Kombination einer Erdwärmepumpe mit einem Heizkessel

Obwohl es möglich ist, eine Erdwärmepumpe so zu dimensionieren, dass sie den gesamten Heizwärmebedarf eines Hauses oder eines kleinen Gewerbegebäudes deckt, gibt es auch andere Möglichkeiten.

Abbildung 1.

Formel 1

Figur 2.

Figur 3.

Figur 4.

Im Fokus der HVAC-Branche stehen weiterhin geothermische Wärmepumpensysteme in Gebäuden vom Einfamilienhaus bis hin zu großen Gewerbeanlagen.

Die Erdwärmepumpenindustrie hat regionale und nationale Handelsverbände organisiert, die sich für den Einsatz dieser Systeme einsetzen, indem sie sich an Verbraucher wenden und Lobbyarbeit bei Politikern betreiben. Heutzutage können Sie damit rechnen, in nahezu jedem Forum, das sich mit HVAC-Technologie befasst, etwas über Anwendungen von Erdwärmepumpen zu lesen.

Eine spezielle Art von Wärmepumpe, die sogenannte Wasser-Wasser-Wärmepumpe, kann die Brücke zwischen Erdwärme und dem unübertroffenen Komfort schlagen, der durch hydraulische Strahlungsplatten-Liefersysteme möglich ist.

Meine Firma hat mehrere Systeme rund um solche Wärmepumpen entwickelt. Viele der Anfragen, die wir von potenziellen Kunden erhalten, zeigen eine Vorliebe für den Einsatz von Erdwärmepumpen in bevorstehenden Projekten.

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Obwohl es möglich ist, eine Erdwärmepumpe so zu dimensionieren, dass sie den gesamten Heizwärmebedarf eines Hauses oder eines kleinen Gewerbegebäudes deckt, gibt es auch andere Möglichkeiten. Eine Möglichkeit für die moderne Hydroniktechnik ist die Kombination der Wärmepumpe mit einem Heizkessel. Dies wird oft als „Dual-Fuel“-Ansatz bezeichnet und bringt mehrere Vorteile mit sich.

Erstens bietet ein Zweistoffsystem die Sicherheit, dass eine Wärmequelle einen Teil der Heizlast decken kann, wenn die andere Wärmequelle außer Betrieb ist.

Als nächstes kann die Wärmepumpe so dimensioniert werden, dass sie unter der Auslegungsheizlast des Gebäudes liegt. Dies kann aufgrund der begrenzten Landfläche für die Installation der Erdschleife erforderlich sein. Dies kann auch in Situationen erforderlich sein, in denen die Installationskosten für die Erdschleife hoch sind.

Drittens ermöglicht der gleichzeitige Betrieb einer Wärmepumpe und eines Heizkessels hohe Wärmeabgaberaten, die die Wiederherstellung nach Thermostatrückschlägen beschleunigen und bei Bedarf höhere Rückgewinnungsraten für die Warmwasserbereitung ermöglichen.

Schließlich bieten Energieversorger an einigen Standorten in Zeiten geringer Nachfrage stark reduzierte „Time-of-Use“-Preise für elektrische Energie an. Diese Tarife können die Betriebskosten einer Wärmepumpe außerhalb der Spitzenzeiten erheblich senken und gleichzeitig ermöglichen, dass ein gasbetriebener Heizkessel den Bedarf in Spitzenzeiten decken kann, in denen die Stromtarife deutlich höher sind. Die Steuerungen können so konfiguriert werden, dass die Wärmepumpe während dieser Schwachlastzeiten als erste Stufe der Wärmeerzeugung oder als einzige Stufe der Wärmeerzeugung betrieben wird.

Weniger ist besser

Die meisten geothermischen Wasser-Wasser-Wärmepumpen können nur Wasser bei Temperaturen im Bereich von 120 bis 125 °F liefern, ohne dass ihr Leistungskoeffizient und ihre Heizkapazität erheblich sinken. Aus diesem Grund empfehle ich, jedes von einer Wärmepumpe gespeiste Wasserverteilungssystem so zu konzipieren, dass es den Auslegungswärmebedarf des Gebäudes mit einer Vorlaufwassertemperatur von nicht mehr als 120 °C decken kann. Dies ermöglicht eine gute Leistung der Wärmepumpe sowie einen Brennwertbetrieb (z. B. hohe Effizienz) eines Mod/Con-Kessels in einem Dual-Brennstoff-System.

Eine Art von Hydronikverteilungssystem, das diese Anforderung erfüllt, ist eine Deckenstrahlplatte. Bei richtiger Auslegung kann eine Strahlungsdecke mit geringer Masse, die wie in Abbildung 1 dargestellt aufgebaut ist, eine Leistung von 28 Btu/h/ft2 liefern, wenn sie bei einer durchschnittlichen Wassertemperatur von nur 110 °C betrieben wird. Dies könnte unter Auslegungslastbedingungen einer Vorlaufwassertemperatur von 120 °C und einer Rücklaufwassertemperatur von 100 °C entsprechen. Im Teillastbetrieb sind noch niedrigere Vorlaufwassertemperaturen möglich.

Die nach unten gerichtete Wärmeabgabe der Deckenstrahlplatte ist in dargestelltAbbildung 1kann auch für andere Betriebsbedingungen abgeschätzt werdenFormel 1(siehe oben).

Kessel kühlen nicht

Einer der Hauptvorteile einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe im System besteht darin, dass sie gekühltes Wasser zur Kühlung liefern kann. Tatsächlich ist es oft der Bedarf an Gebäudekühlung, der den Entwurf zu einer Wärmepumpe und nicht zu einer reinen Heizwärmequelle wie einem Heizkessel führt.

Der klassische Ansatz zur Kaltwasserkühlung verwendet einen oder mehrere Luftaufbereiter, die mit Kondensatauffangwannen ausgestattet sind. Diese Luftbehandlungsgeräte bieten sowohl sensible als auch latente Kühlung. Das Kondensat, das sich aufgrund der latenten Kühlung an der Spule des Luftbehandlungsgeräts bildet, fällt in eine Auffangwanne unter der Spule und wird abgeleitet.

In den letzten Jahren ist ein neuer „Formfaktor“ für kleine Hydronik-Luftbehandlungsgeräte entstanden. Dieses neue Design wird als Hochwand-Hydronikkassette bezeichnet. Ein Beispiel ist in dargestelltFigur 2.

Dieses Luftbehandlungsgerät sieht aus wie die Hochwandkassetten, die in „kanallosen“ Wärmepumpen- oder VRF-Systemen verwendet werden. Der Unterschied besteht darin, dass die Versorgung mit erwärmtem oder gekühltem Wasser statt mit Kältemittel erfolgt. Dieses Wasser kann normalerweise über 1/2 Zoll zugeführt werden. PEX-Schlauch, der isoliert wurde, um Kondensation zu verhindern. Das Gerät enthält eine Auffangwanne und einen isolierten Abflussschlauch, der während des Kaltwasserkühlbetriebs das Kondensat auffängt und es zu einem geeigneten Abfluss leitet.

Die in Abbildung 2 gezeigte Kassette wird über eine Handfernbedienung bedient. Es kann für Kühlung, Heizung, Entfeuchtung oder reinen Lüfterbetrieb konfiguriert werden. Es verfügt über ein leises Gebläse mit variabler Geschwindigkeit und motorisierte Lamellen, die den Abluftstrom gleichmäßig über einen großen Bereich des Raums verteilen. Zwei oder mehr Kassetten können problemlos zu einem Mehrzonen-Kaltwasserkühlsystem konfiguriert werden.

Alles zusammenfügen

Figur 3 zeigt den Rohrleitungsplan für ein Dual-Brennstoff-System, das Raumheizung mithilfe von Deckenstrahlplatten, Kühlung mithilfe von Kaltwasser-Luftbehandlungsgeräten und ganzjährige Warmwasserbereitung für den Haushalt bereitstellt. Die Warmwasserversorgung erfolgt sowohl über den Enthitzer in der Wärmepumpe als auch über den Kessel.

Im Heizbetrieb können Wärmepumpe und Mod/Con-Kessel je nach Lastanforderung einzeln oder gemeinsam Wärme in den Pufferspeicher liefern. Da die Stückkosten der Wärme der Wärmepumpe in der Regel niedriger sind als die des Heizkessels, sorgt die Wärmepumpe für die Wärmezufuhr der ersten Stufe, wobei der Heizkessel bei Bedarf „den Nachschuss aufnimmt“, um die Wassertemperatur im Tank sicherzustellen ausreichend, um die Raumheizlast zu decken.

Dies alles wird von einem zweistufigen Outdoor-Reset-Controller koordiniert, der die Wassertemperatur im Tank überwacht. Je wärmer es draußen ist, desto niedriger ist die erforderliche Pufferspeichertemperatur. Diese Outdoor-Reset-Logik maximiert die Leistung sowohl der Wärmepumpe als auch des Kessels, indem das Wasser nur auf die Temperatur erhitzt wird, die zur Deckung der aktuellen Raumheizlast erforderlich ist.

Der Enthitzer der Wärmepumpe fügt dem Brauchwasser im unteren Teil des indirekten Warmwasserbereiters Wärme hinzu, wenn die Wärmepumpe läuft. Der Heizkessel versorgt den indirekten Warmwasserbereiter bei Bedarf mit zusätzlicher Wärme. Im Kühlbetrieb handelt es sich bei der vom Enthitzer dem Brauchwasser zugeführten Wärme um Wärme, die andernfalls an den Erdkreislauf abgegeben würde. Dies ist wirklich „kostenlose Wärme“, wenn man die Alternative betrachtet, diese BTU in den Boden zu schütten.

Das Verteilungssystem besteht aus zonierten Verteilerstationen, die Deckenstrahlkreise versorgen. Es sind zwei Verteilerstationen abgebildet, es könnten jedoch bei Bedarf weitere hinzugefügt werden. Der Durchfluss zu jeder Verteilerstation wird durch ein Standard-Zonenventil ermöglicht oder verhindert. Der druckgeregelte Zirkulator passt seine Geschwindigkeit automatisch an, wenn sich die Zonenventile öffnen und schließen. Die Luftbehandlungsgeräte werden „ausgegraut“ angezeigt, basierend auf der Annahme, dass sie nicht im Raumheizungsmodus arbeiten.

Figur 4zeigt das gleiche System im Kühlbetrieb.

Die Wärmepumpe versorgt den Puffertank und die Kaltwasser-Luftaufbereiter mit gekühltem Wasser. Die in der Nähe des Puffertanks dargestellten Rohrleitungsdetails ermöglichen es, bei Bedarf einen Teil des gekühlten Wassers von der Wärmepumpe direkt zu den Luftbehandlungsgeräten zu leiten. Wenn der Kaltwasserdurchfluss von der Wärmepumpe den Durchfluss zu den Luftaufbereitern übersteigt, gelangt die Differenz der Durchflussraten in den Puffertank. Die „kurze und dicke“ Sammelleitung, die mit dem Tank verbunden ist, ermöglicht eine hydraulische Trennung zwischen der Wärmepumpen-Umwälzpumpe (P2) und der drehzahlvariablen Verteilungs-Umwälzpumpe (P3).

Im Kühlbetrieb wird die Wärmepumpe auf Basis der Kaltwassertemperatur im Pufferspeicher betrieben. Ein typisches Regelkriterium besteht darin, die Wärmepumpe so weit zu betreiben, dass diese Temperatur zwischen 45 und 60 °C gehalten wird. Dies geschieht über einen einfachen Temperatursollwertregler.

Die Wärme des Enthitzers der Pumpe sowie die zusätzliche Wärme des Kessels werden wiederum an den indirekten Brauchwassererhitzer weitergeleitet.

Systeme, die die thermische Effizienz einer Erdwärmepumpe, die bedarfsgesteuerte Reserveleistung eines Mod/Con-Kessels, die Vielseitigkeit der zonierten Kaltwasserkühlung und den Heizkomfort von Hydronik-Strahlungsplatten vereinen, können einzigartige thermische Lösungen für eine Vielzahl von Anwendungen bieten Gebäude.

Vielleicht ist es eine Kombination, die Sie für ein bevorstehendes Projekt in Betracht ziehen sollten.

Dieser Artikel trug ursprünglich den Titel „Alle Grundlagen abdecken“ in der Printausgabe der Supply House Times vom Januar 2016.

John Siegenthaler, PE, ist beratender Ingenieur und Leiter von Appropriate Designs bei Holland Patent, NY. Sein neuestes Lehrbuch „Heating With Renewable Energy“ erscheint im Januar 2016 bei Cengage Publishing. Es zeigt, wie man mit moderner Hydronik-Technologie Systeme realisieren kann, die mit Solarthermie, Wärmepumpe und Biomasse-Wärmequellen versorgt werden. Weitere Informationen finden Sie unter www.hydronicpros.com.