DE202009000995U1 - Kombinationswärmespeichersystem - Google Patents

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Abstract

Kombinationswärmespeichersystem bestehend aus mindestens einem Tank (1), der im Erdreich (15) angeordnet ist, einer Wärmepumpe (2), die mit mindestens einem Wärmetauscher (3) verbunden ist, wobei der Wärmetauscher (3) in einem Tank (1) angeordnet ist, einer Pumpe (14) für einen Brunnen (5), die mit dem Tank (1) oder den Tanks verbunden ist, einer Tankpumpe (13), die in dem Tank (1) angeordnet ist, mindestens einem Überlauf (7), der in unteren Bereich des Tankes (1) angeordnet ist und einer Steuerung (12).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kombinationswärmespeichersystem sowie ein Verfahren zur Speicherung und Nutzung von Erdwärme mittels eines Kombinationswärmespeichersystems. Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Nutzung von alternativen Energien als Energiequelle insbesondere von Gebäuden.
  • Bei der Nutzung von Erdwärme für Wärmepumpenanlagen ist es Stand der Technik, in dem Erdreich ein Rohrsystem zu installieren, das von einem Wasser-Frostschutzgemisch (Sole) durchströmt wird, wie dies beispielsweise bereits in der DE 8010743 beschrieben wird. Die Sole nimmt dabei die Wärmeenergie aus dem Erdreich auf, transportiert sie zur Wärmepumpe und gibt sie dort wieder ab. Abhängig von der Entzugsleistung der Wärmepumpe muss das Rohrsystem eine entsprechende Länge aufweisen, da die Entzugleistung pro Meter Rohr begrenzt ist.
  • Bei diesen Rohrsystemen spricht man von Kollektoren (z. B. Flachkollektoren, Spiralkollektoren, etc.) oder Sonden (Tiefensonden). Einen derartigen Wärmetauscher beschreibt beispielsweise die DE 3149636 . Der Einsatz von Kollektorsystemen oder Sonden nutzt vor allem den natürlichen Energiefluss im Erdreich und Gestein als Wärmequelle. Die Temperaturen des Systems sinken in der Heizperiode bis zu –4°C. Der Platzbedarf von Kollektorsystemen ist nicht unerheblich. Tiefensonden sind aufwendig und grundsätzlich genehmigungsgebunden. In Wasserschutzgebieten sind Kollektorsysteme meistens und Tiefensonden in der Regel untersagt.
  • Bei der Nutzung von Grundwasser als Wärmequelle für eine Wärmepumpenanlage ist es Stand der Technik, mittels einer Brunnenpumpe das Grundwasser zu fördern, durch den Wärmetauscher (Verdampfer) der Wärmepumpe zu führen und anschließend durch einen Schluckbrunnen wieder der Grundwasserschicht zuzuführen. Als Variante ist bekannt, dass ein zusätzlicher Wärmetauscher die Energie aus dem Grundwasser an einen Solekreislauf übergibt, welcher durch den Verdampfer der Wärmepumpe strömt.
  • Bei dieser Technik ist es erforderlich, dass die Brunnenpumpe gleichzeitig mit der Wärmepumpe in Betrieb sein und den erforderlichen Mindestdurchfluss durch den Verdampfer bzw. zusätzlichen Wärmetauscher sicherstellen muss. Dieses bedeutet durch die hohe Leistung und dem damit verbundenen erhöhten Stromverbrauch der Brunnenpumpe eine schlechtere Jahresarbeitszahl der kompletten Anlage.
  • Der Verdampfer bzw. zusätzliche Wärmetauscher steht in direktem Kontakt zum Grundwasser und es besteht die Gefahr, dass durch eine schlechte Wasserqualität oder Schmutzpartikel häufige und aufwendige Wartungsarbeiten erforderlich sind oder gar die Zerstörung des Materials droht. Sollte der Verdampfer zerstört werden, bedeutet das in der Regel einen wirtschaftlichen Totalschaden der Wärmepumpe. Gleiches gilt für Anlagen, bei denen das Grundwasser direkt in den Verdampfer geführt wird und es durch eine Fehlbedienung oder einen technischen Defekt zu einem Gefrieren des Wassers kommt.
  • Als weitere Möglichkeit sind Kollektorsysteme bekannt, die als Erdkollektorsysteme in die Grundwasser führende Schicht eingebaut werden. Dort werden in der Regel Spiralkollektoren aus PE- oder Edelstahlwellrohr installiert. Diese Variante ist jedoch mit vertretbarem Aufwand nur bei oberflächennahen Grundwasserschichten möglich. Außerdem sind mehrere Kollektoren erforderlich, die eine entsprechend große Fläche auf dem Grundstück beanspruchen. Durch die hohe Anzahl der Kollektoren steigt auch die Menge der Sole in dem System. Da diese jedoch üblicherweise ein Frostschutzmittel enthält, besteht im Falle einer Leckage die Gefahr, dass eine größere Menge dieses Mittels direkt in das Grundwasser gelangen kann.
  • Die DE 20203712 U1 beschreibt eine Wärmepumpe, die einen Brauchwasserspeicher aufweist, in dem ein Wärmeaustauscher angeordnet, ist und die einen weiteren Wärmeaustauscher aufweist, der keine erdgebundene Wärmequelle nutzt. Allerdings kann nun die unmittelbar an den Brauchwasserspeicher angrenzende Erdwärme genutzt werden, die schnell erschöpft ist, so dass ohne erhebliche Vergrößerung des Brauchwasserspeichers die Erdwärme allein nur unzureichend genutzt wird.
  • In der DE 20 2006 005 592 U1 wird ein Wasserspeicher in Kombination mit einer Wärmepumpe beschrieben, wobei der Wasserspeicher aus im Erdreich vergrabenen Erdtanks besteht, die in der Wand des Wasserspeichers eingebettete Wärmetauscherschlangen aufweisen. Eine Wartung und Installation dieser Wasserspeicher ist aufwändig. Darüber können nach der Installation Änderungen nicht mehr durchgeführt oder Fehler nicht mehr behoben werden. Auch können vorhandene oder kostengünstige Wasserspeicher nicht genutzt werden.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden oder zu minimieren und eine optimierte Anlage sowie ein effizientes Verfahren bereitzustellen, die einfach und kostengünstig zu betreiben ist.
  • Die Aufgabe wird durch die Angabe eines Kombinationswärmespeichersystems gemäß Anspruch 1 sowie eines Verfahrens zur Nutzung von Erdwärme mittels eines Kombinationswärmespeichersystems gemäß Anspruch 5 gelöst. Die Unteranspruche 2 bis 4 und 6 bis 11 geben weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.
  • Das erfindungsgemäße Kombinationswärmespeichersystem besteht aus mindestens einem Tank, der im Erdreich angeordnet ist, einer Wärmepumpe, die mit mindestens einem Wärmetauscher verbunden ist, wobei der Wärmetauscher in einem Tank angeordnet ist, einer Pumpe für einen Brunnen, die mit dem Tank oder den Tanks verbunden ist, einer Tankpumpe, die in dem Tank angeordnet ist, mindestens einem Überlauf, der in unteren Bereich des Tankes angeordnet ist sowie einer Steuerung.
  • Das Kombinationswärmespeichersystem dient optimal als Wärmetauscherverfahren zur Nutzung von Grundwasser als Energiequelle für eine Wärmepumpenanlage und zusätzlicher Gewinnung von weiterer Erdwärme. Bevorzugt besteht die einfache Möglichkeit der zusätzlichen Nutzung von Regenwasserwärme, Wärme aus der Abluft-Wärmerückgewinnung, Solarthermie, Abwasserwärme, Oberflächenwasserwärme, See-, Meer- und Flusswasserwärme zur Optimierung der gesamten Wärmepumpenanlage durch Minimierung des erforderlichen Platzbedarfes, der erforderlichen Brunnenleistung sowie der eingesetzten Pumpen, um somit eine verbesserte Jahresarbeitszahl zu erreichen und eine einfache und kostengünstige Wartung der Anlage sicherzustellen.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Kombinationswärmespeichersystems sieht vor, dass der Wärmetauscher als Spiralrohr ausgebildet ist und vorzugsweise aus Edelstahl besteht. Der Edelstahl-Spiralrohr-Wärmetauscher besitzt eine große Übertragungsfläche, so dass die verwendete Rohrlänge wesentlich geringer ist als bei einem glattem Rohr oder einem Erdkollektor. Dadurch kann die Menge des Frostschutzmittels in der Sole gering gehalten werden. Die Gefahr einer Verschmutzung und verminderten Durchfluss wie bei einem Plattenwärmetauscher besteht nicht. Die Wartung und Reinigung der Anlage ist unkompliziert.
  • Eine bevorzugte Variante der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Tank als Regenwassertank oder Zisterne ausgebildet ist.
  • Besonders vorteilhaft ist die Weiter- bzw. Wiederverwendung von gereinigten Öl- und/oder Gastanks.
  • Das Kombinationswärmespeichersystem dient vorteilhaft als Wärmetauscherverfahren zur Nutzung von Grundwasser als Energiequelle für eine Wärmepumpenanlage mit zusätzlicher Gewinnung von Erdwärme und der weiteren Möglichkeit der Nutzung von Regenwasserwärme, Wärme aus Abluft-Wärmerückgewinnung, Solarthermie, Abwasserwärme, Oberflächenwasserwärme, See-, Meer- und Flusswasserwärme zur Optimierung der Steuerung der gesamten Wärmepumpenanlage durch Minimierung des erforderlichen Platzbedarfes, der erforderlichen Brunnenleistung sowie der eingesetzten Pumpen, um somit eine verbesserte Jahresarbeitszahl zu erreichen und eine einfache und kostengünstige Wartung der Anlage sicherzustellen.
  • Die Vorteile des Kombinationswärmespeichersystems gegenüber einem Erdkollektor besteht in dem geringerem Platzbedarf, der Einsetzbarkeit auch in Wasserschutzgebieten, der Nutzbarmachung von Zusatzwärme des Grundwassers sowie Zusatzwärme aus Regenwasser, Solar, Abluft, Gewässern. Es liefert höhere Eingangstemperaturen für die Wärmepumpe und weist eine höhere Jahresarbeitszahl auf.
  • Gegenüber einer Grundwasserwärmepumpe hat das Kombinationswärmespeichersystem Vorteile, da eine deutlich geringere Grundwasserfördermenge benötigt, ein Betrieb ohne Trenntauscher ermöglicht wird und eine einfache Wartung sowie hohe Betriebssicherheit erreicht wird. Des Weiteren ist Zusatzwärme aus dem Erdreich sowie aus Regenwasser, Solar, Abluft, und Gewässern nutzbar. Auch hier sind die höheren Eingangstemperaturen für Wärmepumpe sowie die höhere Jahresarbeitszahl der Anlage vorteilhaft.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert.
  • Es zeigt 1 eine Prinzipskizze einer Wärmepumpenanlage mit einem Kombinationswärmespeichersystem. 2 zeigt ein beispielhaftes Anlagenschema eines bevorzugten Wärmepumpensystems. 3 zeigt beispielhaft die Anordnung eines erfindungsgemäßen Kombinationswärmespeichersystems.
  • In 1 wird ein Tank 1 in das Erdreich eingebracht. Verwendet werden können ebenfalls bereits vorhandene Regenwassertanks, Zisternen, gereinigte Öl- oder Gastanks und gereinigte Abwasserzisternen.
  • Die Nutzung eines Tanks 1 im Erdreich 15 erlaubt durch das hohe Speichervermögens des Wassers, dass die Fördermenge und Leistung der Brunnenpumpe 5 kleiner gewählt werden kann. Ferner wird Erdwärme aus dem umgebenden Erdreich zur Regeneration der Wassertemperatur genutzt. Im Sommer kann die Anlage bei günstigen Witterungsbedingungen auch ohne Zugabe von Grundwasser betrieben werden. Die Sole-Wasser- oder Wasser-Wasser-Wärmepumpe 2 wird mittels Soleleitung 4 an einen Edelstahl-Spiralrohr-Wärmetauscher 3 angeschlossen.
  • Der Edelstahl-Spiralrohr-Wärmetauscher 3 besitzt eine große Übertragungsfläche, so dass die verwendete Rohrlänge wesentlich geringer ist, als bei einem glattem Rohr oder einem Erdkollektor. Dadurch kann die Menge des Frostschutzmittels in der Sole gering gehalten werden.
  • Die Gefahr einer Verschmutzung und verminderten Durchfluss wie bei einem Plattenwärmetauscher besteht nicht. Die Wartung und Reinigung der Anlage kann unkompliziert und ohne größeren Montageaufwand durchgeführt werden, da sich der Edelstahl-Spiralrohr-Wärmetauscher 3 in einem Stück durch den Revisionsschacht 17 entnehmen lässt.
  • Die Grundwasserversorgung des Tanks 1 erfolgt durch einen Grundwasserbrunnen 5 mit Pumpe 14. Der Einlauf 6 ist vorzugsweise so ausgeführt, dass das Wasser verwirbelt wird.
  • Die Brunnenpumpe 14 wird nur dann in Betrieb gesetzt, wenn eine Steuerung 12 eine Soleaustrittstemperatur unterhalb eines einstellbaren Wertes und den Betrieb der Wärmepumpe 2 z. B. durch den Betrieb der Solepumpe erkennt. Die Tankpumpe 13 wird ebenfalls soletemperaturgesteuert und sorgt für einen Temperaturausgleich im Tank 1 durch Vermischung der wärmeren und kälteren Bereiche des Wassers.
  • Durch die soletemperaturabhängige Ansteuerung der Brunnen- und Tankpumpe 14, 13 reduziert sich die Betriebszeit erheblich und die Jahresarbeitszahl der Anlage erhöht sich.
  • Das überschüssige Wasser im Tank 1 wird durch einen Überlauf 7 abgeführt. Dabei ist dieser so ausgeführt, dass das am Grund des Tanks 1 stehende kühlere Wasser in die Versickerung 8 abfließen kann.
  • Die Versickerung 8 wird oberflächennah durch Sickerblöcke oder Tunnel, Rigolen oder Rohrversickerung erfolgen. Auch Schluckbrunnen sind möglich. Eine Oberflächenableitung in einen Bach oder See ist ebenso möglich. Die Ausführung ist abhängig von den behördlichen Vorschriften und eventuellen anderen Wassereinleitungen außer dem Grundwasser.
  • In diesem Beispiel wird Regenwasser aus der Dachentwässerung 9 ebenfalls in den Tank 1 eingeleitet. Ebenfalls denkbar aber nicht dargestellt sind Einleitungen aus der Oberflächenentwässerung oder dem Abwasser, welche dann aber mit besonderer Beachtung der Versickerung auszuführen sind.
  • Durch die nicht dargestellte Einleitung von Seewasser, Flusswasser etc. stehen viele kostenlose Naturwärmequellen zur Verfügung, die helfen, die Betriebszeiten für die Brunnenpumpe 14 noch weiter zu reduzieren und die Jahresarbeitszahl der Anlage zu erhöhen.
  • Die Sole kann – wie beispielhaft dargestellt – zusätzlich durch ein System der Abluftwärmerückgewinnung 10 oder eines Solarkollektors 11 mit Energie angereichert werden. Diese Energie wird dann in dem Tank 1 zwischengespeichert und steht der Wärmepumpe 2 wieder zur Verfügung. Abluftwärme und Solarwärme bieten weitere Möglichkeiten, kostenlose Naturwärme zu nutzen und die Jahresarbeitzahl der Anlage zu steigern.
  • 2 zeigt ein beispielhaftes Anlagenschema eines bevorzugten Wärmepumpensystems.
  • In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein typischen Bestandsbau (Baujahr ca. 1900) mit einem Heizkörpersystem mit Vorlauftemperatur 50°C, einer Warmwasserbereitung für 4 Personen. Der Wärmeenergiebedarf des Gebäudes beträgt 56199 KWh/a, der Heizleistungsbedarf ca. 24 KW.
  • Die beispielhafte Wärmepumpenanlage 2 besteht aus einer Hochtemperaturwärmepumpe (R134a) mit Heißgaswärmetauscher, einer Heizleistung bei B0/W35 25,2 KW, einem Pufferspeicher 18 (500 Liter) für die Heizung sowie einem Pufferspeicher 300 Liter mit BrauchwasserHygieneSystem (BHS) zur Brauchwasserbereitung im Durchlauferhitzerverfahren.
  • 3 zeigt eine Anordnung eines erfindungsgemäßen Kombinationswärmespeichersystems. Dieses ist wie folgt ausgeführt:
    • 1 Tank: 2 × Regenwassertank 2500 Liter
    • 2 Wärmepumpe: Hochtemperaturwärmepumpe (R134a); Heizleistung bei B0/W35 25,2 KW
    • 3 Wärmetauscher: 2 × Edelstahl-Spiralrohr DN25, Rohrlänge 50 m
    • 4 Soleleitung: PE-Rohr DN32, Länge 2 × 20 m
    • 5 Grundwasserbrunnen Tiefe 20 m mit Pumpe 14: Leistung 0,37 KW
    • 6 Grundwassereinlauf
    • 7 Überlauf
    • 8 Oberflächennahe Versickerung durch Sickertunnel
    • 9 Einleitung Dachentwässerung ca. 150 m2 Dachfläche
    • 12 Steuerung mit zwei Temperaturwächtern
    • 13 Tankpumpe: 2 × Tauchpumpen, Leistung pro Pumpe 0,22 KW
  • Dieses Kombinationswärmespeichersystem funktioniert wie folgt:
    Erkennt die Steuerung 12 der Wärmepumpe 2 beispielsweise durch eine Temperaturmesseinrichtung in dem zu beheizenden Gebäude einen (Nach-)heizbedarf für das Gebäude, wird zusammen mit dem Kompressor der Wärmepumpe 2 die integrierte Solepumpe gestartet. Durch die Soleleitung 4 wird vorzugsweise ein Wasser-Frostschutzgemisch gepumpt, das durch die Wärmetauscher 3 dem Wasser in den Tanks 1 Wärmeenergie entzieht. Die gewonnene Wärmeenergie wird in der Wärmepumpe 2 wieder dem Solekreislauf entnommen.
  • Die Steuerung 12 ist bei Betrieb der Wärmepumpe aktiviert und überwacht die Soletemperatur.
  • Sinkt die Soletemperatur in Folge des Energieentzuges aus den Tanks 1 unter einen einstellbaren Wert, werden die Tankpumpen 13 gestartet. Die Tankpumpen 13 sorgen für eine Umspülung des Wassers in den Tanks 1 und befördern so die wärmeren Wasserteile aus den Randbereichen an den Wärmetauscher 3. Auf diese Weise wird sowohl die aus dem umgebenen Erdreich 15, als auch aus dem Regenwasser gewonnene Wärmeenergie den Wärmetauschern 3 zugeführt.
  • Sinkt dennoch die Soletemperatur auf Grund der verbrauchten und nicht in genügendem Maße nach fließender Wärmeenergie in die Tanks 1 weiter, wird über einen zweiten ebenfalls einstellbaren Wert die Brunnenpumpe 14 gestartet. Die Brunnenpumpe 14 fördert Grundwasser mit ein Temperatur von ca. +7°C über die Einläufe 6 in die Tanks 1. Um einen konstanten Wasserstand in den Tanks 1 zu gewährleisten, wird kaltes Wasser aus dem Bodenbereich der Tanks 1 mittels Überläufe 7 abgeführt und durch ein System aus Sickertunnel 8 in das Erdreich 15 abgegeben.
  • Sowie die Soletemperatur wieder auf Ihre jeweils eingestellten Werte ansteigt, werden sowohl die Brunnen- als auch die Tankpumpen 14, 13 wieder durch die Steuerung 12 ausgeschaltet.
  • Gleiches gilt für das Abschalten der Wärmepumpe 2. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Brunnen- und Tankpumpen 14, 13 nur bei realem Bedarf in Betrieb sind. Während der Stillstandszeit der Wärmepumpe kann sich das Temperaturniveau des Wassers in den Tanks 1 durch das Erdreich 15 und einfließendes Regenwasser 9 regenerieren.
  • Die Jahres-Betriebszahlen der Gesamtanlage mit Kombinationswärmespeichersystem lauten wie folgt:
    • Betriebsstunden der Wärmepumpe nach Auslegung: 2000 h/a
    • Abgegebene Wärmeenergie: 56199 KWh/a
    • Stromaufnahme der Wärmepumpe (inkl. Umwälzpumpen): 15521 KWh/a
    • Wassertemperatur im Tank Sommer: +10°C
    • Wassertemperatur im Tank Winter: +7°C
    • Betriebsstunden der Brunnenpumpe: 800 h/a
    • Fördermenge Grundwasser: 2900 m3/a
    • Stromaufnahme der Brunnenpumpe: 296 KWh/a
    • Betriebsstunden der Tankpumpen: je 1400 h/a
    • Stromaufnahme der Tankpumpen: zusammen 616 KWh/a
    • Gesamte Stromaufnahme Wärmepumpe und Pumpen: 16433 KWh/a
    • Jahresarbeitszahl der Anlage: 3,42
    • 1
    Tank
    2
    Wärmepumpe
    3
    Edelstahl-Spiralrohr-Wärmetauscher
    4
    Soleleitung
    5
    Grundwasserbrunnen mit Pumpe (14)
    6
    Grundwassereinlauf
    7
    Überlauf
    8
    Versickerung
    9
    Dachentwässerung
    10
    Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung
    11
    Solarkollektor
    12
    Steuerung
    13
    Tankpumpe
    14
    Brunnenpumpe
    15
    Erdreich
    16
    Gebäude
    17
    Revisionsschacht
    18
    Pufferspeicher
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 8010743 [0002]
    • - DE 3149636 [0003]
    • - DE 20203712 U1 [0008]
    • - DE 202006005592 U1 [0009]

Claims (4)

  1. Kombinationswärmespeichersystem bestehend aus mindestens einem Tank (1), der im Erdreich (15) angeordnet ist, einer Wärmepumpe (2), die mit mindestens einem Wärmetauscher (3) verbunden ist, wobei der Wärmetauscher (3) in einem Tank (1) angeordnet ist, einer Pumpe (14) für einen Brunnen (5), die mit dem Tank (1) oder den Tanks verbunden ist, einer Tankpumpe (13), die in dem Tank (1) angeordnet ist, mindestens einem Überlauf (7), der in unteren Bereich des Tankes (1) angeordnet ist und einer Steuerung (12).
  2. Kombinationswärmespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) als Spiralrohr ausgebildet ist und vorzugsweise aus Edelstahl besteht.
  3. Kombinationswärmespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tank (1) als Regenwassertank oder Zisterne ausgebildet ist.
  4. Kombinationswärmespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Tank (1) gereinigte Öl- und/oder Gastanks angeordnet sind.
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