Die Erfindung betrifft ein Warmwasserspeicher-Beladungsverfahren an einem gebäudeseitigen Fernwärmeanschluss mit einem Fernwärmevorlauf und einem Fernwärmerücklauf und einem Warmwasserspeicher mit einem Fernwärmewärmetauscher, wobei ein Teil der über den Fernwärmevorlauf angelieferten Fernwärme über den Fernwärmetauscher des Warmwasserspeichers an zu erwärmendes Wasser abgegeben wird.

Ferner betrifft die Erfindung eine Warmwasserspeicher-Beladungsanordnung an einem Fernwärmeanschluss mit einem Fernwärmevorlauf und einem Fernwärmerücklauf und einem Warmwasserspeicher mit einem Fernwärmewärmetauscher, wobei der Warmwasserspeicher mit dem Fernwärmetauscher und einen Warmwasserspeicherbeladungswärmetauscher ausgebildet ist, und ein Arbeitsmedium als Wärmeübertragungsmedium durch den Warmwasserspeicherbeladungswärmetauscher zirkulierbar vorgesehen ist.

Weiter betrifft die Erfindung eine kompakte, thermisch angetriebene, kompressorlose Warmwasserspeicherbeladungs-Wärmepumpe zum Einsatz in an Fernwärmenetze angeschlossene Mehrfamilien- oder Mehrparteiengebäude zur dezentralen Fernwärmerücklaufauskühlung und Beladung des Trinkwarmwasserspeichers.

Wärmenetze gelten als Schlüsseltechnologie für eine dekarbonisierte Wärmeversorgung. Unterschiedliche Technologien zur CO ₂ - Reduktion, wie z.B. Geo- und Solarthermie, Großwärmepumpen oder Abwärmenutzung, lassen sich kombiniert einbinden. Gleichzeitig wird eine Wärmespeicherfunktion übernommen, um die notwendige Flexibilität für die Transformation zu einer „energiewendetauglichen Wärmeversorgung“ bereitzustellen. Neben der Erhöhung des Anteils an erneuerbaren Energien in der Wärmeversorgung und dem Aufbau neuer Wärmenetze ist es ein Ziel, die bestehenden Wärmenetze zu modernisieren. Als Modernisierung zählt auch die Rücklaufauskühlung. Aufgrund von Übertragungsverlusten ist es besser, den Rücklauf an vielen Stellen dezentral auszukühlen als an zentraler Stelle.

Die Absenkung von Rücklauftemperaturen ist eine Grundvoraussetzung für eine optimierte Fernwärmeversorgung der 4. Generation bzw. für eine hohe energetische Effizienz der verschiedenen Wärmequellen sowie eine hohe Effizienz und Kapazität der Wärmespeicher. Schätzungsweise gehen in den deutschen Fernwärmewasser- und Fernwärmedampfnetzen mit seiner ca. 2100 km Trassenlänge 12 % an Wärme ungenutzt verloren, das entspricht etwa 38,2 PJ. Um die ungenutzten Wärmemengen von Nah- und Fernwärmenetzen zu reduzieren, werden die Rücklauftemperaturen an den dezentralen Übergabestationen oft mit Hilfe der jeweiligen/örtlichen technischen Anschlussbedingungen (TAB) auf 40°C oder geringer begrenzt, wobei oftmals das arithmetische Mittel der Messwerte des Wärmezählers über einen Zeitraum von einer Woche ϑ < 40 °C betragen soll. Die Einhaltung dieser niedrigen Rücklauftemperaturen stellt bei der Gebäudebeheizung dank der modernen Niedrigtemperaturheizsysteme kein Problem dar.

Zu hohe Rücklauftemperaturen können bei der Fernwärmeversorgung von Wohngebäuden hingegen durch die Beladung von Warmwasserspeichern auftreten: aus hygienischen Gründen (Prävention von Legionellenwachstum) muss am Warmwasseraustritt eine Temperatur von >

60 °C eingehalten werden können und im gesamten System darf eine Temperatur von 55 °C nicht unterschritten werden, entsprechend DVGW Arbeitsblatt W 551/2004.

Wenn keine Warmwasserabnahme erfolgt und der Speicher nur nachgeladen wird (Nachheizbetrieb), können die vorgeschriebenen niedrigen Rücklauftemperaturen in der Praxis unter den genannten Bedingungen schwer realisiert werden.

Als technische Alternative zur Speicherbeladung aus dem Wärmenetz käme eine elektrische Beheizung in Betracht. Ein entsprechendes Gerät gilt rechtlich jedoch als eigene Wärmeerzeugungsanlage und ist insbesondere in aus erneuerbaren Energien gespeisten Fernwärmenetzen aufgrund der Abnahmeverpflichtung i.d.R. durch die TAB ausgeschlossen. Gleiches gilt für elektromotorisch betriebene Wärmepumpen, die überschüssige Wärme aus dem Rücklauf zur Speicherbeheizung nutzen könnten.

Die Verwendung von Wärmepumpen in Fernwärmesystemen gilt allgemein als eine der meistversprechenden Technologien, um die energetische Effizienz zu verbessern und den Klimazielen für die Zukunft näher zu kommen. Bei der integralen Planung von intelligenten urbanen Energiesystemen der Zukunft nehmen Wärmepumpen mit ihrer Dimensionierung und Steuerung eine einzigartige Rolle als Teil des ganzheitlichen Ansatzes ein. Die Einsatzmöglichkeiten für Wärmepumpen in Energiesystemen liegen auf der Hand: die Verknüpfung zwischen elektrischem mit dem Heiz- und Kühlsektor verbessert die Energieeffizienz und die Flexibilität des Strom- und Wärmenetzes.

Im druckschriftlichen Stand der Technik wird in dem „Taschenbuch für HEIZUNG + KLIMATECHNIK“ von Recknagel, Sprenger, Albers Band 2, 2015/2016 eine Wärmepumpenanwendung zur Erschließung des Energiepotentials von Stallluft (S. 2047) beschrieben. Ferner wird außerdem beschrieben Wärme von Kältemaschinen (für die Kühlung in Molkereien) zur Beladung eines Warmwasserspeichers nutzbar zu machen, wobei diese quasi altbekannten Grundschemata einer prinzipiellen Warmwasserversorgung sind, die durch elektrisch betriebene Wärmepumpen in Kombination mit verschiedenen Warmwasserspeichern realisiert werden können.

Aus der Veröffentlichung „Wärmepumpen in der Heizungstechnik - Praxishandbuch für Installateure und Planer“ von Ochsner in der 3. Auflage vom10.10.2006 ist exemplarisch die generelle Eignung von Wärmepumpen für die Abwärmenutzung oder für Niedrig-Temperatur- Fernwärme bekannt.

Weiter ist aus der WO 2016/066154 A1 eine Wärmepumpe bekannt, die eine Kondensatoreinheit zur Abgabe von Wärmeenergie eines ersten Wärmeträgermediums an eine Wärmesenke umfasst, weiter noch eine Drosseleinheit zur Entspannung und Abkühlung des ersten Wärmeträgermediums, eine Verdampfereinheit zur Aufnahme von Wärmeenergie aus einer Wärmequelle und eine Kompressoreinheit zur Verdichtung des ersten Wärmeträgermediums aufweist, wobei die Kompressoreinheit und die Kondensatoreinheit gemeinsam durch ein Fallrohr und die Drosseleinheit und die Verdampfereinheit gemeinsam durch ein Steigrohr gebildet ist, wobei das Fallrohr und das Steigrohr zu einem in sich geschlossenen Zirkulationsrohr verbunden sind. Diesbezüglich sind Wärmepumpen bekannt, die im Wesentlichen aus einem Kondensator, einem Verdampfer und dazwischen einem Kompressor und einer Drossel bestehen, wobei es erforderlich ist, beim Kompressor Energie aufzuwenden, um die Funktion der Anlage zu realisieren. Dies kann alternativ durch die Gravitation erfolgen, aufgrund derer bei einer Wärmemediensäule eine Kompression bereits eintritt, so dass auf eine Zufuhr äußerer Energie verzichtet werden kann. Ausgenutzt wird vielmehr die in der Natur vorhandene Wärme- und Lageenergie, um die Wärmepumpe zu betreiben.

Die Druckschrift EP 2 778 541 A1 offenbart ein Rohrleitungssystem mit einem ersten Wärmerohrsystem, das ein erstes Ende aufweist, das mit einer Fernwärmenetz- Vorlaufübergabestation verbindbar ist, und das ein zweites Ende aufweist, das mit einer Fernwärmenetz-Rücklaufübergabestation verbindbar ist, wobei das erste Wärmerohrsystem einen ersten Wärmetauscher als Wärmeübertragungsmittel umfasst, über dessen Primärseite das erste Ende des Wärmerohrsystems mit dem zweiten Ende des Wärmerohrsystems fluidverbunden ist, so dass ein erstes Wärmeträgermedium vom ersten Ende des Wärmerohrsystems zum zweiten Ende des Wärmerohrsystems passieren kann, und wobei das Rohrleitungssystem zudem ein zweites Wärmerohrsystem umfasst, das von dem ersten Wärmerohrsystem fluidgetrennt ist, wobei das zweite Wärmerohrsystem mit dem ersten Wärmetauscher über dessen Sekundärseite fluidverbunden ist, so dass das zweite Wärmerohrsystem mittels Wärme aus dem ersten Wärmerohrsystem erwärmt werden kann, und dem ersten Wärmeträgermedium im ersten Rohrsystem in einem Rohrleitungsabschnitt, der primärseitig den ersten Wärmetauscher mit dem zweitem Ende des ersten Wärmerohrsystems fluidverbindet, durch einen zweiten Wärmetauscher Wärme entzogen werden kann, um das zweite Wärmeträgermedium im zweiten Wärmerohrsystem zu erwärmen, schon bevor das zweite Wärmeträgermedium durch den ersten Wärmetauscher erwärmt wird. Das zweite Wärmerohrsystem weist einen Wärmeträgermedium-Pufferspeicher für das zweite Wärmeträgermedium auf, in dem das zweite Wärmeträgermedium durch den zweiten Wärmetauscher erwärmt werden kann, wodurch der Primärrücklauf auskühlt. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erwärmen eines zweiten Wärmeträgermediums eines zweiten Wärmerohrsystems eines Rohrleitungssystems, bei dem über einen zweiten Wärmetauscher einem ersten Wärmeträgermedium, das durch ein erstes Wärmerohrsystem strömt, Restwärme entnommen wird, um das zweite Wärmeträgermedium in einem Wärmeträgermedium- Pufferspeicher zu erwärmen, wobei das erste Wärmeträgermedium zu diesem Zeitpunkt bereits einen in seinem Strömungsweg stromaufwärts angeordneten ersten Wärmetauscher zum Erwärmen des Wärmetransportmediums im zweitem Wärmerohrsystems passiert hat.

Zudem zeigt die Druckschrift DE 102019008 767 A1 eine Temperiervorrichtung zum Temperieren von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem ein Kühlmedium führenden Kreislaufsystem mit zwei Kreislaufteilen, wobei in einem ersten Kreislaufteil ein mit dem Kühlmedium durchströmbarer erster Wärmetauscher, mittels welchem Wärme zwischen dem Kühlmedium und der Ladeluft übertragbar ist, eingangsseitig mit einer Fördervorrichtung zur Förderung des Kühlmediums und ausgangsseitig mit einer Druckseite eines Ejektors fluidisch gekoppelt ist, in einem strömungstechnisch parallel zu dem ersten Kreislaufteil geschalteten zweiten Kreislaufteil ein zweiter Wärmetauscher, mittels welchem Wärme zwischen dem Kühlmedium und der Ladeluft übertragbar ist, eingangsseitig mit einem Expansionsventil und ausgangsseitig mit einer Saugseite des Ejektors fluidisch gekoppelt ist und in Strömungsrichtung nach einem Ausgang des Ejektors ein von dem Kühlmedium durchströmbarer dritter Wärmetauscher fluidisch mit dem Ejektor gekoppelt ist und sich das Kreislaufsystem in Strömungsrichtung unmittelbar nach dem dritten Wärmetauscher an einer Abzweigung in den ersten Kreislaufteil und zweiten Kreislaufteil aufteilt. Erfindungsgemäß umfasst der Ejektor eine Treibdüse mit einem Treibdüsenausgang mit einem variabel einstellbaren Querschnitt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung, insbesondere eine thermisch angetriebene Speicherbeladungswärmepumpe aufzuzeigen, die es ermöglicht, den Gebäuderücklauf in Wärmenetzen ohne zusätzlichen großen Energiebedarf auszukühlen und die Wärme auf einem höheren Temperaturniveau für einen Warmwasserspeicher nutzbar zu machen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung kann darin gesehen werden, insbesondere eine stabile Speichermindesttemperatur / Legionellenprävention, Rücklauftemperaturbegrenzung und Verzicht auf eigene Wärmeerzeugungsanlage zu ermöglichen.

Eine weitere Aufgabe kann darin gesehen werden, in Wärmenetzen, die vorwiegend aus erneuerbaren Energien gespeist werden und bei denen die Gemeinde einen Anschluss- und Benutzungszwang begründen kann (der sich aus der Gemeindeordnung ergibt oder § 109 - Gebäudeenergiegesetz (GEG)), und in denen ein Einsatz elektrisch betriebener Wärmepumpen zur Beheizung von Trinkwarmwasserspeichern oftmals nicht möglich ist, ein Verfahren und eine Anordnung bereit zu stellen, die keinen zusätzlichen Energiebedarf zur Anhebung des Temperaturniveaus des Rücklaufs zur Speicherbeheizung aufweisen.

Gelöst wird bzw. werden diese Aufgabe(n) mit einem Warmwasserspeicher- Beladungsverfahren gemäß Hauptanspruch und weiter mit einer Warmwasserspeicher- Beladungsanordnung gemäße nebengeordnetem Anspruch sowie einer Warmwasserspeicher- Beladungs- Wärmepumpe.

Verfahrensgemäß ist das Warmwasserspeicher-Beladungsverfahren an einem Fernwärmeanschluss mit einem Fernwärmevorlauf und einem Fernwärmerücklauf und einem Warmwasserspeicher mit einem Fernwärmewärmetauscher eingesetzt, wobei ein Teil der über den Fernwärmevorlauf angelieferten Fernwärme über den Fernwärmetauscher des Warmwasserspeichers an zu erwärmendes Wasser abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermisch angetriebene Warmwasserspeicher- Beladungswärmepumpe Wärme über ein Arbeitsmedium aus dem Fernwärmevorlauf über einen Fernwärmevorlaufwärmetauscher und aus dem Fernwärmerücklauf über einen Fernwärmerücklaufwärmetauscher für die Beladung eines Warmwasserspeichers entzieht, wobei die thermisch angetriebene Warmwasserspeicher-Beladungswärmepumpe mit:

- einem Antriebskreislauf über den Fernwärmevorlaufwärmetauscher Wärmeenergie aus dem hohen Temperaturniveau des Fernwärmevorlaufs entnimmt und ein Druckvolumenstrom in dem Antriebskreislauf erzeugt wird, der über eine in dem Antriebskreislauf angeordnete Venturi-Düse und weiter zum Warmwasserspeicher geführt wird, und

- einem Wärmepumpenkreislauf über den Fernwärmerücklaufwärmetauscher Wärmeenergie aus dem niedrigen Temperaturniveau des Fernwärmerücklaufs entnimmt, wobei dieser Teilstrom über das Abnahmerohr der Venturi-Düse bewegt wird und zusammen mit dem Druckvolumenstrom in einem gemeinsamen Volumenstrom über einen Warmwasserspeicherbeladungswärmetauscher geführt wird, wobei die entnommene Wärme an das Warmwasser abgegeben wird, wobei im Anschluss an den Warmwasserspeicherbeladungswärmetauscher das Arbeitsmedium in den Antriebskreislauf und den Wärmepumpenkreislauf aufgeteilt und zirkuliert wird.

Beim Zusammenführen der Teilströme des Arbeitsmediums in der Venturi-Düse erfolgt in einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante insbesondere eine Kondensation dessen bei mittlerer Temperatur zur Warmwasserspeicherbeladung.

Das Arbeitsmedium kann insbesondere besonders bevorzugt durch den Unterdrück an dem Abnahmerohr zur Verdampfung gebracht werden, wobei die notwendige Wärme aus dem Fernwärmerücklauf in dem Fernwärmerücklaufwärmetauscher entnommen wird, wobei der Fernwärmerücklauf aus auf wenigstens unter 40°C oder auf 30 bis 40°C ausgekühlt wird.

In einer Variante kann bevorzugt nach dem Durchströmen des

Warmwasserspeicherbeladungswärmetauschers das Arbeitsmedium in einem Tank gesammelt werden.

Weiter kann das Arbeitsmedium in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung mit einer Pumpe oder einer Kondensatpumpe in den Wärmepumpenkreis gepumpt werden.

Anordnungsgemäß ist die Warmwasserspeicher-Beladungsanordnung an einem Fernwärmeanschluss mit einem Fernwärmevorlauf und einem Fernwärmerücklauf und einem Warmwasserspeicher mit einem Fernwärmewärmetauscher, wobei der Warmwasserspeicher mit dem Fernwärmetauscher und einen Warmwasserspeicherbeladungswärmetauscher ausgebildet ist, und ein Arbeitsmedium als Wärmeübertragungsmedium durch den Warmwasserspeicherbeladungswärmetauscher zirkulierbar vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermisch angetriebene Warmwasserspeicher- Beladungswärmepumpe zur weiteren Wärmeentnahme aus dem Fernwärmevorlauf über einen Fernwärmevorlaufwärmetauscher und aus dem Fernwärmerücklauf über einen Fernwärmerücklaufwärmetauscher für die Beladung des Warmwasserspeichers über den Warmwasserspeicherbeladungswärmetauscher vorgesehen ist, wobei die thermisch angetriebene Warmwasserspeicher-Beladungswärmepumpe mit einer Venturi-Düse ausgebildet ist.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform ist die thermisch angetriebene Warmwasserspeicher-Beladungswärmepumpe weiter ausgebildet mit:

- einem Antriebskreislauf, über den Wärmeenergie über den Fernwärmevorlaufwärmetauscher aus Fernwärmevorlaufs entnehmbar ist und ein Druckvolumenstrom in dem Antriebskreislauf erzeugbar ist, wobei dieser über die in dem Antriebskreislauf angeordnete Venturi-Düse und weiter zum Warmwasserspeicher führbar ist, und

- einem Wärmepumpenkreislauf, über Wärmeenergie aus dem niedrigen Temperaturniveau des Fernwärmerücklaufs mittels dem Fernwärmerücklauf- Wärmetauscher entnehmbar ist, wobei dieser Wärmepumpenkreislauf über das Abnahmerohr der Venturi-Düse geführt ist und in der Venturi-Düse zusammen mit dem Druckvolumenstrom in einem gemeinsamen Volumenstrom über den Warmwasserspeicherbeladungswärmetauscher führbar ist, wobei die aus dem Fernwärmenetz entnehmbare Wärme an das Warmwasser abgebbar ist, wobei im Anschluss an den Warmwasserspeicherbeladungswärmetauscher das Arbeitsmedium in den Antriebskreislauf und den Wärmepumpenkreislauf zirkulierend aufgeteilt ausgebildet ist.

In einer Ausgestaltungsvariante kann ein Tank für das Arbeitsmedium nach dem Warmwasserspeicherbeladungswärmetauscher in Strömungsrichtung vorgesehen sein.

Weiter kann die Warmwasserspeicher-Beladungsanordnung in einer bevorzugten Ausgestaltung derart ausgebildet sein, dass

- eine Kondensatpumpe oder eine Pumpe in Strömungsrichtung in dem Antriebskreislauf und/oder

- eine Drossel in dem Wärmepumpenkreislauf vor dem Fernwärmerücklaufwärmetauscher vorgesehen ist bzw. sind.

Weiter ist eine Variante als Einheit beansprucht, wobei diese ausgebildet sein kann als kompakte, thermisch angetriebene, kompressorlose Warmwasserspeicherbeladungs- Wärmepumpe zum Einsatz in an Fernwärmenetze angeschlossene Mehrfamilien- oder Mehrparteiengebäude zur dezentralen Fernwärmerücklaufauskühlung und Beladung des Trinkwarmwasserspeichers, entsprechend ausgebildet zur Umsetzung einer Warmwasserspeicher-Beladungsanordnung gemäß einer erfindungsgemäßen Anordnung und/oder ausgebildet zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Warmwasserspeicher- Beladungsverfahrens gemäß einem der erfindungsgemäßen Verfahren.

Die nachfolgenden Ausführungen sollen nicht als zwingend einschränkend für die Erfindung angesehen werden. Die Erläuterungen dienen jedoch der weiteren Darstellung der Erfindung und können beschränkende Ausführungen enthalten:

Die Erfindung erfüllt insbesondere eine stabile Speichermindesttemperatur/ Legionellenprävention, Rücklauftemperaturbegrenzung und den Verzicht auf eine eigene Wärmeerzeugungsanlage. Es handelt sich um eine thermisch angetriebene Wärmepumpe zur Warmwasserspeicherbeladung. Diese nutzt das hohe Temperaturniveau des Fernwärmevorlaufs, um in einem zweiten Kreislauf (Antriebskreislauf) einen Druckvolumenstrom zu erzeugen, der über eine Venturi-Düse einen geringeren Druck erzeugt, bei dem ein Teilstrom des Arbeitsmediums verdampft wird, sodass der Rücklauf aus der Speicherbeladungseinheit auf bspw. 30-40°C ausgekühlt wird. Die Niedertemperaturwärme aus dem Rücklauf wird somit recycelt. Nach der Zusammenführung der beiden Volumenströme des Arbeitsmediums in der Venturi-Düse, erfolgt die Kondensation bei einer mittleren Temperatur, die zur Speicherbeladung erforderlich ist. Für den Betrieb dieser Wärmepumpe bedarf es zur Wärmebereitstellung ausschließlich Hilfsenergie in Form von Pumpenenergie.

Der innovative Kern der Wärmepumpe besteht in der Verwendung eines natürlichen Kältemittels als Arbeitsmedium sowie in der Auslegung der verschiedenen Bauteile (Venturi- Düse, Entspannungsventil, Speisepumpe).

Die technische Auslegung des Gegenstandes der Erfindung, insb. für ein Fernwärme-System mit einem geschlossenen Kreislauf, der allein mit Hilfsenergie für die Kondensatpumpe auskommt und als eine regenerativ wirkende thermisch angetriebene Wärmepumpe arbeitet, geht neue Wege in dem Bemühen kosteneffektive, nachhaltige Systeme für den Markt bereitzustellen.

Ein weiterer Vorteil des derzeit erkennbaren erfinderischen Gegenstandes ist die Modularität in Bezug auf bestehende Anlagenkonzepte durch eine ergänzende oder austauschbare Anbindung an bestehende Klimatisierungs-Systeme, wie sie z.B. in der Agrarwirtschaft mit Gewächshäusern, Produktionsbetrieben mit Blockkraftheizwerken oder dergleichen eingesetzt werden.

Der Gegenstand der Erfindung erschließt sich damit auch neue nachhaltige Arbeitsfelder abseits der reinen Anwendung für Fernwärme-Systeme und sollte daher in Bezug auf die Anwendung offen verfolgt werden.

Die Speicherbeladungswärmepumpe ist besonders für Akteure aus der Immobilienwirtschaft interessant, die größere Wohngebäude oder Wohngebäudekomplexe betreiben.

Die Auswahl an geeigneten Verfahren wirkt sich dabei vorteilhaft auf die Kosten für einen Betrieb einer derartigen Vorrichtung aus.

Beispielsweise ist ein Absorberprozess, wie er zum thermischen Antrieb von Kühlanlagen verwendet wird, theoretisch ebenfalls nutzbar. Da der Wirkungsgrad aufgrund der gemeinsamen thermischen Nutzung des Antriebs- und des Verdampferkreises von untergeordneter Bedeutung ist, sind die spezifischen Kosten jedoch mit > 300 €/kW für die Anwendung deutlich zu hoch.

Exemplarisch ist es unter anderem angedacht, dass die Beladungsvorrichtung zunächst eine Leistung von insgesamt etwa 1 kW bereitstellen soll, um einen Warmwasserspeicher mit 300 L Volumen in etwa 30 Minuten von 55°C auf 60°C zu erhitzen. Sie soll dabei äußerst preiswert (< 500 €) bspw. aus Schwarzstahl oder Edelstahl geschweißt zu produzieren sein. Zudem soll die Einheit eine kompakte Bauweise aufweisen, sodass sie sich in Bestandsgebäude integrieren lässt und sie soll möglichst wenig bis gar keine Hilfsenergie benötigen. Weiter sind auch leistungsstärkere Einheiten für größere Gebäude möglich.

Es ist eine Vorrichtung anvisiert, die eine Rücklaufauskühlung bei der Speicherbeladung allein mit Hilfsenergie für die Kondensatpumpe zur Wärmebereitstellung ermöglicht. Die Vorrichtung kommt dabei ohne mechanischen Kompressor / Verdichter aus und kann bevorzugt selbstregulierend und wartungsarm realisiert werden. Das einzige mechanische Bauteil ist in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung eine Kondensatpumpe zur Speisung des Hochtemperatur-Verdampfers im Antriebskreis. Die Leistung dieser Pumpe ist nennenswert, aber im Vergleich zur Wärmeleistung klein. Abb. 1 im Weiteren zeigt das Schema der Wärmepumpe. Als Kernstück ist insbesondere eine Venturi-Düse zum Antrieb des Wärmepumpenkreises zu sehen.

Die Erfindung beinhaltet insbesondere eine kompakte, thermisch angetriebene Wärmepumpe zur Rücklaufauskühlung von Wärmenetzen, welche idealerweise mit einem nicht-fluorierten, natürlichen Kältemittel betrieben wird. Die Neuheit der technologischen Erfindung beruht im Speziellen neben der Beschränkung auf reine Hilfsenergie für die Kondensatpumpe, dank des Einsatzes einer Venturi-Düse zur Erzeugung des zur Verdampfung des Arbeitsmediums benötigten Unterdrucks, unter anderem auf der Nutzung von Arbeitsmedien mit möglicherweise natürlichem Vorkommen und / oder bislang geringer Verbreitung im technischen Einsatz.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Abbildungen in der Abbildungsbeschreibung beschrieben, wobei diese die Erfindung erläutern sollen und nicht zwingend beschränkend zu werten sind:

Es zeigen:

Abb. 1 eine Darstellung der thermisch angetriebenen Speicherbeladungs-Wärmepumpe als schematische Zeichnung, Kennzahlen am Beispiel des Arbeitsmediums Propan (R-290);

Abb. 2 ein Druck-Enthalpie-Diagramm für Propan und

Abb. 3 das Verhalten von Propan, Butan und einem Gemisch.

In Abb. 1 ist eine Darstellung der thermisch angetriebenen Speicherbeladungs-Wärmepumpe als schematische Zeichnung, Kennzahlen am Beispiel des Arbeitsmediums Propan (R-290).

Der in ein Gebäude eintretende Fernwärmeanschluss weist einen Fernwärmevorlauf und einen Fernwärmerücklauf auf. In einer ersten Schleife wird die Fernwärme durch einen Fernwärmewärmetauscher zu der hier dargestellten Warmwasserspeichereinheit geführt, um so das Warmwasser zu beladen, also es zu erwärmen. Die Fernwärme ist die Energiequelle.

Weiter ist dann zusätzlich ein Fernwärme-Vorlauf-Wärmetauscher im Fernwärmevorlauf vorgesehen. Und zusätzlich ist ein Fernwärme-Rücklauf-Wärmetauscher im Fernwärmerücklauf vorgesehen.

Die jeweilig angeordneten Wärmetauscher sind in zwei Kreisläufen integriert, in denen ein Arbeitsmedium zirkuliert. Dazu ist der Kreislauf mit dem Fernwärme-Rücklauf-Wärmetauscher der Wärmepumpenkreis und der Kreislauf mit dem Fernwärme-Vorlauf-Wärmetauscher der Antriebskreis.

Beide Kreise werden in einer Venturi-Düse zusammengeführt, wobei von dort beide Kreise gemeinsam durch einen als Kondensator hier dargestellten Wärmetauscher, dem Warmwasserspeicherbeladungswärmetauscher geführt werden.

Nach dem Durchströmen des Warmwasserspeicherbeladungswärmetauschers wird das Arbeitsmedium in einem Tank gesammelt und von dort wieder in die zwei Kreise ausgegeben, nämlich in den Wärmepumpenkreis und in den Antriebskreis.

Der Wärmepumpenkreis weist eine Drossel vor dem Fernwärme-Rücklauf-Wärmetauscher auf.

Durch diese Anordnung und das analoge Verfahren wird durch die Druckströmung durch die Venturi-Düse, erzeugt durch die Erwärmung des Arbeitsmediums in dem Fernwärme-Vorlauf- Wärmetauscher, ein Unterdrück im Bereich des Abnahmerohrs ausgebildet. Der Unterdrück sorgt dafür, dass das Arbeitsmedium im Wärmepumpenkreislauf im Bereich des Fernwärme- Rücklauf-Wärmetauschers verdampft und Energie aus dem Fernwärmerücklauf entzieht.

Die aufgenommene Wärme wird dann im Warmwasserspeicher durch Kondensation abgegeben.

Die in Abb.1 als Nummern von 1-6 eingezeichneten Zustandsänderungen der zwei Kreise der Wärmepumpe (Antriebs- und Wärmepumpenkreis) lassen sich auch im Druck-Enthalpie- Diagramm (Abb. 2) ablesen. Hierbei sind die Zustände als beispielhaft anzusehen.

Abb.2 zeigt ein Druck-Enthalpie-Diagramm für Propan.

Ausgehend vom flüssigen Zustand (1) auf der Siedelinie wird das Medium in zwei Ströme aufgeteilt. Ein Strom (Antriebs kreis) wird entlang des Pfeils per Pumpe auf ein höheres Druckniveau (2) gefördert und zur Verdampfung gebracht. Dabei sind die Pumpenleistung und Enthalpiezunahme unbekannt. Die Leistung der Pumpe berechnet sich wie folgt (Beispiel Propan): Speisepumpe:

Auf dem oberen Druck-/Temperaturniveau wird das Arbeitsmedium als Antrieb verdampft und bei (3) durch eine Venturi-Düse entspannt, wodurch der Druck im Wärmepumpenkreis sinkt. Im Wärmepumpenkreis wird das Arbeitsmedium von Zustand (1) aus entlang des Pfeils über ein Ventil auf den unteren Druck (5) isenthalp entspannt und dann auf dem unteren Druck- / Temperaturniveau unter Nutzung der Restwärme aus dem Speicherrücklauf verdampft (6). Beide Medienströme werden durch den Druck des Antriebskreises vereint auf mittlerem Temperaturniveau (4) unter Wärmeabgabe an den Warmwasserspeicher kondensiert und liegen daraufhin wieder im flüssigen Zustand (1) vor.

Unbekannte Parameter sind die Schräge der Pfeile (1) - (2) und (3) - (4) im Antriebskreis (oben für ein beispielhaftes Medium berechnet). Sie entsprechen einer Entropieabnahme und Enthalpiezunahme in der Venturi-Düse bzw. Pumpe. Für ideale Gase (isentrop, Verdichtung ohne Reibungsverlust) gilt folgende Entropiebilanz:

Entropiebilanz (Vereinfachung: Isentrop):

Für die Gleichung realer Gase wird (δv/dT) _p benötigt, alle weiteren Größen sind bekannt: Entropie als Funktion von T und p für reale Gase: ist die spezifische Wärmekapazität für das ideale Gas bei ρ ₀ und damit nur von der Temperatur abhängig.

Aus dem Druck-Enthalpie-Diagramm lässt sich ablesen, wieviel Wärme auf welchem Druck- /Temperaturniveau je kg Arbeitsmedium aufgenommen wird. Daraus ergibt sich bei gegebener Abgabeleistung (Enthalpie bei Kondensation von (4) auf (1)), welche Volumenströme jeweils benötigt werden, um vom unteren bzw. oberen Temperaturniveau auf das mittlere zu gelangen.

In der Venturi-Düse müssen für einen bestimmten Druckverlust im Antriebsstrom bestimmte Strömungsgeschwindigkeiten (C ₃ ) erreicht werden:

Für den Druckunterschied von 15,5 bar und Zeta- Werte von ca. 0,2...0,25 (diese wurden für eine raue Zusammenführung und Durchgangs-Volumenströme von 0,6...0,8 des Gesamtmassenstromes abgeschätzt) ergeben sich somit Strömungsgeschwindigkeiten c ₃ von ca. 155 bis 180 m/s.

Die Auslegung des Bauteils hängt über die Dichte p jedoch stark vom verwendeten Arbeitsmedium ab. Hinzu kommen Kompression und Expansion an der Düse sowie dynamische Prozesse, so dass die obige Abschätzung durch genauere Simulationen und reale Messungen verifiziert werden muss. Weiterhin sind die förderbaren Volumenströme auf dem unteren Druckniveau auf 0,2 bis 0,4 des Gesamtmassenstromes begrenzt. Die Auslegung der Venturi-Düse ist aus diesen Gründen von besonderer Bedeutung und in Kombination mit der Wahl des Arbeitsmediums als wesentliche Forschungsaufgabe für die Umsetzung zu sehen.

Wieviel Wärme auf welchem Druck-/Temperaturniveau aufgenommen wird, bedingt außerdem, wieviel Antriebsenergie benötigt wird (Verdampfung oben). Für eine wirksame Rücklaufauskühlung muss aber ein nennenswerter Teil der Wärme auf dem niedrigem Temperaturniveau des Rücklaufs entnommen werden. Für den verwendeten Prozess ist daher ein Arbeitsmedium zu bevorzugen, bei dem das ,Verdampfungsfenster‘ oben schmal und die Enthalpieaufnahme aus dem Rücklauf (5) - (6) breit ist.

Abb. 3 zeigt bespielhaft das Verhalten von Propan, Butan und einem Gemisch.

Die Auswahl an verfügbaren Arbeitsmedien für wird durch die formulierte Zielsetzung eingeschränkt. Viele in der Vergangenheit und zum Teil auch heute noch genutzte Kältemittel basieren auf fluorierten Kohlenwasserstoffen. Aufgrund des hohen Treibhauspotentials (GWP) wird durch Verordnungen, z.B. EU Nr. 517/2014 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 16. April 2014, einen Phase-Down vorangetrieben. Die Verwendung nicht-fluorierter und natürlicher Arbeitsmedien wird dadurch notwendig.

Als im Rahmen der Zielsetzung geeignete Arbeitsmedien kommen beispielsweise Mischungen aus Propan (R-290) und Butan ((R-600) in Betracht. Propan verdampft bei 90°C mit 37,5 bar, bei 10°C mit 6,5 bar und kondensiert bei 60°C bei 22 bar. Butan verdampft bei 90°C mit einem Druck von 12 bar, bei 10°C bei einem Druck von 0,75 bar und kondensiert bei 60°C bei einem Druck von 5,5 bar. Mischungen dieser beiden Arbeitsmedien sind denkbar, um die Arbeitspunkte und Druckvolumenströme anzupassen (Abb. 3).

Weitere relevante Parameter sind durch die Massen- und Energiebilanz gegeben.

Massenbilanz:

Energiebilanz:

Unter der Annahme möglicherweise realistischer ist) ergibt sich: Relevant bei der Auslegung der Wärmepumpe ist insbesondere das Verhältnis der Volumenströme des Arbeitsmediums auf der Hochdruck- und der Niederdruck-Seite, entsprechend Aufteilung am Punkt (1). Dieses Verhältnis ist ein essentieller Parameter, um eine ausreichende Wärmeabnahme bzw. Auskühlung des Rücklaufs erzielen zu können. Es ist unklar, ob die Rücklaufauskühlung tatsächlich mit verfügbaren natürlichen Arbeitsmedien, die nicht von der F-Gase-Verordnung erfasst werden, oder mit Hydrofluoro-Olefinen (HFOs) oder anderen möglichen Arbeitsmedien mit niedrigen GWP mithilfe des vorgeschlagenen Prozesses mittels Venturi-Düse erreicht werden kann.

Die Speicherbeladungseinheit sollte daher entsprechend sicher konstruiert und aufgebaut werden, da viele dieser moderneren Arbeitsmedien entflammbar sind.

Nachfolgend ein Verzeichnis mit den hier verwendeten Symbolen: t Temperatur [K]

P Druck [Pa] Spezifische Wärmekapazität bei

R Universelle Gaskonstante

9 Temperatur [°C] m Massenstrom

V Volumenstrom

P Dichte h Spezifische Enthalpie c Geschwindigkeit

9 Erdbeschleunigung z Höhe [m] s Spezifische Entropie

P _hyd Hydraulische Pumpenleistung [W]

ΔpsP Druckdifferenz an der Speisepumpe [bar]

Δh _SP Differenz der spezifischen Enthalpie an der Speisepumpe