[0001] Die Erfindung betrifft eine Heizanlage mit Wärmepumpe gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to a heating system with heat pump according to the preamble of patent claim. 1
[0002] Heizanlagen mit Wärmepumpen, die der Aussenluft Wärme entnehmen, um damit ein Gebäude zu beheizen und Warmwasser aufzubereiten sind bekannt. Derartige Anlagen weisen meist eine zusätzliche Heizung auf, beispielsweise eine Elektroheizung. Reicht nämlich die aus der Luft gewonnene Energie wegen zu tiefer Lufttemperatur zum Heizen nicht aus, wird der Anlage mit der elektrischen Zusatzheizung die erforderliche Energie zugeführt. Durch die Temperaturschwankungen der Luft im Tagesverlauf bzw. bei Schön- und Schlechtwetter schwankt auch der Wärmeenergieinhalt der Luft. Der Nachteil einer derartigen Heizanlage ist, dass das Wärmeenergieangebot aus der Luft und die Wärmenachfrage meist zeitlich nicht übereinstimmen. Heating systems with heat pumps, which remove heat from the outside air to heat a building and prepare hot water are known. Such systems usually have additional heating, such as an electric heater. If the energy obtained from the air is insufficient for heating due to too low air temperature, the system will be supplied with the required energy with the additional electric heater. Due to the temperature fluctuations of the air in the course of the day or in fine and bad weather, the heat energy content of the air fluctuates. The disadvantage of such a heating system is that the heat energy supply from the air and the heat demand usually do not match in time.
[0003] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Heizanlagen der oben genannten Gattung zu schaffen, welche die genannten Nachteile reduziert und damit den Wirkungsgrad erhöht. The object of the present invention is to provide a heating systems of the above type, which reduces the disadvantages mentioned and thus increases the efficiency.
[0004] Diese Aufgabe wird von einer Heizanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved by a heating system with the features of claim 1.
[0005] Um die genannten Nachteile zu reduzieren, schlägt die vorliegende Erfindung einen Pufferspeicher mit Wärmespeicherelementen vor, die Wärme aus der dem Speicher zugeführten Luft aufnehmen und speichern können, und denen bei Bedarf Wärme für die Heizanlage entnommen werden kann. Erfindungsgemäss besteht der Pufferspeicher aus einem thermisch isolierten Speicherraum, der im Inneren eines Gebäudes und vorteilsweise im Kellergeschoss angeordnet ist, und der eine Frischluftzufuhr und einen Luftvorlauf zur Abgabe von Luft an einen Wärmetauscher sowie einen Luftrücklauf zur Rückführung der Luft vom Wärmetauscher in den Speicherraum aufweist. Der Speicherraum ist mit Wärmespeicherelementen wie beispielsweise Gesteinskörnern, befüllt. Eine Steuereinheit ermittelt Temperaturprofile und den Wärmeinhalt des Pufferspeichers und regelt den Luftstrom, der von aussen über den Pufferspeicher und dem Luftvorlauf einem Wärmetauscher zugeführt und zurück in den Pufferspeicherraum geleitet wird. Je nach Aussenlufttemperatut und Wärminhalt des Pufferspeichers wird mehr oder weniger Frischluft zugeführt. In order to reduce the disadvantages mentioned, the present invention proposes a buffer memory with heat storage elements that can absorb and store heat from the air supplied to the memory, and where necessary, heat for the heating system can be removed. According to the invention, the buffer memory consists of a thermally insulated storage space, which is arranged inside a building and advantageously in the basement, and which has a fresh air supply and an air flow for discharging air to a heat exchanger and an air return for returning the air from the heat exchanger into the storage space. The storage space is filled with heat storage elements such as rock grains. A control unit determines temperature profiles and the heat content of the buffer and regulates the air flow, which is supplied from the outside via the buffer and the air flow to a heat exchanger and fed back into the buffer storage space. Depending on Außenlufttemperatut and heat content of the buffer more or less fresh air is supplied.
[0006] Die Figur zeigt ein Schema einer beispielsweisen Ausführung der erfindungsgemässen Heizanlage. The figure shows a diagram of an exemplary embodiment of the inventive heating system.
[0007] Die Heizungsanlage beinhaltet eine herkömmliche Heizung WH mit einem Wärmetauscher WT5 und eine Warmwasseraufbereitung WW mit einem Wärmetauscher WT4. Die Wärmetauscher WT5 der Heizung WH und der Wärmetauscher WT4 der Warmwasseraufbereitung WW sind über einen Heizkreislauf und einer Pumpe 14 an der Wärmepumpe WP angeschlossen. Eine Zusatzheizung, wie beispielsweise eine Elektroheizung kann vorgesehen sein, ist jedoch in der schematischen Darstellung der Heizanlage nicht eingezeichnet. Weiter beinhaltet die Heizanlage einen Pufferspeicher 1 mit einem Speicherraum 2, der mit Speicherelementen 3 nahezu voll gefüllt ist. In der Figur ist die Obergrenze der Befüllung durch eine punktierte Linie 3 ́ markiert. Der Speicherraum 2 weist eine im oberen Bereich oberhalb der Speicherelemente 3 angeordnete Luftzufuhr 4 auf, über welche Aussenluft über ein erstes Luftförderelement 7 in den Speicherraum 2 einbringbar ist. Oberhalb der Speicherelemente 3 ist weiter ein Luftvorlauf 5 angeordnet. In Bodennähe des Behälterraums 2 befindet sich ein flächendeckender Gitterrost 8, auf dem die Speicherelemente 3 lagern. Im Bereich zwischen dem Boden des Speicherraums 2 und dem Gitterrost 8 mündet der Luftrücklauf 6. Zwischen dem Luftvorlauf 5 und dem Luftrücklauf 6 ist ein Luft-Wasser Wärmetauscher WT2 angeordnet. Ein zweites Luftförderelement 9 fördert Luft aus dem Speicherraum 2 über den Wärmetauscher WT2 zurück über den Luftrücklauf 6 in den Speicherraum 2. Der Speicherraum 2 selbst kann beispielsweise ein bei der Umstellung von einer Ölheizung auf das Wärmepumpensystem durch Entfernen des Öltanks freigewordener Tankraum 11 sein, der innen mittels Porenbeton 12 und weiteren Massnahmen thermisch isoliert wurde. Der Speicherraum 2 kann aber auch ein Kellerraum oder ein speziell für diesen Zweck angefertigter, thermisch isolierter Grossraum-Behälter sein. In der beispielsweisen Ausführung bilden Gesteinskörner bzw. Rundkies mit einer Korngrösse von etwa 5 bis 25 mm die Speicherelemente 3. Denkbar sind auch kleinere aber auch grössere Körnungen. Weiter sind im Speicherraum 2 Temperaturfühler angeordnet, welche die Lufttemperatur T3 oberhalb der Speicherelemente 3 messen. Für die Messung der Temperatur der Speicherelemente 3 ist eine Messanordnung T2 mit beispielsweise zehn Messstellen vorgesehen, die ein vertikales Temperaturprofil aufnehmen, aus dem anhand der physikalischen und geometrischen Parameter der Speicherelemente 3 der Energieinhalt des Speichers ermittelt wird. Ausserhalb des Speicherraums 2 wird weiter die Temperatur T1 im Bereich der Luftzufuhr 4 sowie die Temperatur T4 im Bereich des Luftrücklaufes ermittelt. The heating system includes a conventional heater WH with a heat exchanger WT5 and a hot water WW with a heat exchanger WT4. The heat exchanger WT5 of the heater WH and the heat exchanger WT4 of the hot water WW are connected via a heating circuit and a pump 14 to the heat pump WP. An additional heating, such as an electric heater may be provided, but is not shown in the schematic representation of the heating system. Furthermore, the heating system includes a buffer memory 1 with a storage space 2, which is almost completely filled with storage elements 3. In the figure, the upper limit of the filling is marked by a dotted line 3. The storage space 2 has an air supply 4 arranged in the upper area above the storage elements 3, via which outside air can be introduced into the storage space 2 via a first air conveying element 7. Above the storage elements 3, an air flow 5 is further arranged. Near the bottom of the container space 2 is a full-coverage grating 8, on which the storage elements 3 store. In the area between the bottom of the storage space 2 and the grate 8, the air return 6 opens. Between the air flow 5 and the air return 6, an air-water heat exchanger WT2 is arranged. A second air conveying element 9 conveys air from the storage space 2 via the heat exchanger WT2 back via the air return 6 in the storage space 2. The storage space 2 itself may be, for example, a vacant in the conversion of an oil heater to the heat pump system by removing the oil tank tank space 11, the was internally thermally insulated by means of cellular concrete 12 and other measures. The storage space 2 can also be a basement room or a specially made for this purpose, thermally insulated large-capacity container. In the exemplary embodiment, rock granules or round gravel with a grain size of about 5 to 25 mm form the storage elements 3. Also conceivable are smaller but also larger grain sizes. Further, 2 temperature sensors are arranged in the storage space, which measure the air temperature T3 above the storage elements 3. For measuring the temperature of the storage elements 3, a measuring arrangement T2 with, for example, ten measuring points is provided, which record a vertical temperature profile from which the energy content of the memory is determined on the basis of the physical and geometrical parameters of the storage elements 3. Outside the storage space 2, the temperature T1 in the area of the air supply 4 and the temperature T4 in the region of the air return are determined.
[0008] Eine Steuereinheit, die in der Figur nicht dargestellt ist, ermittelt aus den gemessenen Temperaturen der Aussenluft T1, der Lufttemperatur im Speicherraum T3, der Temperatur T4 des Luftrücklaufs 6 und dem Energieinhalt der Speicherelemente 3 den jeweiligen optimalen Energiefluss und steuert entsprechend die Luftförderelemente 7, 9. Weist beispielsweise die Aussenluft eine höhere Temperatur T1 auf als die Speicherelemente 3, so wird der Luftstrom von der Luftzufuhr 4 über den Luftvorlauf 5 dem Wärmetauscher WT2 zugeführt und zurück über den Rücklauf 4 in den Speicherraum 2 geleitet. Dort durchströmt die rückgeführte Luft die Speicherelemente 3 und gibt dort weiter Energie an die Speicherelemente 3 ab. Über den Luft-Wasser Wärmetauscher WT2 und die Pumpe 13 wird das im Wärmetauscher WT2 erwärmte Wasser an die Wärmepumpe 17 geleitet. Ist die Aussentemperatur der Luft geringer als die Temperatur des Speichers, so wird über das erste Luftförderelement 7 keine Frischluft zugeführt. Der Luftstrom gelangt über das zweite Luftförderelement 9 zum Wärmetauscher WT2 und zurück in den Speicherraum 2, wo sich die abgekühlte Luft beim Durchströmen der Speicherelemente 3 erwärmt. A control unit, which is not shown in the figure, determined from the measured temperatures of the outside air T1, the air temperature in the storage space T3, the temperature T4 of the air return 6 and the energy content of the storage elements 3 the respective optimal energy flow and controls the air conveyor elements accordingly 7, 9. If, for example, the outside air has a higher temperature T1 than the storage elements 3, then the air flow is supplied from the air supply 4 via the air flow 5 to the heat exchanger WT2 and returned to the storage space 2 via the return line 4. There, the recirculated air flows through the storage elements 3 and there further energy to the storage elements 3 from. Via the air-water heat exchanger WT2 and the pump 13, the water heated in the heat exchanger WT2 is conducted to the heat pump 17. If the outside temperature of the air is lower than the temperature of the reservoir, no fresh air is supplied via the first air conveying element 7. The air flow passes via the second air conveying element 9 to the heat exchanger WT2 and back into the storage space 2, where the cooled air heats up as it flows through the storage elements 3.
[0009] In einer Erweiterung der Heizanlage wird ein Sonnenkollektor 20 zugeschaltet, der über einen weiteren Wärmetauscher WT1 Wärmeenergie der Heizanlage zuführt. Die im Sonnenkollektor 20, der aus mehreren Einzelkollektoren bestehen kann, erwärmte Flüssigkeit wird von der Pumpe 15 dem Wärmetauscher WT1 zugeführt und gelangt zurück zur Pumpe 15. Im Wärmetauscher WT1 erwärmt sich die Luft im Luftkreislauf des Speichers und gibt die Wärme im Wärmetauscher WT2 bzw. an die Speicherelemente 3 ab. Im Sonnenkollektor-Kreislauf sind 3-Weg Ventile 18, 19 vorgesehen. Sie dienen dazu, dass die Heizungsanlage in zwei Modi betrieben werden kann. Der erste, oben beschriebene Modus entspricht einem Wintermodus, bei dem sowohl die Wärmeenergie aus der Luft wie auch die Wärmeenergie vom Sonnenkollektor 20 den Luft-Wasser-Wärmetauschern WT1, WT2 und in der Folge der Wärmepumpe 17 zugeführt wird. Die Heizung WH und Warmwasseraufbereitung WW erfolgen über die Wärmepumpe 17. Im Sommermodus, wenn keine Heizung benötigt wird, ist die Wärmepumpe 17 ausser Betrieb und die Wärmezufuhr zur Wärmepumpe 17 unterbrochen. Der Sonnenkollektor-Kreislauf erfolgt vom Kollektor 20 über das erste 3-Weg-Ventil 18 an den Wärmetauscher WT3 der Warmwasseraufbereitung WW zum Erwärmen des Frischwassers 16 zurück über das zweite 3-Weg Ventil 19 zur Pumpe 15 und zum Sonnenkollektor 20. Bei Bedarf, beispielsweis an kühleren Herbsttagen, schaltet die Steuerung auf den Wintermodus um, und die Wärmepumpe 17 liefert die für das Heizen benötigte Wärme. In an extension of the heating system, a solar collector 20 is switched on, which supplies via a further heat exchanger WT1 heat energy of the heating system. The heated in the solar collector 20, which may consist of several individual panels, heated liquid is supplied from the pump 15 to the heat exchanger WT1 and passes back to the pump 15. In the heat exchanger WT1, the air in the air circulation of the storage heats and gives the heat in the heat exchanger WT2 or to the memory elements 3 from. In the solar collector circuit 3-way valves 18, 19 are provided. They serve to allow the heating system to be operated in two modes. The first mode described above corresponds to a winter mode in which both the heat energy from the air and the heat energy from the solar collector 20 are supplied to the air-water heat exchangers WT1, WT2 and subsequently to the heat pump 17. The heating WH and DHW WW done via the heat pump 17. In summer mode, when no heating is needed, the heat pump 17 is out of service and the heat to the heat pump 17 is interrupted. The solar collector cycle is carried out from the collector 20 via the first 3-way valve 18 to the heat exchanger WT3 the hot water WW for heating the fresh water 16 back via the second 3-way valve 19 to the pump 15 and the solar collector 20. If necessary, for example on cooler autumn days, the controller switches to winter mode and the heat pump 17 provides the heat needed for heating.
[0010] Mit der vorliegenden Erfindung wird erreicht, dass der Wirkungsgrad einer Luftwärmepumpe mit dem erfindungsgemässen Pufferspeicher und einem eventuell zusätzlich vorgesehenen Sonnenkollektor wesentlich erhöht wird. Die technischen Anforderungen an den Speicherraum sind einfach zu erfüllen und kostengünstig zu realisieren und die Kosten der Speicherelemente, also des Rundkies bzw. der Gesteinskörner sind gering. With the present invention it is achieved that the efficiency of an air heat pump with the inventive buffer memory and a possibly additionally provided solar collector is substantially increased. The technical requirements of the storage space are easy to meet and inexpensive to implement and the cost of the storage elements, ie the round gravel or rock grains are low.