DE10115090B4

DE10115090B4 - Wärmepumpen gestützte zeitversetzte Nutzung von Niedertemperaturwärme zu Heizzwecken

Info

Publication number: DE10115090B4
Application number: DE10115090A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Luther
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2021-03-28
Also published as: DE10115090A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Warmwasserheizung mit einem Heizkessel, einem Niedertemperatur-Wärmetauscher, einem Niedertemperatur-Wärmespeicher, einem Kaltspeicher und einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe,
bei dem die Wasser-Wasser-Wärmepumpe die auf einem Temperaturniveau unterhalb der Rücklauftemperatur der Warmwasserheizung anfallende Niedertemperaturwärme (Restwärme) des Abgases des Heizkessels einer Nutzung in der Heizungsanlage zuführt,
dadurch gekennzeichnet dass
zur Nutzungszeit (Tagesbetrieb) des Heizkessels (1) die Restwärme des Abgases in dem Niedertemperatur- Wärmetauscher (11) auf Wasser übertragen wird, das dem Kaltspeicher (2) entnommen wird und anschließend in dem Niedertemperatur- Wärmespeicher (3) gespeichert wird, und in der Nichtnutzungszeit (Nachtausschaltung) des Heizkessels (1) die gespeicherte Niedertemperatur-Wärme aus dem Niedertemperatur-Wärmespeicher (3) entnommen, durch die Wasser-Wasser-Wärmepumpe (40) auf ein vorgegebenes Temperaturniveau angehoben und der Warmwasserheizung (5) zugeführt wird,
wobei das abgekühlte Wasser anschließend in dem Kaltspeicher (2) zwischengespeichert wird.

Description

1. Problemstellung
In vielen Wärmeerzeugern, z.B. in

1. Heizkesseln mit weitergehender Ausnutzung der Abgaswärme und hier insbesondere Brennwertkesseln,
2. Kraftheizungen (motorgetriebene Kraft- Wärmekopplung)
3. stationären Brennstoffzellen in Strom- Wärmekopplung (manchmal sprachlich inkorrekt auch als "Kraft- Wärmekopplung" bezeichnet /2/),
4. Wärmepumpenanlagen zur Erzeugung von Heizwärme
5. thermischen Solaranlagen

Hierzu stehen (neben der Luftheizung) nach dem Stand der Technik verschiedene großflächige Warmwasser- Heizungssysteme (z.B. Fußbodenheizung, Wandheizung) zur Verfügung; diese sind darauf ausgelegt, durch große Wärmeübertragungsflächen mit einer geringen Temperaturdifferenz zwischen Heizwasser und Raumtemperatur auszukommen. Diesen Niedertemperatur (NT) – Heizsystemen ist gemeinsam, dass sie teuer sind und insbesondere nur mit sehr großem Aufwand nachträglich in ein bestehendes Haus oder Gebäude eingebaut werden können. Zu beachten ist auch, dass diese Heizsysteme, die gesamte Heizwärme bei niedriger Temperatur abgeben; zur Einsparung von Primärenergie reicht es jedoch aus, wenn nur die im Wärmeerzeuger selbst bei niedriger Temperatur anfallende Wärme auch wiederum bei niedriger Temperatur abgegeben wird.

Die Erfindung bezieht sich auf die Ausnutzung von NT-Wärme für Heizzwecke über ein konventionelles Heizkörpersystem (Warmwasserheizung). An die Temperaturen von Vor- und Rücklauf (z.B. 90/70 oder 75/60) für die kälteste Auslegungs- Außentemperatur werden keine Ansprüche gestellt.

2. Verfahren zur Nutzung von Niedertemperaturwärme

Primär soll selbstverständlich eine Heizungsanlage dafür sorgen, dass während der Nutzungszeit die Solltemperatur erreicht wird. Hierzu sind Wärmelieferungen erforderlich, die normalerweise auf die Nutzungszeit beschränkt werden (Nachtausschaltung der Heizung). Dann muss jedoch die Vorlauftemperatur so hoch gewählt werden, dass im Raum die Solltemperatur erreicht wird.

2.1 Grundprinzip

Das Heizkörpersystem kann jedoch auch dazu genutzt werden, während der Nichtnutzungszeit Wärme an das Gebäude abzugeben. In der Nichtnutzungszeit entfällt die Auflage, dass in den Räumen die Solltemperatur und daher eine hohe Vorlauf temperatur eingehalten werden muss. Es liegt daher der Gedanke nahe, während des Tagesbetriebes anfallende Niedertemperaturwärme, deren Temperatur unterhalb der Rücklauftemperatur des Heizungssystems liegt, in einem Kurzzeitspeicher zwischenzuspeichern und in der Nichtnutzungszeit über das vorhandene Heizungssystem auf das Gebäude zu übertragen. Dadurch wird also auch Niedertemperaturwärme für die Nutzung in einem Gebäude erschlossen. Dieses Verfahren wurde bereits in /1/ vom Verfasser offenbart. In der nun vorgelegten Erfindung wird es verallgemeinert und durch den Einsatz einer Wärmepumpe erweitert.

Die zeitversetzte Niedertemperaturheizung wird also grundsätzlich durch die folgenden Verfahrensschritte definiert (Bild 1):

1. In der Nutzungszeit wird das Wasser des Kaltspeichers 2 im Durchlaufverfahren durch die NT- Quelle 10 erwärmt und in den NT- Speicher 3 (z.B. 45°C) übertragen. Von der NT- Quelle 10 bereitgestellte Überschusswärme, die in einem Temperaturbereich oberhalb der aktuellen Rücklauftemperatur der Heizungsanlage 5 anfällt, kann gegebenenfalls vorab an das Heizungssystem direkt übertragen werden.
2. In der Nichtnutzungszeit (z.B. nachts) wird die Wärme des NT-Speichers 3 auf das herkömmliche Heizkörpersystem 5 und damit auf das Gebäude übertragen.
3. Das gründlich abgekühlte Wasser wird im Kaltspeicher 2 gespeichert.

2.2 Beispiele für NT- Quellen

Als NT- Quelle 10 kann beispielsweise ein Solarkollektor dienen, in diesem Falle bleibt Bild 1 unverändert, nur die Bedeutung von 10 ist als Sonnenkollektor zu spezialisieren.

In Bild 2 ist die NT- Quelle 10 durch den Abgaszweig eines Kessels 1 (oder auch einer Brennstoffzelle 1) ersetzt, der über einen Wärmetauscher 11 an die Verbindungsleitung zwischen Kaltspeicher 2 und NT-Speicher 3 ankoppelt. Das Abgas erwärmt also durch seine fühlbare und latente Wärme das kalte Speicherwasser, welches dann aufgewärmt in den NT-Speicher 3 überführt wird.

2.3 Eine Anpassung des Heizkreises

Für den optimalen Betrieb ist es wichtig, dass der Rücklauf möglichst tief abgekühlt ist. Bei einem Heizkörpersystem, bei dem die einzelnen Stränge hydraulisch gleich lang sind (System Tichelmann) ist dies bei entsprechender Durchflußrate des Warmwassers gewährleistet. Bei einem Heizkörpersystem mit sehr unterschiedlichen hydraulischen Längen zwischen Vor- und Rücklauf wird jedoch die Rücklauftemperatur bereits zu einem Zeitpunkt angehoben, zu dem das im NT- Wärmeübertrager 4 aufgewärmte Wasser die entfernteren Teile des Heizungsnetzes noch gar nicht erreicht hat. Dadurch wird die Speicherkapazität des NT-Speichers schlechter ausgenutzt. Abhilfe schafft ein Zwischenspeicher 20 (Bild 3), der sich durch die Schalter 21-23 in den Rücklauf des Heizkreises einschalten lässt. Fasst man das Heizkörpersystem zwischen Vor- und Rücklauf als Regelstrecke auf, so wirkt der in Serie geschaltete Zwischenspeicher 20 wie ein Totzeitglied. Die drei (elektrisch ansteuerbaren) Absperrschalter 21-23 (Bild 3) erlauben es, den Zwischenspeicher 20 sowohl in Serie (Schalter 21 und 23 zu, Schalter 22 auf) als auch parallel (Schalter 21 und 22 zu, Schalter 23 auf) zum Heizkörpersystem 5 zu betreiben; außerdem kann der Zwischenspeicher 20 vom System abgekoppelt werden (Schalter 22 und 23 zu, Schalter 21 auf).

2.4 Wärmepumpen gestützte zeitverschobene NT-Heizung

Das Verfahren der zeitversetzten Niedertemperaturheizung kann durch den Einsatz einer kleinen Wärmepumpe (WP) 40 anstelle des NT- Wärmeübertragers 4 modifiziert werden (Bild 4) und dadurch in seinem Einsatzbereich wesentlich erweitert werden. Wir sprechen dann von der Wärmepumpen gestützten zeitverschobenen NT-Heizung (WPzvNT- Verfahren). Die Wasser- Wasser Wärmepumpe 40 arbeitet als Temperaturtransformator:
In der Nichtnutzungszeit ("Nachtbetrieb") kühlt sie einerseits das Wasser des NT-Speichers 3 ab und überführt es in den Kaltspeicher 2; andererseits erwärmt sie das Rücklaufwasser der Warmwasserheizung 5 auf eine mäßig hohe Vorlauftemperatur, wodurch das Haus geheizt wird , ohne dass die Solltemperatur des Gebäudes erreicht oder gehalten werden muss.
In der Nutzungszeit ("Tagbetrieb") ist die Wärmepumpe 40 außer Betrieb. (bzw. kann für andere Zwecke eingesetzt werden). Das kalte Wasser des Kaltspeichers 2 wird nun im Durchlaufverfahren zur Aufnahme der Wärme aus der NT- Quelle 10 eingesetzt und als aufgewärmtes Wasser in den NT- Speicher 3 gepumpt. Dort wird es bis zur Nichtnutzungszeit gespeichert und dann wie oben dargelegt der kleinen Wärmepumpe 40 zur Erwärmung der Warmwasserheizung 5 zugeführt.

Das WPzvNT – Verfahren arbeitet mit relativ geringen Temperaturdifferenzen. Das Wasser des Kaltspeichers 2 besitzt eine Temperatur von beispielsweise T_k = 10°C und wird von der NT- Quelle 10 auf die Temperatur des NT-Speichers 3 von beispielsweise T_w = 30°C erwärmt. Als Vorlauftemperatur des Heizkreises 5 kann sich beispielsweise T_V = 45°C ergeben. Thermodynamisch betrachtet ergeben sich dadurch günstige Leistungsziffern der Wärmepumpe, die zwischen den Temperaturen (T_k + T_w)/2 – X und T_V + X betrieben wird, wobei X die technisch notwendige Temperaturdifferenz zwischen den äußeren Wärmeträgern und dem Wärmepumpenkreis bezeichnet.

Um einen günstige Ausnutzung des Speichervolumens zu erreichen muss das Speicherwasser möglichst weitgehend abgekühlt werden. Im üblichen Betrieb einer Wärmepumpe (WP) wird hingegen aus thermodynamischen Gründen darauf geachtet, dass der Verdampfer mit großen Mengen des (normalerweise ja unbegrenzt vorhandenen) Umweltmediums gekühlt wird, um mit einer kleinen Temperaturdifferenz zwischen Umweltmedium und Verdampfer auszukommen. Das Kühlmedium wird normalerweise im "Auspuffbetrieb" eingesetzt, beim WPzvNT- Verfahren hingegen wird das Kühlmedium in einem Kreisprozess gefahren. Hierauf muss der Wärmepumpeneinsatz optimiert werden.

Dies ist auf einfache Weise und sogar ohne konstruktive Änderung der Wärmepumpe möglich. Die WP wird hierzu im Verlaufe der Nichtnutzungszeit mit schrittweise abwärts gleitender Temperatur von Verdampfer und Kühlwasser betrieben.

Das Kühlwasser wird also in kleinen Temperaturschritten zwischen den Speichern 2 und 3 mehrmals hin und her geführt. Im ersten Schritt wird das Wasser des NT-Speichers 3 durch die WP 40 von der Ausgangstemperatur T_w um den Temperatur hub ΔT abgekühlt und mit der Zwischentemperatur T_w – ΔT in den Kaltspeicher 2 abgespeichert. Dann wird im nächsten Schritt dieses Speicherwasser in umgekehrter Richtung vom Kaltspeicher 2 durch die WP 40 geführt, um eine weitere Temperaturdifferenz ΔT abgesenkt und in den NT-Speicher 3 mit der Temperatur T_w – 2*ΔT abgespeichert. Dieser Wechsel zwischen den Speichern 2 und 3 erfolgt so lange bis die Temperatur T_k im Kaltspeicher 2 erreicht ist. Wegen der steigenden Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Verflüssiger verschlechtert sich die Leistungsziffer der WP bei jedem Schritt etwas; im letzten Schritt nimmt sie dann etwa den Wert an, den sie ohne den gleitenden Betrieb von vorne herein gehabt hätte.

Aufgrund der niedrigen Temperatur T_k des Kaltspeichers 2 ergeben sich auch hohe Ausnutzungsgrade für die NT- Quelle 10. Das Abgas eines Brennwertkessels 1 kann beispielsweise auf eine Temperatur unterhalb der Raumtemperatur herunter gekühlt werden. Dadurch kann kein Kondensationswasser mehr im Kamin ausfallen. Eine zusätzliche Sicherheit in allen Betriebszuständen kann durch mäßiges Beimischen von Fremdluft erreicht werden /2/. Durch das WPzvNT – Verfahren kann die Umstellung einer konventionellen Heizungsanlage auf Brennwertkessel oder Brennstoffzelle im Strom- Wärmebetrieb ohne Kaminbeschädigung (bzw. ohne eine entsprechende "Sanierung" des Schornsteines) erfolgen.

3. Zur Realisierung des Verfahrens

3.1 Ausnutzungsfaktor der Heizung in der Nichtnutzungszeit

Selbstverständlich wird die während der Nichtnutzungszeit an das Gebäude übertragene Wärme nicht vollständig als Nutzwärme ausgenutzt. Die im Vergleich zu einer Nachtausschaltung der Heizung anfallenden Wärmeverluste werden in /3/ angegeben; bei einem gut wärmegedämmten Haus in schwerer Bauart ist der Ausnutzungsfaktor der in der Nichtnutzungszeit übertragenen Wärme jedoch hoch.

3.2 Weitere wichtige Gesichtspunkte

Zur Realisierung des Verfahrens können noch folgende weitere Gesichtspunkte ausgenutzt werden:

• (1) Kalt- und NT- Speicher können selbstverständlich auch in einem einzigen, geschichteten Speicherbehälter kombiniert werden. Dies führt zwar zu Temperaturverlusten, ist aber für sich betrachtet wesentlich preiswerter. Vor allem aus didaktischen Gründen wurde für die Beschreibung konsequent Kalt- und Warmspeicher als getrennte Objekte dargestellt. Im Zusammenhang mit der Regenwassernutzung (siehe Satz (3) dieses Abschnittes) können jedoch durchaus auch getrennte Kalt- und Warmspeicher zum Einsatz kommen.
• (2) Aufgrund der Tatsache, dass nur niedrige Temperaturen und keine erhöhten Drücke auftreten und nur Brauchwasser als Speichermedium verwendet wird, ergeben sich preisgünstige Möglichkeiten für Speicher (2, 3) und Wärmetauscher 4.
• (3) Die Speicher müssen genügend groß dimensioniert werden, ihr Volumen beträgt beispielsweise ein oder zwei Kubikmeter. Hierfür kommen aus Kostengründen nur drucklose Speicher in Frage. Besonders geeignet sind preisgünstige kommerzielle Regenwasserspeicher. Diese können im Sommer dann auch bestimmungsgemäß zur Gartenbewässerung oder als zusätzliche Reserve für Brauchwasser genutzt werden. Durch diese doppelte Nutzung wird die Wirtschaftlichkeit wesentlich verbessert.
• (4) Natürlich sollte der Speicher isoliert werden.
• (5) Die Größe des Speichers ist nicht ungewöhnlich: Bei einer Ölheizung wird ein mehrfach höheres Speichervolumen für den Brennstoff benötigt.
• (6) Der Kaltspeicher kann gegebenenfalls auch zur Vorwärmung von Außenluft oder Brauchwasser eigenständig genutzt werden
• (7) Die Wärmepumpe, die beim WPzvNT- Verfahren verfahrensgemäß nur in der Nichtnutzungszeit betrieben wird, kann in der Nachtzeit günstige Elektrizitätstarife in Anspruch nehmen.
• (8) Bei der Primärenergie Bilanzierung darf man berücksichtigen, dass in jüngster Zeit wesentliche Verbesserungen bei der Elektrizitätserzeugung erreicht wurden. Bei GUD – Kraftwerken und Hochtemperatur Brennstoffzellen werden elektrische Wirkungsgrade von rund 60% erreicht. Daher muss in Zukunft der Einsatz der Wärmepumpe ganz neu bewertet werden.

Bildunterschriften
Bild 1: Zeitversetzte Niedertemperatur (NT) – Heizung: Das Wasser eines kalten Zwischenspeichers 2 wird durch die Niedertemperatur Quelle 10 erwärmt und dem NT-Speicher 3 zugeführt. In der Nichtnutzungszeit wird die Wärme des NT-Speichers 3 über einen NT- Wärmeübertrager 4 auf das konventionelle Heizkörpersystem 5 übertragen und das ausgekühlte Wasser im Kaltspeicher 2 zwischengespeichert.
Bild 2: Als NT- Quelle kann der Abgaszweig eines Kessels 1 (oder auch einer Brennstoffzelle 1) benutzt werden, der über einen Wärmetauscher 11 an die Verbindungsleitung zwischen Kaltspeicher 2 und NT-Speicher 3 ankoppelt.
Bild 3: Zur Verbesserung der Regelstrecke kann in den Rücklauf des Heizkörpersystems 5 ein Zwischenspeicher 20 eingefügt werden. Die Serienschaltung ergibt sich durch Absperren der Schalter 21 und 23 und Öffnen des Schalters 22 .
Bild 4: Wärmepumpen gestützte zeitverschobene NT-Heizung : Eine kleine Wasser-Wasser Wärmepumpe 40 arbeitet als Wärme Transformator. Das Wasser des NT-Speichers 3 befindet sich auf einem mittleren Temperaturniveau (z.B. T_w = 30°C). Die Wärmepumpe 40 kühlt es ab (z.B. auf 10°C) und überträgt seine Wärmemenge auf den Vorlauf des im Nachtbetrieb laufenden Heizkörpersystems 5, das beispielsweise zischen 45°C und 35°C betrieben wird.
Schrifttum:

/1/ LUTHER, G: "Abgaswandler ", DE 197 14 760 A1 und C2 , Abschnitt 2.2.2.3 : "Zeitversetzter niedertemperaturiger Heizbetrieb"
/2/ LUTHER, G: "Abgaswandler ", DE 197 52 709 A1 und C2, sowie EP 0 870 996 A2
/3/ LUTHER, G: "Zeitversetzte solare Niedertemperaturheizung", Tagungsband des 11. Symposiums Thermische Solarenergie, OTTI Energie Kolleg, Kloster Banz – Staffelstein, (2001), S. 305-310

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Warmwasserheizung mit einem Heizkessel, einem Niedertemperatur-Wärmetauscher, einem Niedertemperatur-Wärmespeicher, einem Kaltspeicher und einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe, bei dem die Wasser-Wasser-Wärmepumpe die auf einem Temperaturniveau unterhalb der Rücklauftemperatur der Warmwasserheizung anfallende Niedertemperaturwärme (Restwärme) des Abgases des Heizkessels einer Nutzung in der Heizungsanlage zuführt, dadurch gekennzeichnet dass zur Nutzungszeit (Tagesbetrieb) des Heizkessels (1) die Restwärme des Abgases in dem Niedertemperatur- Wärmetauscher (11) auf Wasser übertragen wird, das dem Kaltspeicher (2) entnommen wird und anschließend in dem Niedertemperatur- Wärmespeicher (3) gespeichert wird, und in der Nichtnutzungszeit (Nachtausschaltung) des Heizkessels (1) die gespeicherte Niedertemperatur-Wärme aus dem Niedertemperatur-Wärmespeicher (3) entnommen, durch die Wasser-Wasser-Wärmepumpe (40) auf ein vorgegebenes Temperaturniveau angehoben und der Warmwasserheizung (5) zugeführt wird, wobei das abgekühlte Wasser anschließend in dem Kaltspeicher (2) zwischengespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser aus dem Niedertemperatur Wärmespeicher (3) schrittweise in zwei oder mehreren zeitlich aufeinander folgenden Temperaturabsenkungen abgekühlt wird , wobei das Wasser jeweils zwischen dem Niedertemperatur Wärmespeicher (3) und dem Kaltspeicher (2) bei einer jeweils angepassten Verdampfertemperatur ausgetauscht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Rücklauf der Warmwasserheizung über einen Pufferspeicher 20 geführt wird.