CH717616A2 - Process for heating water using heat pumps. - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zur Wassererwärmung mittels Wärmepumpen (1) verwendet gemäss der Erfindung zwei oder mehrere brauchwasserseitig in Serie geschaltete Boiler (10, 20, 30) oder Boilcrbcrciche mit grossflächigen Wärmetauschern (11, 21, 31) für Wärmepumpen (1). Es trennt dadurch Kaltwasser- und Warmwasserbereiche, beheizt die Boiler (10, 20, 30) einzeln oder gruppenweise durch die Wärmepumpe (1) und erreicht so eine signifikante Steigerung der Effizienz.According to the invention, a method for heating water by means of heat pumps (1) uses two or more boilers (10, 20, 30) connected in series on the process water side or boiler tanks with large-area heat exchangers (11, 21, 31) for heat pumps (1). It separates the cold water and hot water areas, heats the boilers (10, 20, 30) individually or in groups using the heat pump (1) and thus achieves a significant increase in efficiency.

Description

Stand der TechnikState of the art

[0001] Wärmepumpen besitzen eine ausgereifte Technik; sie sind etabliert und ein Schlüssel zur Umsetzung der Energiestrategie. Heat pumps have a mature technology; they are established and a key to the implementation of the energy strategy.

[0002] Für Einfamilienhäuser gibt es spezielle Wärmepumpenboiler. Das sind mit einer Wärmepumpe versehene Boiler. Sie erreichen hohe Wirkungsgrade, weil sie nicht die Ausssenluft als Quelle benutzen, sondern über das Jahr gesehen die deutlich wärmere Luft innerhalb des Gebäudes, z.B. im Keller. Da sie damit den Räumen des Gebäudes Wärme entziehen, sind solche Wärmepumpenboiler nur für kleinere Warmwasserverbraucher wie Einfamilienhäuser geeignet. [0002] There are special heat pump boilers for single-family houses. These are boilers equipped with a heat pump. They achieve high levels of efficiency because they do not use the outside air as a source, but rather the significantly warmer air inside the building over the course of the year, e.g. in the basement. Since they extract heat from the rooms in the building, such heat pump boilers are only suitable for smaller hot water consumers such as single-family homes.

[0003] Anderseits werden Einfamilien- und Mehrfamilienhäuser zunehmend mit Wärmepumpen beheizt. Es bietet sich an, die dafür eingesetzten Wärmepumpen ebenfalls zur Warmwasser-Aufbereitung einzusetzen. Die dafür eingesetzten Wärmepumpenboiler - hier wird leider der gleiche Begriff wie oben, jedoch für einen Boiler ohne angeflanschte Wärmepumpe verwendet - haben eine sehr grosse Wärmetauscherfläche, damit der Temperaturunterschied zwischen dem Vorlauf der Wärmepumpe und der Temperatur des Wassers im Boiler klein gehalten werden kann. On the other hand, single-family and multi-family houses are increasingly being heated with heat pumps. It makes sense to use the heat pumps used for this purpose for hot water preparation as well. The heat pump boilers used for this - unfortunately the same term is used here as above, but for a boiler without a flanged-on heat pump - have a very large heat exchanger surface, so that the temperature difference between the flow of the heat pump and the temperature of the water in the boiler can be kept small.

[0004] Solche Wärmetauscherflächen liegen praktisch über der gesamten Höhe im Boiler. Das Brauchwasser im Boiler aber soll geschichtet abfliessen, damit es sich mit dem von unten nachfliessenden Kaltwasser nicht vermischt, weil nur so der gesamte Boilerinhalt mit nahezu der gleichen Temperatur entnommen werden kann. [0004] Such heat exchanger surfaces lie practically over the entire height of the boiler. However, the process water in the boiler should flow out in layers so that it does not mix with the cold water flowing in from below, because this is the only way to ensure that the entire contents of the boiler can be drawn off at almost the same temperature.

[0005] Sobald die Wärmepumpe eingeschaltet wird, wird die Umwälzpumpe der Wärmepumpe Heizwasser durch den Wärmetauscher schicken. Es ist dabei zweckmässig, den Vorlauf oben anzuschliessen, damit der obere Teil im Boiler bestmöglich mit der Vorlauftemperatur in Berührung kommt. As soon as the heat pump is switched on, the circulating pump of the heat pump will send heating water through the heat exchanger. It is advisable to connect the flow at the top so that the upper part of the boiler comes into contact with the flow temperature as much as possible.

[0006] Allerdings kommt dann das Heizwasser erst mit dem oberen, noch warmen Bereich des Boilers in Kontakt. Dann durchströmt es den unteren Bereich des Wärmetauschers und kommt so mit dem kalten Bereich des Boilers in Kontakt. Folglich nimmt es oben Wärme aus dem warmen Bereich auf und gibt unten Wärme an den kalten Bereich ab. In der Folge nimmt das Heizwasser zu Beginn des Heizens eine mittlere Temperatur an und schliesst die beiden Bereiche des Boilers thermisch kurz. However, the heating water only comes into contact with the upper, still warm area of the boiler. It then flows through the lower area of the heat exchanger and thus comes into contact with the cold area of the boiler. Consequently, it absorbs heat from the warm area at the top and gives off heat to the cold area at the bottom. As a result, the heating water assumes an average temperature at the start of heating and thermally short-circuits the two areas of the boiler.

[0007] Beides aber ist im Grunde unerwünscht: Einerseits wird so der obere Bereich des Boilerwassers gekühlt, bis die Wärmepumpe eine genügend hohe Vorlauftemperatur erreicht hat, und anderseits muss die Wärmepumpe bei weit höherer Temperatur starten, als im unteren Bereich des Boilers vorliegt. Damit aber wird ein deutlich geringerer Wirkungsgrad erzielt als im Grunde möglich. But both are basically undesirable: On the one hand, the upper area of the boiler water is cooled until the heat pump has reached a sufficiently high flow temperature, and on the other hand, the heat pump has to start at a much higher temperature than in the lower area of the boiler. This, however, achieves a significantly lower level of efficiency than is basically possible.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the Invention

[0008] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Wassererwärmung mittels Wärmepumpen anzugeben, das diese Schwächen nicht besitzt. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 - 5. The object of the present invention is to provide a method for heating water using heat pumps that does not have these weaknesses. This object is achieved by the features specified in claim 1. Advantageous developments result from the dependent claims 2 - 5.

[0009] Das Verfahren nutzt eine Serienschaltung von zwei oder mehreren Wärmepumpenboilern oder Boilerbereichen. Dadurch gelingt eine klare Trennung von einströmendem und ausströmendem Brauchwasser. Jeder Boiler oder Boilerbereich besitzt eine ausreichend grosse Wärmetauscherfläche, so dass er von der Wärmepumpe direkt beheizt werden kann. Damit kann die Wärmepumpe den oder die Boiler(bereiche), die mit Kaltwasser gefüllt sind, heizen, ohne dass der oder die mit warmem Wasser gefüllten Boiler(bereiche) betroffen sind. The method uses a series connection of two or more heat pump boilers or boiler areas. This achieves a clear separation of inflowing and outflowing process water. Each boiler or boiler area has a sufficiently large heat exchanger surface so that it can be heated directly by the heat pump. This allows the heat pump to heat the boiler(s) filled with cold water without affecting the boiler(s) filled with hot water.

Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures

[0010] Die Erfindung wird anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Zeichnungen dargestellt sind, näher beschrieben. Es zeigt: Fig. 1: Eine Anordnung zur Wassererwärmung mit einem ersten bevorzugten Verfahren. Fig. 2: Eine Anordnung zur Wassererwärmung mit einem zweiten bevorzugten Verfahren. Fig. 3: Eine Anordnung zur Wassererwärmung mit einem dritten bevorzugten Verfahren. Fig. 4: Eine Anordnung zur Wassererwärmung mit einem vierten bevorzugten Verfahren. Fig. 5: Eine Anordnung zur Wassererwärmung mit einem fünften bevorzugten Verfahren.The invention will be described in more detail with reference to preferred exemplary embodiments which are illustrated in the drawings. It shows: FIG. 1: An arrangement for water heating with a first preferred method. Fig. 2: An arrangement for water heating with a second preferred method. Fig. 3: An arrangement for water heating with a third preferred method. Fig. 4: An arrangement for water heating with a fourth preferred method. Fig. 5: An arrangement for water heating with a fifth preferred method.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

Erste bevorzugte AusführungFirst preferred embodiment

[0011] Fig. 1 zeigt beispielhaft eine Ausführung des Verfahrens zur Wassererwärmung mittels Wärmepumpen. Drei Boiler 10, 20, 30 mit grossflächigen Wärmetauschern 11, 21, 31 für Wärmepumpen sind brauchwasserseitig in Serie geschaltet, so dass das Kaltwasser zuerst Boiler 10 füllt, danach in Boiler 20 gelangt und schliesslich in Boiler 30. Das Warmwasser wird am Ausgang 33 entnommen. Fig. 1 shows an example of an embodiment of the method for heating water using heat pumps. Three boilers 10, 20, 30 with large-area heat exchangers 11, 21, 31 for heat pumps are connected in series on the domestic water side, so that the cold water first fills boiler 10, then enters boiler 20 and finally boiler 30. The hot water is removed at outlet 33 .

[0012] Die Wärmepumpe 1 ist mittels Ventilen 14, 24, 34 im Vorlauf 2 so angeschlossen, dass sie jeden Boiler getrennt beheizen kann. Dementsprechend wird sie Boiler 10 bei niedriger Wassertemperatur vorfinden - sie startet bei tiefer Temperatur und bringt die Wärme mit entsprechend hohem Wirkungsgrad ein. The heat pump 1 is connected by means of valves 14, 24, 34 in the flow 2 so that it can heat each boiler separately. Accordingly, it will find boiler 10 at a low water temperature - it starts at a low temperature and brings in the heat with a correspondingly high level of efficiency.

[0013] Je nach Verbrauchssituation wird sie Boiler 20 bei hoher Wassertemperatur vorfinden. In dem Falle muss sie auf hoher Temperatur starten, muss aber nur nachheizen, was der Boiler durch seine Isolation an Wärme verloren hat. Hohe Temperatur bedeutet geringen Wirkungsgrad, doch die zu liefernde Wärmemenge ist klein. Der Stromverbrauch bleibt dadurch sehr begrenzt. Depending on the consumption situation, you will find boiler 20 at high water temperatures. In this case, it has to start at a high temperature, but only has to reheat what the boiler has lost due to its insulation. High temperature means low efficiency, but the amount of heat to be supplied is small. As a result, power consumption remains very limited.

[0014] Ebenso wird es bei Boiler 30 sein: Er wurde durch Boiler 20 mit warmem Wasser gespiesen, ist also nur durch Wärmeverluste in der Temperatur reduziert. Auch Boiler 30 benötigt deshalb nur wenig Nachheizung. Ein Kurzschluss zwischen Warmwasser und Kaltwasser ist somit wirksam unterbunden. It will also be the case with boiler 30: it was fed with warm water through boiler 20, so the temperature is only reduced by heat losses. Boiler 30 therefore only needs a little after-heating. A short circuit between hot water and cold water is thus effectively prevented.

[0015] Wie in der Zusammenfassung der Erfindung bereits benannt, kann das Verfahren auch angewendet werden, wenn nur ein Boiler vorliegt. In dem Falle werden mindestens zwei Wärmetauscher eingebaut - einer im oberen Bereich des Boilers und einer im unteren Bereich. Ist der untere Bereich des Boilers mit kaltem Wasser gefüllt, so wird der dort liegende Wärmetauscher bei niedriger Temperatur starten. Sobald der Vorlauf die Endtemperatur erreicht hat, kann umgeschaltet werden. As already mentioned in the summary of the invention, the method can also be used when there is only one boiler. In this case, at least two heat exchangers are installed - one in the upper part of the boiler and one in the lower part. If the lower part of the boiler is filled with cold water, the heat exchanger located there will start at a low temperature. As soon as the flow has reached the final temperature, you can switch over.

[0016] Zwei getrennte Boiler bieten gesamthaft eine grössere Wärmetauscherfläche als im allgemeinen in einen einzigen Boiler eingebracht werden kann. Solange das Kaltwasser in solch einem Boiler mit zwei Wärmetauschern erwärmt wird, spielt der Wärmewiderstand nicht solch eine grosse Rolle - eine kleinere aktive Fläche kann toleriert werden. Gegen Ende der Beheizung aber sollte eine möglichst grosse Wärmetauscherfläche aktiv sein, damit die Temperatur des Boilerwassers nicht zu weit unter der Vorlauftemperatur der Wärmepumpe zu liegen kommt. Aus dem Grund wird es sinnvoll sein, bei Erreichen der maximalen Vorlauftemperatur am unteren Wärmetauscher so umzuschalten, dass das Heizwasser beide Wärmetauscher in Serie durchströmt. [0016] Two separate boilers offer a larger overall heat exchange surface area than can generally be introduced into a single boiler. As long as the chilled water is heated in such a boiler with two heat exchangers, the thermal resistance does not play such a big role - a smaller active area can be tolerated. Towards the end of the heating process, however, the largest possible heat exchanger surface should be active so that the temperature of the boiler water does not fall too far below the flow temperature of the heat pump. For this reason, it will make sense to switch over when the maximum flow temperature is reached at the lower heat exchanger so that the heating water flows through both heat exchangers in series.

[0017] Weiter wird angemerkt, dass ein analoges Vorgehen auch beim Einsatz mehrerer Boiler angewendet werden kann. Dann wird bei Erreichen der maximalen Vorlauftcmperatur an Boiler 10 das Ventil 14 nicht geschlossen, sondern zusätzlich auch die Ventile 24 und 34 geöffnet, so dass die Wärmepumpe eine noch wesentlich grössere Wärmetauscherfläche beschicken kann. [0017] It is also noted that an analogous procedure can also be used when using multiple boilers. Then, when the maximum flow temperature at the boiler 10 is reached, the valve 14 is not closed, but the valves 24 and 34 are also opened, so that the heat pump can charge an even larger heat exchanger surface.

[0018] Ein Verfahren nach einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung trennt wirkungsvoll Kaltwasser- und Warmwasserbereiche. Es verhindert den Wärmekurzschluss beim Start der Wärmepumpe und erhöht den Wirkungsgrad der Wärmepumpe durch den Start auf niedriger Wassertemperatur. A method according to a first embodiment of the present invention effectively separates cold water and hot water areas. It prevents the heat short circuit when starting the heat pump and increases the efficiency of the heat pump by starting at a low water temperature.

Zweite bevorzugte AusführungSecond Preferred Embodiment

[0019] Fig. 2 zeigt beispielhaft eine zweite bevorzugte Ausführung des Verfahrens zur Wassererwärmung mittels Wärmepumpen. Fig. 2 shows an example of a second preferred embodiment of the method for water heating using heat pumps.

[0020] Mittels Sensor 15 wird die Temperatur im oberen Bereich des Boilers 10 gemessen. Sobald das Kaltwasser in diesen Bereich vordringt, fällt die Temperatur auf niedrige Werte. Dadurch wird die Nachheizung ausgelöst. Boiler 20 und Boiler 30 können dagegen periodisch nachgeheizt werden - z.B. in jeder Nacht. By means of sensor 15, the temperature in the upper part of the boiler 10 is measured. Once the cold water enters this area, the temperature drops to low levels. This triggers the post-heating. Boiler 20 and boiler 30, on the other hand, can be reheated periodically - e.g. every night.

[0021] Ein Verfahren nach einer zweiten bevorzugten Ausführung stellt sicher, dass genügend Brauchwasser gezapft worden ist, damit die Wärmepumpe auf niedriger Temperatur anfahren kann. Es stellt somit einen hohen Gesamtwirkungsgrad sicher. A method according to a second preferred embodiment ensures that enough hot water has been tapped so that the heat pump can start at a low temperature. It thus ensures a high overall efficiency.

Dritte bevorzugte AusführungThird preferred embodiment

[0022] Fig. 3 zeigt beispielhaft eine dritte bevorzugte Ausführung des Verfahrens zur Wassererwärmung mittels Wärmepumpen. Fig. 3 shows an example of a third preferred embodiment of the method for water heating using heat pumps.

[0023] Mittels Sensoren 25 und 26 wird die Temperatur im mittleren und oberen Bereich von Boiler 20 gemessen. By means of sensors 25 and 26, the temperature in the middle and upper area of the boiler 20 is measured.

[0024] Sobald die Temperatur im mittleren Bereich von Boiler 20 fällt, wird die Nachheizung von Boiler 10 und Boiler 20 für die kommende Nacht vorbereitet. Fällt vor dieser Nacht auch die Temperatur im oberen Bereich von Boiler 20, so wird die Nachheizung der beiden Boiler 10 und 20 umgehend ausgelöst. Die Nachheizung von Boiler 30 wird beispielhaft periodisch ausgeführt - z.B. in jeder Nacht. As soon as the temperature falls in the central area of boiler 20, the reheating of boiler 10 and boiler 20 is prepared for the coming night. If the temperature in the upper area of boiler 20 also falls before this night, the reheating of the two boilers 10 and 20 is triggered immediately. The post-heating of boiler 30 is carried out periodically - e.g. every night.

[0025] Ein Verfahren nach einer dritten bevorzugten Ausführung nutzt den zur Verfügung stehenden Speicher bestmöglich aus und stellt zugleich sicher, dass stets warmes Brauchwasser gezapft werden kann. Es benötigt eine geringere Anzahl Ventile und stellt der Wärmepumpe eine grössere Last bei der Nachheizung von tiefer Temperatur zur Verfügung, so dass die Wärmepumpe länger bei tiefer Vorlauftemperatur laufen kann und weniger Ladezyklen ausführen muss. A method according to a third preferred embodiment makes the best possible use of the available memory and at the same time ensures that warm service water can always be tapped. It requires fewer valves and provides the heat pump with a greater load when reheating from low temperatures, so that the heat pump can run longer at low flow temperatures and has fewer charging cycles.

Vierte bevorzugte AusführungFourth Preferred Embodiment

[0026] Fig. 4 zeigt beispielhaft eine vierte bevorzugte Ausführung des Verfahrens zur Wassererwärmung mittels Wärmepumpen. Fig. 4 shows an example of a fourth preferred embodiment of the method for water heating using heat pumps.

[0027] Es ist eine Zirkulation 35 mit Zirkulationspumpe 36 angeschlossen, wie sie insbesondere in Mehrfamilienhäusern dauerhaft betrieben werden muss. Insbesondere in älteren Häusern sind die Warmwasserleitungen nicht hochwertig isoliert. Die Rohre werden durch die Zirkulation ständig auf Temperatur gehalten und verlieren somit weit mehr Wärme an die Umgebung als der Boiler selbst. Ein Sensor im oberen Bereich von Boiler 30 überwacht die Temperatur und startet die Nachheizung von Boiler 30, sobald eine vordefinierte Temperatur unterschritten wird. It is a circulation 35 with circulation pump 36 connected, as it must be operated permanently, especially in apartment buildings. In older houses in particular, the hot water pipes are not insulated to a high standard. The pipes are constantly kept at the right temperature by the circulation and thus lose far more heat to the environment than the boiler itself. A sensor in the upper area of boiler 30 monitors the temperature and starts reheating boiler 30 as soon as the temperature falls below a predefined value.

[0028] Ein Verfahren nach einer vierten bevorzugten Ausführung stellt sicher, dass die Zirkulationsverluste effizient ausgeglichen werden. A method according to a fourth preferred embodiment ensures that the circulation losses are efficiently compensated.

Fünfte bevorzugte AusführungFifth Preferred Embodiment

[0029] Fig. 5 zeigt beispielhaft eine fünfte bevorzugte Ausführung des Verfahrens zur Wassererwärmung mittels Wärmepumpen. Anstelle von Boiler 30 ist ein Wärmepumpenboiler 30a eingesetzt, ein mit einer eigenen Wärmepumpe 38 versehener Boiler, welche die Wärme nicht aus der Aussenluft, sondern aus dem Innern des Gebäudes bezieht und deshalb besonders geeignet für die Nachheizung auf hoher Temperatur ist. Fig. 5 shows an example of a fifth preferred embodiment of the method for water heating using heat pumps. Instead of boiler 30, a heat pump boiler 30a is used, a boiler provided with its own heat pump 38, which does not draw the heat from the outside air but from inside the building and is therefore particularly suitable for post-heating at high temperatures.

[0030] Boiler 30a erhält stets warmes Wasser von Boiler 20. Seine Nachheizung muss deshalb nur die Boilerverluste sowie die Zirkulationsverluste ausgleichen. Zudem kann er durch die höhere Temperatur besonders effektiv Legionellen beseitigen. Boiler 30a always receives hot water from boiler 20. Its reheating must therefore only compensate for the boiler losses and the circulation losses. In addition, it can eliminate legionella particularly effectively thanks to the higher temperature.

[0031] Ein Verfahren nach einer fünften bevorzugten Ausführung bringt hohen Wirkungsgrad auch beim Ausgleich von hohen Zirkulationsverlusten. A method according to a fifth preferred embodiment brings high efficiency even when compensating for high circulation losses.

Claims (5)

1. Verfahren zur Wassererwärmung mittels Wärmepumpen mit zwei oder mehr brauchwasserseitig in Serie geschalteten Boilern oder Boilerbereichen mit grossflächigen Wärmetauschern für Wärmepumpen, dadurch gekennzeichnet dass die Boiler einzeln oder gruppenweise durch die Wärmepumpe beheizt werden.1. A method for heating water by means of heat pumps with two or more domestic water side connected in series boilers or boiler areas with large heat exchangers for heat pumps, characterized in that the boilers are heated individually or in groups by the heat pump. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass der kaltwasserseitig erste Boiler dann beheizt wird, wenn das Kaltwasser ihn bis oben gefüllt hat.2. The method according to claim 1, characterized in that the first boiler on the cold water side is then heated when the cold water has filled it to the top. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass alle mit Kaltwasser gefüllten Boiler dann beheizt werden, wenn der kaltwasserseitig zweitletzte Boiler mindestens zur Hälfte mit Kaltwasser gefüllt ist.3. The method according to claim 1, characterized in that all boilers filled with cold water are then heated when the second last boiler on the cold water side is at least half filled with cold water. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet dass eine Zirkulation angeschlossen ist und Nachheizen erfolgt, wenn ein Sensor im Bereich der Zirkulation niedrige Temperatur anzeigt.4. The method according to any one of claims 1-3, characterized in that a circulation is connected and reheating takes place when a sensor in the circulation area indicates a low temperature. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet dass der oder die warmwasserseitigen Boiler, die eine Zirkulation speisen, als Wärmepumpenboiler mit integrierter Wärmepumpe ausgeführt sind.5. The method according to any one of claims 1-4, characterized in that the boiler or boilers on the hot water side, which feed a circulation, are designed as heat pump boilers with an integrated heat pump.