kupfer hat den Vorteil, dass es durch Löten leicht zu verarbeiten ist, Aluminium muss geschweißt werden, ist jedoch kostengünstiger. Kernrohre (11), Lamellen (12), Haarnadeln (11a) und Sammelrohre (14) werden nach dem Stand der Technik von der Kältetechnikindustrie in großer Stückzahl für Verdampfer und Verflüssiger vorgefertigt, wodurch sich auch günstige Gestehungskosten für den Luftsolewärmetauscher (3) des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben.
[0021] Der Luftsolewärmetauscher (3) ist in seiner bevorzugten Ausführungsform für einen Betrieb mit natürlicher Luftbewegung ausgebildet. Dies erspart den Einsatz von Ventilatoren und verhindert Geräuschemissionen. Die geringere flächenspezifische Leistung wird einfach durch eine größere Fläche ausgeglichen. Um der Gefahr einer durchgehenden Vereisung der Lamellen im Heizbetrieb vorzubeugen, werden die Lamellen (12) mit 5 mm beabstandet. Generell ist die Vereisungsgefahr ohnehin stark vermindert, weil bei tiefen Temperaturen der Luftsolewärmetauscher (3) gar nicht in den Primärkreis der Wärmepumpe (4) eingebunden ist.
[0022] In einer bevorzugten Ausführungsform des Luftsolewärmetauschers (3) ist dieser außerdem modular aufgebaut, wobei sich der Gesamtwärmetauscher bevorzugt aus der hydraulischen Parallelschaltung der Kollektormodule (3a) zusammensetzt. Dies gewährleistet eine einfache Auslegbarkeit des Systems. Ein Kollektormodul (3a) besitzt bevorzugt Abmessungen von etwa 2 m x 1 m (Länge x Höhe) und wiegt dann bei einer Ausführung in Aluminium etwa 30kg. Damit ist es noch gut handhabbar, im Notfall auch von einem einzelnen Mann. Die Lamellenbreite beziehungsweise die Modultiefe beträgt etwa 50 mm. Eine noch größere Lamellenbreite würde bei einer angenommenen Frontgeschwindigkeit der Luft von etwa 0,15 m/s (natürliche Luftbewegung) und der oben genannten Beabstandung der Lamellen keine entscheidende Leistungssteigerung mehr entfalten. Unter den getroffenen Annahmen kann für den Luftsolewärmetauscher (3) von einer spezifischen Leistung von etwa 140 Watt pro Quadratmeter und Grad Kelvin mittlerer Temperaturdifferenz zwischen Sole und Luft ausgegangen werden. Dieser Wert lässt sich auch in der Praxis gut verifizieren. Er berücksichtigt bereits, dass im Freien praktisch nie eine völlige Windstille herrscht, und die natürliche Luftbewegung den Wärmeaustausch zwischen Luft und Sole verstärkt. Befindet sich der Luftsolewärmetauscher dagegen wirklich „im Wind“, sind auch spezifische Leistungen von 500 W/(m2*K) möglich (Frontge-schwindgeit der Luft: 1,0 m/s).
[0023] Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Variante des Erdkollektors (2) beziehungsweise eines Kollektormoduls (2a). Ebenso wie beim Luftsolewärmetauscher (3) ist auch der Erdkollektor (2) bevorzugt durch die hydraulische Parallelschaltung von einzelnen Kollektormodulen (2a) ausgebildet. Ein Kollektormodul (2a) ist dabei als Rohrwärmetauscher ausgebildet, wobei ein PE-Rohr (15) spiralförmig in einer horizontalen Ebene so verlegt wird, dass die Rohrwindungen sich in einer ersten, unteren Lage von einer Anschlussstelle (16) mit den beiden Soleanschlüssen (17) entfernen und in einer zweiten, oberen Lage wieder zu dieser zurückführen.
[0024] Ein anhaltend hoher Wasseranteil im Speichermedium des Primärenergiespeichers (1) wird bevorzugt durch die beiden folgenden Varianten sichergestellt: [0025] a. Besteht das Erdreich aus Böden, die einen hohen Wasseranteil auch gegen die
Schwerkraft halten können (adhäsiv gebundenes Haftwasser und geschlossene Mikrohohlräume), kann der Erdkollektor direkt ins Erdreich eingebracht werden. Beispielsweise halten Lehm- oder Tonböden mit Leichtigkeit dauerhaft 0,25 Liter Wasser und mehr pro Kubikdezimeter. Sind solche Böden vorhanden, dürfen bei einer Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Rohre des Erdkollektors (2) so dicht verlegt werden, dass sich Entzugsleistungen von 100 W/m2 und mehr ergeben. Üblicherweise werden bei einem Flächenkollektor einem Boden, je nach Bodenart, nicht mehr als 10 - 35 W/m2 entzogen, weil sich der Boden sonst während der Heizperiode thermisch erschöpft beziehungsweise zwischen den Heizperioden nicht mehr vollständig regenerieren kann. Durch die thermische Regeneration des Bodens innerhalb der Heizperiode kann die Entzugsleistung aber wesentlich größer gewählt werden. Als Faustregel kann für gemäßigte Klimazonen mit nicht mehr als 4.000 Gradtagen per anno (gemäß VDI 3807, beispielsweise Wien: 3.235 Kd/a, Berlin: 3.606 Kd/a, München: 3.809 Kd/a) der Flächenbedarf für den Kollektor auf ein Viertel eines konventionellen Flächenkollektors reduziert werden, wenn für einen jährlichem Heizwärmebedarf von jeweils 2.500 kWh jeweils ein Quadratmeter Luftsolewärmetauscher (3) in der oben genannten Ausführung vorgesehen wird. Besitzt ein Gebäude beispielsweise einen jährlichen Heizwärmebedarf von 10.000 kWh und wurde für einen konventionellen Flächenkollektor ein Flächenbedarf von 240m2 errechnet, kann der Flächenbedarf auf 60 Quadratmeter reduziert werden, wenn der Luftsolewärmetauscher (3) eine Fläche von 4m2 aufweist. Selbstverständlich ist aber nur der Flächenbedarf und nicht die Rohrlänge des Kollektors reduzierbar. Die letztere muss nun bevorzugt in der in Fig. 3 vorgeschlagenen Variante auf die kleinere Fläche konzentriert werden. Die Reduktion der Kollektorfläche auf 1/4 der Größe eines konventionellen Flächenkollektors bedeutet, dass eine Umschlaghäufigkeit der im Primärspeicher enthaltenen Energie von 4, bezogen auf eine Heizperiode, gegeben ist. Bei einer Referenzanlage (3.340 Kd/a) wurde eine Umschlaghäufigkeit von 10 (allerdings bei einem Kies-/Wasserspeicher) erfolgreich getestet, sodass man sich mit der oben vorgeschlagenen Auslegung auf der sicheren Seite befinden sollte.
[0026] b. Bei Sand- beziehungsweise Schotterböden kann ein hoher Wasseranteil des Primär energiespeichers (1) durch das Einbringen einer wasserdichten Folie in das Erdreich sichergestellt werden. Als Füllmaterial wird bevorzugt ein Rundkies verwendet, weil dieser die PE-Rohre (15) des Erdkollektors (2) beziehungsweise die Folie nicht verletzt. Diese Variante hat auch den Vorteil, dass überschüssiges Speicherwasser bei der Wärmeentnahme (und des damit einhergehenden Gefriervorgangs) leicht nach oben gedrängt und dort definiert abgeleitet werden kann. Dadurch kommt es zu keinen Bodenhebungen, wodurch diese Variante sich insbesondere auch für versiegelte Flächen eignet.
[0027] Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bezieht sich darauf, dass das Schaltorgan (9) zur Integration des Luftsolewärmetauschers (3) in den Primärkreis der Solewasserwärmepumpe (4) manuell erfolgt. Dies ist insbesondere für Bestandsanlagen sinnvoll, wenn sich herausstellt, dass die Fläche des Flächenkollektors zu gering gewählt wurde und eine zusätzliche Regeneration außerhalb der Heizperiode angestrebt wird. Die Heiz- und Regenerationsperiode können sich auch überschneiden; beispielsweise bieten sich in Deutschland die Monate April bis Oktober wegen der noch deutlich positiven Durchschnittstemperaturen durchgehend für die Aktivierung des Luftsolewärmetauschers (3) an. Durch die manuelle Betätigung des Schaltorgans (9) benötigt die elektrische Steuerung einer Bestandsanlage keine Modifikation.
[0028] Die Leistungsfähigkeit einer Regeneration außerhalb der Heizperiode soll nun anhand eines Rechenbeispiels demonstriert werden: Ist am Ende der Heizperiode ein großer Teil des Erdreichs um die PE-Rohre des Kollektors vereist, kann man davon ausgehen, dass die Temperatur des Speichermediums praktisch über die gesamte Regenerationsperiode auf 0°C verharrt. (Sollte das Eis bereits früher vollständig aufschmelzen, so darf man sich ja durchaus an diesem Umstand erfreuen!) Geht man des Weiteren davon aus, dass bei einem für diesen Anwendungsfall sehr klein (im Hinblick auf den Wärmeübergang und in Relation zum Erdkollektor (2)) dimensionierten Luftsolewärmetauscher (3) de facto der gesamte Temperaturstieg der
Sole im Erdkollektor (2) wieder abgeerntet werden kann, so errechnet sich über die angenommene Regenerationsperiode von 7 Monaten (April bis Oktober), einer durchschnittlichen Lufttemperatur von 14°C in dieser Periode (Deutschland, Durchschnitt 2001-2013) und einer spezifischen Leistung des Luftsolewärmetauschers von 140 W/(m2*K) ein Wärmeintrag von 14 K * 210 d/a * 24 h/d *0,14 kW/(m2*K) = 10.580 kWh/(m2*a).
Dies ist in etwa das Siebenfache (!) der durchschnittlichen Jahressolareinstrahlung in Deutschland [1.400 kWh/(m2*a)]. Im Hinblick auf die Regeneration eines Niedrigtemperaturspeichermediums ist der im erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagene Luftsolewärmetauscher (3) demnach einem Solarkollektor weit überlegen, was insbesondere im Hinblick auf die Vorschläge der EP 2 246 633 A2 und der EP 2 151 637 A2 einen interessanten Blickwinkel eröffnet.
BEZUGSZEICHENAUFSTELLUNG 1 Primärenergiespeicher 2 Erdkollektor 2a Kollektormodul 3 Luftsolewärmetauscher 3a Wärmetauschermodul 4 Solewasserwärmepumpe 5 Primärwärmetauscher 6 Solepumpe 7 Verbraucher 8 Elementarer Primärkreis 8a Erweiterter Primärkreis 9 Umschaltorgan 10 Heiz-/Kühlanlage 11 Kernrohr 11 a Haarnadel 11b Subsolekreis 12 Lamelle 13 Solesammelanschluss 14 Sammelrohr 15 Polyethylenrohr (PE-Rohr) 16 Anschlussstelle 17 Solenanschluss Kollektor 30a Referenzpunkt 1: Soletemperatur Austritt Wärmepumpe 30b Referenzpunkt 2: Soletemperatur Austritt Luftsolewärmetauscher 30c Referenzpunkt 3: Soletemperatur Austritt Erdkollektor 31 a Referenzpunkt 4: Temperatur Umgebungsluft 31 b Referenzpunkt 5: Temperatur Speichermedium

Claims (9)

  1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Regeneration des Primärenergiespeichers (1) einer Heiz- und/oder Kühlanlage (10), bestehend aus (a) einer Solewasserwärmepumpe (4) mit einem an ihr angeschlossenen Wärme- und/oder Kälteverbraucher (7), (b) einem Primärenergiespeicher (1) mit einem Erdkollektor (2), (c) einer Solepumpe (6) zum Transport eines Wärmeträgermediums (Sole) durch den Primärkreis (8), gekennzeichnet dadurch, dass in wenigstens einer Betriebsart mithilfe eines Umschaltorgans (9) zusätzlich ein Luftsolewärmetauscher (3) seriell in den Primärkreis (8) geschaltet wird, und a. für den Fall, dass die Solewasserwärmepumpe (4) zur Abgabe von Wärme an den Verbraucher (7) konfiguriert ist, die Solepumpe (6) auch bei deaktiviertem Kältekreislauf der Solewasserwärmepumpe (4) aktiviert wird, wenn sich die Lufttemperatur (31a) größer als die Temperatur des Speichermediums (31b) im Primärenergiespeicher (1) darstellt, und/oder b. für den für den Fall, dass die Solewasserwärmepumpe (4) zur Abgabe von Kälte an den Verbraucher (7) konfiguriert ist, die Solepumpe (6) auch bei deaktiviertem Kältekreislauf Solewasserwärmepumpe (4) aktiviert wird, wenn sich die Lufttemperatur (31a) kleiner als die Temperatur des Speichermediums (31b) im Primärenergiespeicher (1) darstellt.
  2. 2. Heiz- und/oder Kühlanlage (10) zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Luftsolewärmetauscher (3) (oder ein Modul (3a) eines modular aufgebauten Luftsolewärmetauschers (3)) durch eine Vielzahl von metallischen Kernrohren (11) wärmeleitend verbunden mit einer Vielzahl von ebenfalls metallischen Lamellen (12) ausgebildet ist, wobei die Lamellen (12) bevorzugt in einer Normalebene der Kernrohrachsen angeordnet sind und die Kernrohre (11) parallel und/oder seriell zu einem Solekreis mit wenigstens zwei Solesammelanschlüssen (13) verschaltet sind.
  3. 3. Heiz- und/oder Kühlanlage (10) nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass das der Luftsolewärmetauscher (3) für einen Betrieb mit ausschließlich natürlicher Luftbewegung ausgebildet ist.
  4. 4. Heiz- und/oder Kühlanlage (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass der Erdkollektor (2) oder ein Modul (2a) eines modular aufgebauten Erdkollektors (2) aus einem spiralförmig in einer horizontalen Ebene verlegten PE-Rohr (15) ausgebildet ist, wobei die Rohrwindungen sich in einer ersten Lage von einer Anschlussstelle (16) mit den beiden Soleanschlüssen (17) entfernen und in einer zweiten Lage wieder zu dieser zurückführen.
  5. 5. Heiz- und/oder Kühlanlage (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass das Speichermedium des Primärenergiespeicher (1) durch das Erdreich ausgebildet ist, wobei der Boden so beschaffen ist, dass er wenigstens 0,25 Liter Wasser pro Kubikdezimeter Boden gegen die Schwerkraft halten kann, wie dies insbesondere bei Lehm- oder Tonböden gegeben ist.
  6. 6. Heiz- und/oder Kühlanlage (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass der Erdkollektor (2) des Primärenergiespeichers (1) so bemessen ist, dass die Wärme- und/oder Kälteentzugsleistung wenigstens 50 Watt pro Quadratmeter Kollektorfläche beträgt.
  7. 7. Heiz- und/oder Kühlanlage (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass der Primärenergiespeicher (1) durch einen mit Wasser gefüllten Kiesspeicher ausgebildet ist, wobei der Kiesspeicher durch eine wasserdichte Hülle gegen das Erdreich abdichtet ist.
  8. 8. Heiz- und/oder Kühlanlage (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass der Primärenergiespeicher (1) als Latentwärmespeicher mit dem Speichermedium Wasser ausgebildet ist.
  9. 9. Heiz- und/oder Kühlanlage (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet dadurch, dass das Schaltorgan (9) insbesondere im Hinblick auf eine Regeneration des Primärenergiespeichers (1) außerhalb oder vorwiegend außerhalb der Heizperiode für eine manuelle Betätigung ausgebildet ist. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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