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Dokumentenidentifikation DE102006020231A1 31.10.2007
Titel Thermo-Energie-Versorgungsanlage zur Temperierung von Heiz-, Kühl- und/oder Brauchwasser-Kreisläufen in Gebäuden
Anmelder Högner, Wolfgang, 91564 Neuendettelsau, DE
Erfinder Högner, Wolfgang, 91564 Neuendettelsau, DE
Vertreter Patentanwälte Rau, Schneck & Hübner, 90402 Nürnberg
DE-Anmeldedatum 27.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006020231
Offenlegungstag 31.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.10.2007
IPC-Hauptklasse F24J 2/24(2006.01)A, F, I, 20060427, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F24J 3/08(2006.01)A, L, I, 20060427, B, H, DE   
Zusammenfassung Eine Thermo-Energie-Versorgungsanlage zur Temperierung von Heiz-, Kühl- und/oder Brauchwasser-Kreisläufen in Gebäuden umfasst
- eine Wärmepumpe (11),
- einen Dach-Kollektor (13),
- einen mit Wärmepumpe (11) und Dach-Kollektor (13) koppelbaren Dach-Kollektor-Kreislauf (12) für ein Wärmetransport-Fluid,
- einen im Erdreich (16) versenkbaren Erd-Kollektor (17),
- einen mit Wärmepumpe (11) und Erd-Kollektor (17) koppelbaren Erd-Kollektor-Kreislauf (18) für ein Wärmetransport-Fluid und
- eine Weiche (19) zwischen Dach- und Erd-Kollektor-Kreislauf (12, 18) zur jahreszeitlich abhängigen Steuerung der Kreisläufe (12, 18) insbesondere zur Wärmerückführung in das Erdreich (16).

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Thermo-Energie-System zur Temperierung von Heiz-, Kühl- und/oder Brauchwasser-Kreisläufen in Gebäuden.

Zum Hintergrund der Erfindung ist festzuhalten, dass im Hinblick auf die anzustrebende Schonung fossiler Energieträger und aus Kostengründen vor dem Hintergrund steigender Energiepreise zunehmend erneuerbare Energien und alternative Konzepte für die Klimatisierung von Gebäuden und die Brauchwasser-Erwärmung zum Einsatz kommen. Vermehrt werden in diesem Zusammenhang Wärmepumpen eingesetzt, die dem Grundwasser oder dem Erdreich Wärme entziehen und in das zu beheizende Gebäude „pumpen". Über geeignete Wärmetransport-Fluide kann das Gebäude dann beispielsweise über eine Fußbodenheizung beheizt werden.

Im Zusammenhang mit der Nutzung der Sonnenenergie sind ferner Sonnenkollektoren und Photovoltaik-Anlagen bekannt und bereits umfangreich im Einsatz.

Übliche Gebäude-Heizanlagen auf der Basis von Wärmepumpensystemen nutzen beispielsweise die Wärme des Grundwassers, auf das über einen Saug- oder Schluckbrunnen zugegriffen wird. Die konstante, relativ hohe Temperatur des Grundwassers ermöglicht zwar einen effektiven Betrieb der Wärmepumpe, jedoch werden Wärmepumpenanlagen mit Zugriff auf das Grundwasser nur selten behördlich erlaubt. Ferner kann ein Brunnen versiegen oder versintern.

Alternativ dazu kann die im Erdreich gespeicherte Sonnenenergie über einen Flächen- oder Grabenkollektor entzogen werden. Dies stellt an sich eine kostengünstige Technik dar, hat jedoch bei einem horizontal verlegten Flächenkollektor einen sehr hohen Flächenbedarf. Für Grabenkollektoren sind hohe Aufwendungen zu machen und Sicherheitsbestimmungen im Hinblick auf die im Graben arbeitenden Personen einzuhalten. Schließlich sind Erd-Kollektoren, insbesondere wenn sie als pfahlartige Erdsonden ausgebildet sind, teilweise nur unter strengen Auflagen zulässig.

Die vorstehend erwähnten Erd-Kollektoren haben gemeinsam in thermischer Hinsicht das Problem, dass aufgrund des Wärmeentzuges über den Wärmepumpenkreislauf die Temperatur des Erdreiches im Bereich um den Erd-Kollektor abgesenkt wird. Damit erhöht sich die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle Erdreich und der Wärmeabführung an der Wärmepumpe, was zu einer Beeinträchtigung der Effizienz der Wärmepumpe führt.

Ausgehend von der geschilderten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Thermo-Energie-Versorgungsanlage zur Temperie rung von Heiz-, Kühl- und/oder Brauchwasser-Kreisläufen in Gebäuden anzugeben, die bei anlagentechnischer Einfachheit für eine effizientere Nutzung regenerativer Energieformen sorgt.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebene Merkmalskombination gelöst. Demnach sind bei der Versorgungsanlage vorgesehen:

  • – eine Wärmepumpe,
  • – einen Dach-Kollektor,
  • – ein mit Wärmepumpe und Dach-Kollektor koppelbarer Dach-Kollektor-Kreislauf für ein Wärmetransport-Fluid,
  • – ein im Erdreich versenkbarer Erd-Kollektor,
  • – ein mit Wärmepumpe und Erd-Kollektor koppelbarer Erd-Kollektor-Kreislauf für ein Wärmetransport-Fluid, und
  • – eine Weiche zwischen Dach- und Erd-Kollektor-Kreislauf zur jahreszeitlich abhängigen Steuerung der Kreisläufe insbesondere zur Wärmerückführung in das Erdreich.

Kern der vorstehend umrissenen Erfindung ist die Kombination eines Dach-Kollektors und eines Erd-Kollektors, die über jeweilige Kreisläufe mit der Wärmepumpe und über die erwähnte Weiche variabel steuerbar sind. Wie anhand der Beschreibung des Ausführungsbeispiels noch näher erläutert wird, kann das System so im Sommer und in der Übergangszeit zur Kühlung des Gebäudes bei gleichzeitiger Rückspeisung thermischer Energie in das Erdreich verwendet werden. Letzteres wird also erwärmt, wodurch bei Betrieb der Wärmepumpe mit dem Erdkollektor als Wärmequelle eine geringere Temperaturdifferenz im System vorherrscht, was die Effizienz erheblich steigert. Beide Kollektorsysteme ergänzen sich also im Wechselspiel auf optimale Weise.

In den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 sind bevorzugte Ausführungsformen der Versorgungsanlage angegeben, die in der Beschreibung des Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Die Erfindung betrifft im Übrigen auch den in der erfindungsgemäßen Thermo-Energie-Versorgungsanlage eingesetzten Erd-Kollektor, der in konstruktiv besonders einfacher Weise auf der Basis einer Fertigteil-Betonplatte als tragendem Element mit darin eingebetteten Wärmetransport-Fluidleitungen ausgeführt ist. Dieser Erd-Kollektor ist dabei aufgrund seiner robusten Ausführung auf besonders rationelle Weise in einen baggerbaren Graben einzubringen, was keinen Personeneinsatz im Graben selbst bedingt. Letzterer kann also ohne die üblichen Personenschutzmaßnahmen, wie die Einhaltung maximaler Böschungswinkel, erstellt werden.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Thermo-Energie-Versorgungsanlage und des dabei eingesetzten Erd-Kollektors anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

1 einen schematischen Vertikalschnitt durch ein Gebäude mit dem angrenzenden Grundstück,

2 einen Grundriss zweier benachbarter Doppelhaus-Grundstücke,

3 einen schematischen Längsschnitt durch einen Erd-Kollektor,

4 einen schematischen Querschnitt durch den Erdkollektor gemäß 3,

5 einen schematischen Längsschnitt durch ein beheizbares Wandplattenelement, und

6 einen Querschnitt des Wandplattenelements gemäß 5.

1 zeigt ein mehrgeschossiges Wohngebäude 1 mit Keller 2, Erdgeschoss 3, zwei Obergeschosse 4, 5 und einem Dach 6. Die Außenwände 7 und Decken 8 können in üblicher Bautechnik, beispielsweise in Massiv-Ziegelbauweise und als Vollbeton-Fertigdecke erstellt sein.

Das Wohngebäude 1 ist mit einer als Ganzes mit 9 bezeichneten Thermo-Energie-Versorgungsanlage ausgerüstet. Unter dieser Sammelbezeichnung soll dabei ein System verstanden werden, mit dessen Hilfe das Wohngebäude der Jahreszeit entsprechend beheizt und optional auch in der heißen Jahreszeit gekühlt werden kann. Der Fluss der thermischen Energie kann also abhängig davon zum Wohngebäude hin oder auch weg davon gerichtet sein.

Kernstück der Versorgungsanlage 9 ist eine im Hausanschlussraum 10 installierte Wärmepumpe 11, die über einen ersten Leitungskreislauf- dem Dach-Kollektor-Kreislauf 12 – mit einem auf dem Dach 6 montierten Dach-Kollektor 13 verbunden ist. Dieser Dach-Kollektor 13 ist ein sogenannter Massiv-Kollektor, der auf der Basis einer selbsttragenden Beton-Dachplatte 14 konstruiert ist, in die (nicht dargestellte) Heizschlangen des Dach-Kollektor-Kreislaufes 12 eingebracht sind. Die Dachplatte 14 ist ferner mit einer photovoltaisch wirksamen Abdeckfolie auf ihrer Oberseite versehen, sodass der Dach-Kollektor 13 auch als Photovoltaik-Anlage 15 zur Stromerzeugung dient. Die erzeugte elektrische Energie kann beispielsweise zum Betrieb der Wärmepumpe 11 verwendet oder in das öffentliche Netz eingespeist werden.

Die Thermo-Energie-Versorgungsanlage 9 ist ferner mit einem im Erdreich 16 versenkten Erd-Kollektor 17 versehen, der über einen zweiten Leitungskreislauf – den Erd-Kollektor Kreislauf 18 – ebenfalls mit der Wärmepumpe 10 gekoppelt ist. Dach- und Erdkollektor-Kreisläufe 12, 18 sind über eine Weiche 19 gekoppelt, die nach Art eines universellen Drei-Wege-Ventils arbeitet, sodass alle Zu- und Abgänge selektiv schaltbar und verbindbar sind. Beide Kreisläufe 12 und 18 laufen zwischen der Weiche 19 und der Wärmepumpe 11 über den gleichen Leitungsstrang 20.

Wie aus 2 deutlich wird, können mehrere Erd-Kollektoren 17 in einem Grundstück angeordnet und jeweils einer Hälfte eines Doppelhauses 21 zugeordnet werden.

Wie aus den 1, 3 und 4 deutlich wird, ist der Erd-Kollektor 17 als vertikal in das Erdreich eingelassene Fertigteil-Betonplatte 22 mit direkt darin eingebetteten, spiralig verlaufenden Wärmetransport-Fluidleitungen 23 ausgebildet. Letztere stehen mit Anschlussstutzen 24 über das Betonplattenmaterial 22 zur Anbindung an den Erd-Kollektor-Kreislauf 18 hinaus.

Wie aus 4 deutlich wird, ist die Betonplatte 22 des Erd-Kollektors 17 zur Stabilisierung mit einer Bewehrung 25 sowie mit an der oberen langen Schmalseitenkante der Betonplatte 22 hinausstehenden Transportankern 26 zum Einhängen eines Kran-Hebezeuges versehen.

Die Dimensionen des Erd-Kollektors 17 können in der Länge bis zu 12 m und in der Höhe bis über 3 m betragen. Die Dicke der Betonplatte 22 liegt bei 15–20 cm.

Anhand von 4 ist die Setzweise des Erd-Kollektors 17 zu erläutern. Dafür ist ein Graben 27 der Breite einer schmalen Baggerschaufel, beispielsweise 60 cm, im Erdreich 16 einzubringen. Der Erd-Kollektor 17 mit seiner langgestreckten rechteckigen Plattenform (3) wird dann so in den Graben 27 eingesetzt, dass die Einbauposition der Hauptebene der Betonplatte 22 vertikal und die lange Achse der Platte horizontal liegen. Der Graben hat dabei eine solche Tiefe, dass die Oberkante der Betonplatte 22 einen Abstand von deutlich über 1 m von der Geländeoberkante 28 aufweist.

Der so gesetzte Erd-Kollektor 17 wird an den Erd-Kollektor-Kreislauf 18 angeschlossen. Anschließend wird der Zwischenraum zwischen den Wänden des Grabens 27 und dem Erd-Kollektor 17 mit Beton 29 (oder einem anderen bindigen Boden) hinterfüllt. Der Graben 27 dient also als verlorene Schalung für das Einfüllen des als Stütz- und Füllmaterial dienenden Betons 29. Das oberhalb des Erd-Kollektors 17 verbleibende Grabenvolumen wird mit einem bauüblichen Füllmaterial und einer Mutterbodenabdeckung geschlossen.

Zur Klimatisierung des Wohngebäudes 1 ist – wie aus den 1, 5 und 6 deutlich wird – zum einen eine übliche Fußbodenheizung 30 in allen Geschossen 3, 4, 5 vorgesehen. Diese ist kombiniert mit einem weiteren System zur Wandheizung bzw. -kühlung auf der Basis von die Innenwände bildenden Wandelemente 31. Diese bestehen gemäß 5 und 6 aus einem plattenförmigen Beton-Fertigteil, in das wiederum Wärmetransport-Fluidleitungen 32 in spiraliger Anordnung eingebettet sind. In einem eckseitigen Wanddurchbruch 33 stehen die Leitungen 32 mit Anschlussstutzen 33 zur Anbindung an die nicht näher dargestellten Heizleitungen hervor. Die Wärmetransport-Fluidleitungen 32 erstrecken sich ferner nicht über die gesamte Höhe des Wandelements 31, sondern es bleibt oben eine leitungsfreie Streifenzone 34, die als Freiraum für bauseitige Installationen und Bohrungen dient. Auch das Wandelement 31 ist analog der Betonplatte 22des Erd-Kollektors 17 mit einer Bewehrung 35 und Transportankern 36 versehen.

Im Folgenden ist nun die jahreszeitlich abhängige Steuerung und Fahrweise der Thermo-Energie-Versorgungsanlage zu erläutern.

So wird im Winterbetrieb der Dach-Kollektor-Kreislauf 12 komplett abgekoppelt und lediglich der Erd-Kollektor-Kreislauf 18 zum Erd-Kollektor 17 hin mit einem Wärmetransport-Fluid (Sole) beschickt. Im Erd-Kollektor 17 wird die im Erdreich gespeicherte Sonnenenergie aufgenommen und zur Wärmepumpe 11 transportiert. Dort wird die thermische Energie entzogen und zur Beheizung des Wohngebäudes 1 über die Fußbodenheizung 30 und die Flächenheiz-Wandelemente 31 verwendet. Die Photovoltaik-Anlage 18 auf den Dach-Kollektoren 13 ist in Betrieb und kann – wie oben bereits erwähnt – die elektrische Energie zum Betrieb der Wärmepumpen liefern.

In der sogenannten Übergangszeit (Frühling/Herbst) werden Dach-Kollektor-Kreislauf 12 und Erd-Kollektor-Kreislauf 18 durch die Weiche 19 seriell geschaltet, sodass das regenerierte Wärmetransport-Fluid von der Wärmepumpe 11 über die Steigleitung 37 zum Dach-Kollektor 13, von dort zum Erd-Kollektor 17 und zurück zur Wärmepumpe 11 gepumpt wird. Im Dach-Kollektor 13 wird die kalte Sole durch die auf den Dach-Kollektor 13 wirkende Sonneneinstrahlung oder durch außenluft-bedingte Erwärmung etwas aufgeheizt. Je nach erreichter Temperatur gibt die Sole im Erd-Kollektor 17 entweder überschüssige Energie an das Erdreich ab oder wird zusätzlich erwärmt. Das Erdreich 16 dient also als Pufferspeicher für thermische Energie, die an kälteren Tagen eine höhere Temperatur des Erdreiches 16 bedingt. Damit kann eine erhöhte Entzugsleistung an solchen kälteren Tagen erreicht werden. Ein weiterer Effekt der Energieeinspeisung in das Erdreich ist die schnellere Regeneration der in den Wintermonaten abgekühlten Erde.

Die von Dach- und Erd-Kollektor 13, 17 auf eine erhöhte Temperatur gebrachte Sole läuft schließlich vom Erd-Kollektor zur Wärmepumpe 11 zurück, wo ihr die eingespeicherte Energie entzogen wird. Je nach Bedarf findet dann auch in der Übergangszeit eine Beheizung des Wohngebäudes 1 über die Fußbodenheizung 30 und die Wandelemente 31 statt.

Im Sommerbetrieb kann die gesamte Thermo-Energie-Versorgungsanlage 9 auch zur Kühlung des Wohngebäudes dienen. Es sind wiederum die beiden Kreisläufe 12, 18 seriell geschaltet. Die kühle Sole fließt von der Wärmepumpe 11 durch den Dach-Kollektor 13 und wird dort aufgeheizt. Damit wird das Wohngebäude 1 selbst weniger mit thermischer Energie beaufschlagt, es bleibt somit kühler.

Die aufgeheizte Sole wird wiederum zum Erd-Kollektor 17 weitergepumpt, wo sie durch Abgabe von thermischer Energie an das Erdreich 16 wieder abkühlt. Die Erde wird durch diesen Effekt thermisch „aufgeladen" und kann somit als Wärmespeicher für die anschließende Heizperiode dienen.

Zusammenfassend weist die erfindungsgemäße Thermo-Energie-Versorgungsanlage eine Vielzahl von Vorteilen auf, die wie folgt zu umreißen sind:

  • – Durch die Energieaufladung und Regeneration des Erdreiches im Sommer wird die Entzugsleistung der Wärmepumpe 11 im Winter erhöht. Bekannte Systeme arbeiten nicht mit einer solchen Wärmerückführung in den Sommermonaten.
  • – Durch den Wärmeentzug am Dach und die Abkühlung der als Wärmetransport-Fluid dienenden Sole im Erd-Kollektor kann eine passive Kühlung des Wohngebäudes 1 im Sommer erzeugt werden. Dazu genügt es, zwischen die beiden Kreisläufe 12, 18 einen Wärmetauscher zu setzen, die aus dem Stand der Technik bekannt und in der Praxis erprobt sind. Das gesamte System dient also nicht nur zur Heizung, sondern auch Kühlung des Gebäudes, sodass insgesamt von einer Temperierung der Heiz-, Kühl- bzw. Brauchwasserkreisläufe im Wohngebäude 1 gesprochen werden kann.
  • – In den Sommermonaten wird dem Dach-Kollektor 13 Energie entzogen, was die Leistungsfähigkeit der Photovoltaik-Anlage 15 erhöht. Insoweit wird also durch den Dach-Kollektor 13 eine Doppelfunktion erfüllt.


Anspruch[de]
Thermo-Energie-Versorgungsanlage zur Temperierung von Heiz-, Kühl- und/oder Brauchwasser-Kreisläufen in Gebäuden, gekennzeichnet durch

– eine Wärmepumpe (11),

– einen Dach-Kollektor (13),

– einen mit Wärmepumpe (11) und Dach-Kollektor (13) koppelbaren Dach-Kollektor-Kreislauf (12) für ein Wärmetransport-Fluid,

– einen im Erdreich (16) versenkbaren Erd-Kollektor (17),

– einen mit Wärmepumpe (11) und Erd-Kollektor (17) koppelbaren Erd-Kollektor-Kreislauf (18) für ein Wärmetransport-Fluid, und

– eine Weiche (19) zwischen Dach- und Erd-Kollektor-Kreislauf (12, 18) zur jahreszeitlich abhängigen Steuerung der Kreisläufe (12, 18) insbesondere zur Wärmerückführung in das Erdreich (16).
Thermo-Energie-Versorgungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dach-Kollektor (13) ein Massiv-Kollektor auf der Basis einer selbstragenden Beton-Dachplatte (14) ist. Thermo-Energie-Versorgungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dach-Kollektor (13) mit einer Photovoltaik-Anlage (15) kombiniert ist. Thermo-Energie-Versorgungsanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Erd-Kollektor (17) aus einer vertikal in das Erdreich (16) eingelassenen Fertigteil-Betonplatte (22) mit direkt eingebetteten Wärmetransport-Fluidleitungen (23) gebildet ist. Thermo-Energie-Versorgungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Erd-Kollektor (17) in einem baggerbaren Graben (27) versenkbar ist, der in Versenkposition des Erd-Kollektors (17) als verlorene Schalung zumindest teilweise mit einem Stütz- und Füllmaterial (29) zur Stabilisierung des Erd-Kollektors (17) und zum Wärmeübertrag zwischen diesem und dem Erdreich (16) verfüllbar ist. Thermo-Energie-Versorgungsanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Temperierung des Gebäudes (1) Flächentemperiersysteme, insbesondere eine Fußboden-Heizung/-Kühlung (30) und/oder eine Wandheizung/-Kühlung (31), vorgesehen sind, die mit Dach- und/oder Erd-Kollektor-Kreislauf (12, 18) zumindest mittelbar koppelbar sind. Thermo-Energie-Versorgungsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebäudewände zur Gebäudetemperierung als Betonfertigteile (31) mit eingebetteten Temperierfluid-Leitungen (32) ausgebildet sind. Erd-Kollektor, insbesondere zur Verwendung in einer Thermo-Energie-Versorgungsanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mit ihrer Hauptebene vertikal in das Erdreich (16) versenkbare Fertigteil-Betonplatte (22) als tragendes Element, in die Leitungen (23) für ein Wärmetransport-Fluid eingebettet sind. Erd-Kollektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebetteten Leitungen (23) über Anschluss-Stutzen (24), die über die Fertigteil-Betonplatte (22) hinausstehen, mit einer Wärmetransport-Fluidleitung, insbesondere mit dem Erd-Kollektor-Kreislauf (18) verbindbar sind. Erd-Kollektor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fertigteil-Betonplatte (22) eine langgestreckt rechteckige Plattenform aufweist, wobei in Einbauposition die Hauptebene der Platte (22) vertikal und die lange Achse der Platte (22) horizontal liegen.






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