DE2952758A1

DE2952758A1 - Anlage zur klimatisierung eines gebaeudes mit und ohne waermepumpe

Info

Publication number: DE2952758A1
Application number: DE19792952758
Authority: DE
Inventors: Hans 7321 Birnenbach Weiß
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-12-29
Filing date: 1979-12-29
Publication date: 1981-07-23

Description

PATENTANWÄLTE

HELMUT SCHROETER KLAUS LEHMANN

DlPL-PHYS. _β DIPL-ING

-5-

Hans Weiss U4-12

28. 12. S/:'.chd/

ANLAGE ZUR KLIMATISIERUNG EINES GEBÄUDES MIT UND OHNE WÄRMEPUMPE

Stand der Technik, Aufgabe, Lösung

Hie Erfindung bezieht sich zunächst auf eine Anlage mit den im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Merkmalen zur Beheizung eines Gebäudes mit Hilfe einer Wärmepumpe. i£ i ne Anlage dieser Art ist aus der DE-OS 27 59 1Θ1 bekannt.

Mit Hilfe der bekannten Anlage wurde das Gebäude durch Wärmemengen beheizt, die von dem oberen äußeren Wärmetauscher aufgenommen wurden, also aus Wärmespeichern, die durch die Außenwände oberhalb des Erdbodens und die äußeren Teile der Dacheindeckung gebildet werden. Sank die Temperatur der oberen äußeren Wärmespeicher unter die der unteren äußeren Wärmespeicher, insbesondere die der Fundamente und des Erdreichs, ab, so konnte die Anlage umgeschaltet werden, so daß Wärme nur noch den unteren äußeren Wärmespeichern entnommen wurde. Darüberhinaus war eine Steuervorrichtung zum Steuern der Durchflußmenge der Wärmetransportflüssigkait in den Wärmetauschern erforderlich (Anspruch 11 der genannten Offenlegungsschrift).

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D-7O7O SCHWÄBISCH CMOND KONTEN: D-βΟΟΟ MÖNCHEN 70

M. SCHROCTER Tffcfae: (07171) $4 90 DeuiKheBjnkSJiwib.Gmünd 200 5)5 (BLZ 61 3700 16 K LEHMANN MfIo_n (219) 72» JO /I TcIn: 7 241ItI pagdd Postfciwdikonto Stutigut 54040-709 (BLZ 600100 73' Lipowikynnßc IO TrIo S2l224lpiveJ

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I ·

Durch die vorliegende Erfindung soll ein Umschalten der Anlage vom Betrieb des oberen zum Betrieb des unteren äußeren Wärmetauschers und umgekehrt überflüssig werden. Ein zu bestimmten Tageszeiten im oberen äußeren Wärmsspeicher auftretender Wärmeüberschuß soll ohne Umschaltung der Anlage selbsttätig im unteren äußeren Wärmespeicher eingespeichert und später aus diesem wieder nutzbar gemacht werden können. Ferner soll eine Vorrichtung zum Steuern der durch die äußeren Wärmetauscher strömenden Anteile der Wärmetransportflüssigkeit überflüssig werden. Die Wärmetransportflüssigkeit wird im folgenden einfach "Flüssigkeit" genannt.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß all dies zugleich durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs genannte Maßnahme erzielbar ist. Wie sich gezeigt hat, ist es für einen rationellen Betrieb der Heizanlage während einer ganzen Heizperiode völlig ausreichend, wenn die durch die beiden äußeren Wärmetauscher führenden Teilströme der Flüssigkeit ein unverändert bleibendes Strömungsmengenverhältnis haben. Man braucht also nur dafür zu sorgen, daß ein durch den Verdampfer fließender Gesamtstrom sich hinter dem Verdampfer in konstante Strömungsmengenanteile aufteilt und vor dem Verdamper wieder vereinigt. Der eine Teilstrom fließt durch den oberen, der andere durch den unteren äußeren Wärmetauscher. Eine Steuerung von DurchfluBmengen ist weder zur Erzielung der gewünschten Raumtemperaturen beim Tag/Nacht-Wechsel erforderlich, noch beim Wechsel der Jahreszeiten. Da die Flüssigkeit ständig durch den unteren wie auch den oberen Wärmetauscher strömt und die aus beiden Wärmetauschern rückströmende Flüssigkeit sich ständig wieder mischt, wird vermieden, daß die Flüssigkeit sehr tiefe Temperaturen erreicht. Hierdurch kann Ge* frierschutzmitte1 eingespart werden, ohne daß die Gefahr eines Einfrierens besteht.

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Das Prinzip der Erfindung ist auch auf eine Beheizung oder Kühlung eines Gebäudes ohne Verwendung einer Wärmepumpe anwendbar. Eine vorhandene Wärmepumpe kann abgeschaltet werden. In Gegenden mit sehr mildem Klima kann man auf eine Wärmepumpe verzichten und die Anlage lediglich entweder auf Heizung oder auf Kühlung schalten. Bei beiden Fällen soll die Anlage dann wieder selbst tätig arbeiten und Wärmemengen in sinnvoller Weise zwischen dem inneren und einem der äußeren Wärmespeicher hin und her transportieren.

Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 2 gelöst, der ein Nebenanspruch ist, und für den selbstständiger Schutz geltend gemacht wird.

Durch die Parallelschaltung des inneren mit einem der äußeren Wärmespeicher und das fest eingestellte Strömungsmengen-Verhältnis wird völlig selbsttätig erreicht, daß die Anlage, bei Einstellung auf Heizung das Gebäude heizt, solange der obere äußere Speicher Wärmemengen hierfür zur Verfugung stellt, und daß bei Einstellung auf Kühlung der untere äußere Speicher Wärmemengen aufnimmt, die er dem inneren Speicher entzieht, solange dessen Temperatur zu hoch ist.

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Erläuterung der Erfindung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Figur 1 ist eine Prinzipdarstellung einer Heizanlage mit Wärmepumpe für ein schematisch dargestelltes Gebäude .

Figur 2 bis 7 sind stärker schematisierte Darstellungen der durch die Wärmetauscher führenden Strömungskreise und zeigen die Temperaturverhältnisse zu verschiedenen Jahres- und Tageszeiten.

Figur 3 zeigt eine gegenüber der Prinzipdarstellung nach Figur 1 abgewandelte Anlage, die Heizung und Kühlung unter Umgehung der Wärmepumpe ermöglicht.

Figur 9 und 10 sind Schemata von Anlagen, die entweder keine Wärmepumpe haben, oder deren Wärmepumpe abgeschaltet ist und durch die das Gebäude beheizt bzw. gekühlt werden kann.

Wie Figur 1 zeigt, hat die Heizanlage eine Wärmepumpe 2 mit einem Verdampfer 4 und einem Kondensator 6. Eine Umwälzpumpe θ führt Wärmetransportflüssigkeit (im folgenden immer einfach "Flüssigkeit" genannt) durch den Kondensator 6 und durch innere Wärmetauscher 10, die sich in Gebäudemassen innerhalb der Isolierschichten 12 des Gebäudes befinden. Diese Gebäudemassen bilden den inneren Wärmespeicher

Eine Umwälzpumpe 16 führt mit Gefrierschutzmittel versehene Flüssigkeit durch den Verdampfer 4 der Wärmepumpe. Der Gesamtstrom 17, 18 dieser Flüssigkeit teilt sich außerhalb der

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Wärmepumpe in zwei Teilströme 20 und 21 auf. Der Teilstrom 20 führt durch den unteren äußeren Wärmetauscher 23, der hier im Kellerboden und den Kellerwänden, insgesamt also irr\ unteren äußeren Wärmespeicher 25 verlegt ist, der über auch im Erdreich selbst ganz oder zum Teil verlegt sein kijnnte.

Der Teilstrom 21 führt durch den oberen äußeren Wärmetauscher 28, der sich außerhalb der Isolierschichten 12 innerhalb der Außenwände und äußeren Teile der Dacheindeckung befindet, also innerhalb des oberen äußeren Wdrmespeichers 30.

Aus dem Gesamtstrom' 18 können die Teilströme 20 und 21 im einfachsten Falle durch eine Rohrverzweigung gebildet werden. Zweckmäßiger ist es jedoch, hier ein Mischventil 32 vorzusehen, durch das von Hand die Teilströme dimensioniert werden können.

Die Wärmetauscher werden durch Schlangen aus Kunststoffrohren gebildet. Zweckmäßigerweise werden der untere äußero und der obere äußere Wärmetauscher aus Rohren gleicher Querschnitte und gleicher Längen hergestellt. In diesem Falle ist im allgemeinen ein Teilungsverhältnis 50:50 am Mischventil 32 einzustellen. Je nach den Gegebenheiten können jedoch auch andere Teilungsverhältnisse angewendet werden, die innerhalb eines Bereichs von 60:40 bis 40:60 liegen. Es kann also zweckmäßig sein,dem oberen äußeren Wärmetauscher einen größeren Teilstrom als dem unteren zuzuführen oder umgekehrt. Das günstigste Teilungsverhältnis muß im Einzelfall empirisch ermittelt werden.

Die Figuren 2 bis 4 zeigen die Tsmperaturverhä 1 tnisse im Frühjahr oder Herbst bei nicht sehr tiefen Außentemperaturen zu verschiedenen Tageszeiten. In den schematischen Darstellungen wurden die Umwälzpumpen sowie die Wärmespeicher

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und sonstige Einzelheiten des Gebäudes weggelassen. Die Einstellung des Mischventils 32 bleibt während der gänierl Haizperiode unverändert, z. B. bei einem Wert 50:50, stehen.

Um 7.00 Uhr früh (Figur 2) hat der obere äußere Wärmespeicher seine Tiefsttemperatur erreicht. Der obere äußere Wärmetauscher 2Θ hat eine Rücklauftemperatur von 0 C. 0er untere äußere Wärmespeicher ist demgegenüber wärmer. Er hat eine Rücklauftemperatur von +4⁰C. Beim Mischungsverhältnis 50:50 ergibt sich für den Gesamtstrom 17 ein Temperaturmittel von +2⁰C. Im Verdampfer 4 wird der Strom auf 0⁰C gekühlt, wobei ihm Wärme entnommen wird, die den Kondensator 6 mit 3O⁰C verläßt und die im inneren Wärmetauscher 10 auf 25°C herunter« gekühlt wird. Der innere Wärmetauscher, wie der dortige Pfeil andeutet, gibt Wärme an das Gebäudeinnere ab. Der Gesamtstrom 1Θ verläßt den Verdampfer 4 mit einer Temperatur von O⁰C und teilt sich in zwei gleich große Teilströme 20, 21 von ebenfalls 0⁰C auf. Der Teilstrom 21 durchläuft demnach mit unveränderter Temperatur den oberen äußeren Wärmetauscher 28, so daß hier weder Wärme abgegeben noch aufgenommen wird. Dagegen entnimmt der untere äußere Wärmetauscher, wie der dortige Pfeil andeutet, Wärme aus dem unteren äußeren Wärmespeicher.

Um 10.00 Uhr vormittags (Figur 3) ist ein Wendepunkt der Energiegewinnung erreicht. Jetzt entnimmt der obere äußere Wärmetauscher Wärme aus dem oberen äußeren Speicher, während der untere äußere Wärmetauscher weder Wärme aufnimmt noch abgibt, also indifferent bleibt. Die einzelnen Temperaturen ergeben sich aus Figur 3.

Um 14.00 Uhr (Figur 4) läßt sich besonders viel Wärmeenergie aus dem oberen äußeren Speicher entnehmen. Infolgedessen wird nun, und zwar ohne irgendeine Verstellung des Mischventils 32, selbsttätig Wärmeenergie vom unteren äußeren Wärmetauscher an den unteren äußeren Wärmespeicher abgegeben.

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Daß die Anlage auch im Winter, also bei wesentlich tieferen Außentemperaturen zufriedenstellend arbeitet, zeigen die Figuren 5 bis 7. Um 7.00 Uhr früh (Figur 5) ist der obere äußere Wärmetauscher indifferent. Die Flüssigkeit durchströmt ihn bei unveränderter Temperatur von -8 C. Dagegen nimmt der untere äußere Wärmetauscher Wärme aus dem unteren äußeren Speicher auf. Hierdurch wird die Flüssigkeitstemperatur auf -4⁰C erwärmt. Es ergibt sich eine Mischtemperatur von -6°C, mit der die Flüssigkeit in den Verdampfer eintritt. Um 10.00 Uhr morgens (Figur 6) arbeitet der untere äußere Wärmetauscher indifferent. Dagegen wird nun Wärmeenergie vom oberen äußeren Wärmetauscher aufgenommen .

Um 14.00 Uhr (Figur 7) wird vom oberen äußeren Wärmetauscher wesentlich mehr Wärmeenergie aufgenommen, und es wird vom unteren äußeren Wärmetauscher Wärmeenergie an den unteren äußeren Wärmespeicher abgegeben. Diese Wärmeenergie steht dann während der späten Nachtstunden und morgens (Figur 5) wieder zur Entnahme zur Verfügung.

Diese Beispiele zeigen, daß die Anlage völlig selbsttätig dafür sorgt, daß jeweils dem oder den Wärmetauschern Wärme entnommen wird, die sie anzubieten haben und daß überschüssige Wärme dem oberen äußeren Speicher entnommen und an den unteren äußeren Speicher abgegeben wird.

Die Darstellungen zeigen, daß es ohne jeden Umschaltvorgang vermieden wird, daß der obere äußere Wärmetauscher auch beim Temperaturtief morgens Wärme an seinen Speicher abgibt, die dann mutzlos an die Umgebung abgegeben würde.

Die Anlage nach Figur 8 ermöglicht einen Betrieb mit oder ohne Wärmepumpe. Eine Querverbindung 40, die einen nicht

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dargestellten Absperrhahn enthält, und ein weiteres Mischventil 42 ermöglichen es gemeinsam, den Kreislauf des inneren Wärmetauschers 10 zu den Kreisläufen der beiden äußeren Wärmetauscher 23, 28 parallel zu schalten. Das Mischventil 32 dient in diesem Falle als Umschaltventil und sorgt dafür, daß entweder nur der untere äußere Wärmetauscher 23, oder nur der obere äußere Wärmetauscher 28 zum inneren Wärmetauscher parallel geschaltet werden. Will man ohne Wärmepumpe heizen, so schaltet man den oberen äußeren Wärmetauscher dazu, will man ohne Wärmepumpe kühlen, den unteren. Das Mischventil 42 dient dazu, das Mengenverhältnis der beiden Teilströme 44 und 45 einzustellen, die einerseits durch den inneren Wärmetauscher, andererseits durch einen der äußeren Wärmetauscher fließen. Soll die Anlage dagegen zur Beheizung mit Hilfe der Wärmepumpe dienen, so dient das Mischventil 42 als Umschaltventil. Es schaltet den inneren Wärmetauscher dann von den äußeren ab. Ferner wird der nicht dargestellte Hahn in der Querverbindung 40 geschlossen .

Figur 9 zeigt schematisch den Fall einer Beheizung eines Gebäudes ohne Wärmepumpe, zu einer Tages- und Jahreszeit, in der der äußere Wärmespeicher hierfür ausreichend Energie zur Verfügung stellt. Das jetzt als Umschaltventil fungierende Mischventil 32 ist auf den-oberen äußeren Wärmetauscher 28 geschaltet. Das Mischventil 42 sorgt für gleich große Teilströme 44, 45 im linken wie im rechten Stromkreis. Die Flüssigkeit verläßt den oberen äußeren Wärmetauscher 28 mit 30° C und mischt sich 50:50 mit der aus dem inneren Wärmetauscher rückkehrenden Flüssigkeit, deren Temperatur hier 26° C beträgt. Für den durch die Umwälzpumpe 16 fließenden Gesamtstrom 18 ergibt sich eine Mittel-

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temperatur von 28° C. Hinter der Umwälzpumpe teilt sich der Strom in gleiche Mengenanteile. Links strömt Flüssigkeit mit 28° C in den inneren Wärmetauscher 10 und dient dort zur Beheizung des Gebäudes, während rechts Flüssigkeit gleicher Temperatur in den äußeren Wärmetauscher strömt und dort wiederum aufgeheizt wird.

Figur 10 zeigt die Verhältnisse bei Einstellung der Anlage auf Kühlung. Durch das Mischventil 32 wird hier der untere äußere Wärmetauscher 23 zum inneren Wärmetauscher 10 parallel-geschaltet. Die Einstellung des Mischventils 42 verbleibt unverändert, im allgemeinen auf Teilströme von 50:50. Den unteren äußeren Wärmetauscher 23 verläßt Flüssigkeit von 16° C, den inneren Wärmetauscher Flüssigkeit mit 20° C. Beide werden gemischt, und es werden dann Teilströme einer Mitteltemperatur von 18° C sowohl dem inneren Wärmetauscher, wie dem unteren äußeren Wärmetauscher zugeführt.

Bei nicht zu großen tageszeit liehen Schwankungen der Aussentemperatur kann die Anlage unverändert auf Heizung oder auf Kühlung eingestellt bleiben und arbeitet dann zufriedenstellend. Schwankt die Außentemperatur dagegen um wesentlich größere Beträge, so kann die Anlage im Laufe eines Tages von Heizung auf Kühlung und umgekehrt umgeschaltet werden. Hier sind zwar Schaltvorgänge erforderlich. Es kann dann aber der sonst für die Wärmepumpe erforderliche Energieaufwand eingespart werden.

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Leerseite

Claims

PATENTANWÄLTE

HELMUT SCHROETER KLAUS LEHMANN

DIPL.-PHYS. DIPL.-INC.

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PATENTANSPRÜCHE

f 1.j Anlage zur Beheizung eines Gebäudes mit Hilfe einer Wärmepumpe, mit folgenden Merkmalen:

a) Das Gebäude hat durch eine Isolierschicht getrennte innere und äußere Wärmespeicher, ins besondere in Form von Wandmassen, einer Dacheindeckung, Kellerböden, Fundamenten und dem Erdreichj

b) die Wärmespeicher sind mit Wärmetauschern in Form von Rohrsystemen versehen, und zwar

b1) einem inneren Wärmetauscher in Innenwänden, die den inneren Wärmespeicher darstellen,

b2) einem oberen äußeren Wärmetauscher in einem oberhalb des Erdreichs vorgesehenen oberen äußeren Wärmespeicher(insbesondere Dach und/oder Außenwände/und

b3) einem unteren äußeren Wärmetauscher in einem unterhalb der Erdoberfläche vorgesehenen unteren äußeren Wärmespeicher (insbesondere Fundament, Kellerwände und/oder Erdreich,)·

c) der innere Wärmetauscher ist an die Kondensatorseite und die beiden äußeren Wärmetauscher sind an die dampferseite der Wärmepumpe anschließbar.

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ORIGINAL INSPECTED

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gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

d) die beiden äußeren Wärmetauscher (23, 2Θ) sind zueinander parallel-schaltbar;

e) die durch die beiden äußeren Wärmetauscher (23, 28) führenden Teilströme (21, 20) der Wärmetransportflüssigkeit haben ein konstantes Strömungsmengen-Verhältnis .

(Figur 1 bis 7)
2. Anlage zur Beheizung und Kühlung eines Gebäudes mit folgenden Merkmalen:

a) Das Gebäude hat durch eine Isolierschicht getrennte innere und äußere Wärmespeicher, insbesondere in Form von Wandmassen, einer Dacheindeckung, Kellerböden, Fundamenten und dem Erdreich;

b) die Wärmespeicher sind mit Wärmetauschern in Form von Rohrsystemen versehen, und zwar

b1) einem inneren Wärmetauscher in Innenwänden, die den inneren Wärmespeicher darstellen,

b2) einem oberen äußeren Wärmetauscher in einem oberhalb des Erdreichs vorgesehenen oberen äußeren Wärmespeicher^ insbesondere Dach und/oder Außenwände^ und

b3) einem unteren äußeren Wärmetauscher in einem

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unterhalb der Erdoberfläche vorgesehenen unteren äußeren Wärmespeicher (insbesondere Fundament, Kellerwände und/oder Erdreich)^

c) Die Anlage hat mindestens eine Umwälzpumpe, gekennzeichnet durch folgende Merkmalü:

d) Der innere Wärmetauscher (10) ist zur Beheizung mit dem oberen äußeren Wärmetauscher (28), zur Kühlung mit dem unteren äußeren Wärmetauscher (23) parallel-schaltbarj

e) die durch die beiden parallel-gescheitsten WärmetauscherdO, 28 oder 10, 23) führenden Teilströme haben ein konstantes Strömungsmengen-Verhältnis.
3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Teilströme (20, 21) sich vor dem Verdampfer der Wärmepumpe vereinigen und sich hinter ihm teilen (Figur 1).
4. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß für beide Teilströme (20, 21 j 44, 45) eine gemeinsame Umwälzpumpe (16) vorgesehen ist (Figur 1 und 8).
5. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zur Aufteilung in Teilströme (20,21; 44, 45) ein einstellbares Mischventil (32i 42) vorgesehen ist (Figur 1 und 8).

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6. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmengen der Teilströme zueinander in einem Verhältnis von 60:40 bis 40:60 stehen. ^: ι
7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei etwa gleichen GröBen der parallel geschalteten Wärmetauscher (28, 23> 10, 28; 10, 23) die Strömungsmengen der Teilströme im Verhältnis von etwa 50:50 stehen.

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