CH623916A5 - - Google Patents

Description

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PATENTANSPRÜCHE Deckung eines Grundbedarfs an Heizwärme herangezogen wer-

1. Verfahren zur Gewinnung von Heizwärme aus allgemein den kann.

verfügbaren, umgebenden Wärmequellen mit einer Temperatur Um bei Verwendung von Wasser als Wärmequelle die erfor-oberhalb 0° C, indem diesen Wärmequellen unter Bildung von derliche Wassermenge derart herabzusetzen, dass z.B. deren Eis durch ein Kältemittel Wärme entzogen und von dem er- 5 Bezug aus der öffentlichen Wasserversorgung möglich ist, wird wärmten Kältemittel nach dem Wärmepumpenprinzip Heizwär- gemäss einem Vorschlag der CH-PS 231 449 zusätzlich die me abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass umgebenden Erstarrungswärme des Wassers für Heizzwecke nutzbar geweiteren Wärmequellen Wärme in einem Wasservorrat (1) ent- macht, indem das bezogene Wasser auf den Gefrierpunkt abgezogen wird und dass der Wasservorrat (1) durch Entzug von kühlt und gefroren wird. Das sich dabei an dem Verdampfer der Wärme mittels eines Kältemittels unter Inkaufnahme von Eis- 10 «Wärmepumpe» ansetzende Eis wird periodisch durch Formbildung bis auf seine Vereisungstemperatur abgekühlt und dabei änderung der von Eis befallenen Verdampferteile abgesprengt gebildetes Eis durch die Wärmezufuhr aus den umgebenden oder nach einem Vorschlag der CH-PS 237 313 durch von weiteren Wärmequellen zurückgeschmolzen wird. innen her erfolgendes Abschmelzen der Haftschicht losgelöst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, Das abgesprengte bzw. losgelöste Eis soll dann in eine Kanalisa-dass der Wasservorrat (1) über Wärmetauscher, z.B. Aussen- 15 tion oder in ein vorhandenes Gewässer abgeschwemmt werden, luft-Wärmetauscher (12) oder Sonnenkollektoren, in intensiven Wegen des grossen F.isanfallx - ca 3 Tonnen pro Tag für ein Wärmeaustausch mit umgebenden Wärmequellen gebracht mittleres Einfamilienhaus - und der damit verbundenen techni-wird. sehen und ökologischen Probleme ist der Weg der Eisabgabe in

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die Kanalisation oder in Gewässer nicht gangbar.

dass der Wasservorrat (1) mit durchgeleiteten Hausabwässern 20 In der zuerst genannten CH-PS 231 449 ist auch die Aus-

(3) in intensiven Wärmeaustausch gebracht wird. nutzung einer Kälteanlage für eine Kunsteisbahn zu Heizzwek-

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch j^n genannt. Die Kälteanlage hat jeweils die aus der umgeben-gekennzeichnet, dass dem Wasservorrat (1) bei Bedarf unter den Luft die Kunsteisbahn einfliessende Wärmemenge abzu-Zuhilfenahme künstlicher Wärmequellen, wie z.B. eine elektn- {ühreni die in einen Heizkreislauf eingespeist werden kann.

sehe Nachstromheizung, Wärme zugeführt wird. 2d Abgesehen davon, dass im Verhältnis zur Grösse der Kälteanla-

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge wegen des schlechten und auch gar nicht besser erwünschten gekennzeichnet, dass gebildetes Eis kontinuierlich oder peno- Wärmeflusses von der umgebenden Luft über das Eis in das disch von den Verdampferflächen (2) des Kältemittelkreislaufes Kältemittel der Wärmegewinn nur gering ist, fällt auch die abgelöst wird. Wärme in einer zum jeweiligen Bedarf umgekehrten Menge an.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch 30 Bei hoher Aussentemperatur arbeitet die Kälteanlage mit entgekennzeichnet, dass dem Wasservorrat (1) eine Substanz, wie hendem Wärmeanfall voll, um das Eis gefroren zu halten. z.B Kochsalz, beigefugt wird so dass sich poroses Eis bildet. Je tie{er die Aussentemperaturen £allen) umso weniger braucht

1 e a ren nac einem er spruc e is , a urc die Kälteanlage zu arbeiten, bei Aussentemperaturen unter 0° C

ge ennzeic ne , ass ein grosser asservorra ( ), z. . is kann sie sogar stillgesetzt werden. Gerade dann, wenn Heizwär-50 m^ als Warmespeicher oder Warmepuffer verwendet wird. 35 me am dringensten benötigt werden würde, fälIt also die Kälte-

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der . vv . .. .

. ^ . .. , / ' anlage zur Heizwarmegewinnung aus.

Wasservorrat m einen Primär- und einen Sekundar-Wasservor- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren rat unterteilt ist dadurch gekennzeichnet, dass den umgebenden eben> wie aifgemein verfügbare, umgebende Wärmequel-

Warmequellen Warme im Pnmar-Wasservorrat (1) entzogen len zur wirtschaftIichen Energiegewinnung und insbesondere w,rd und dass durch Wärmeentzug aus dem Pnmar-Wasservor- 40 zur Gewinn von Heizwärme herangezogen und auch Frostrat (1) wahrend einer ersten Zeitspanne nach dem Warmepum- rioden überbrückt werden können.

penpnnzip der Sekundar-Wasservorrat (5) auf eine bestimmte Diese Auf be wird erfindungSgemäss mit dem Verfahren

Zwischentemperatur aufgeheizt wird, wonach die m dem Se- nach Anspruc£ 1 gelöst.

kundär-Wasservorrat (5) gespeicherte Wärmemenge während einer zweiten Zeitspanne nach dem Wärmepumpenprinzip in 45 Umgebende Wärmequellen, die allgemein zur Verfügung einen Heizkreislauf (10) überführt wird. stehen, sind z.B. die umgebende Luft, Erdreich, Regenwasser,

Schneeschmelzwasser, Hausabwässer, Sonneneinstrahlung.

Ausgangspunkt des erfindungsgemässen Verfahrens ist dabei die Tatsache, dass auch in unseren Breitengraden im Winter die

Zur Gewinnung von Heizwärme aus umgebenden Wärme- 50 Umgebungstemperatur bis auf wenige Frostperioden meist über quellen, wie Luft und Erdreich, Wasser und auch direkter 0° C, häufig beachtlich darüber liegt.

Sonneneinstrahlung, steht ein als «Wärmepumpe» bekannter Zur Heizwärmegewinnung aus umgebenden Wärmequellen

Kreisprozess zur Verfügung. Hiernach wird ein Kältemittel, das schaltet das erfindungsgemässe Verfahren zwischen die umge-durch adiabatische Verdampfung auf eine niedrige Temperatur benden Wärmequellen und den Kältemittelkreislauf der «Wärgebracht worden ist, mit der umgebenden Wärmequelle in 55 mepumpe» einen Wasservorrat, der einerseits mit dem Kälte-Wärmeaustausch gebracht. Das erwärmte Kältemittel wird mittel der Wärmepumpe in Wärmeaustausch tritt, um dem durch Verdichten auf ein höheres Temperaturniveau erhitzt, Wasser unter bewusster Inkaufnahme von Eisbildung Wärme in worauf es in einem Wärmetauscher Wärme an einen Heizkreis- das Kältemittel zu entziehen, und dem andererseits Wärme von lauf abgibt. den umgebenden Wärmequellen zugeführt wird, um gebildetes

Luft und Erdreich sind schlechte Wärmeleiter, aufgrunddes- 60 Eis zurückzuschmelzen.

sen und wegen der Gefahr der Vereisung der Wärmeübertra- Zum Zurückschmelzen des beim erfindungsgemässen Ver-

gungsflächen sie bisher wenig Beachtung zur Gewinnung von fahren gebildeten Eises stehen fast immer eine oder mehrere Heizwärme fanden. Wasser, das sich grundsätzlich gut zur Heiz- der genannten umgebenden Wärmequellen zur Verfügung, wärmegewinnung eignen würde, wird aber nur in Ausnahmefäl- Frostperioden können dadurch überbrückt werden, dass ein len als Grund- oder Oberflächenwasser in ausreichender Menge ft5 grösserer Wasservorrat von z.B. 20-50 m3 als Wärmespeicher zur Verfügung stehen. Die Sonneneinstrahlung ist gerade im oder -puffer vorgesehen wird. Es wird dann während der Frost-Winter in der Hauptheizzeit wegen des niedrigen Sonnenstan- periode Eis auf Lager produziert, welches Eis dann später bei des und häufiger Bewölkung so gering, dass sie allenfalls zur Abklingen der Frostperiode mit Hilfe der genannten umgeben-

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den Wärmequellen zurückgeschmolzen wird. Dauert die Frostperiode länger, so kann der relativ billige Nachtstrom zum Zurückschmelzen des Eises eingesetzt werden.

Der Wärmespeicher oder -puffer erleidet wegen seiner niedrigen Temperatur, nämlich 0° C keinerlei Energieverluste durch Wärmeabstrahlung, Leitung oder Konvektion, bei Einbettung in «warmem» Erdreich wird sich ganz im Gegenteil ein Energiegewinn ergeben.

Neben seiner Funktion als Wärmespeicher oder -puffer erfüllt der Wasservorrat eine weitere wesentliche Funktion. Während bei unmittelbarem Wärmeaustausch der umgebenden Luft mit dem Kältemittel der Wärmepumpe eine alsbaldige Vereisung des Verdampfers und damit ein fast völliges Erliegen des Wärmeflusses von der Luft in das Kältemittel zu erwarten ist, wird bei dem vorliegenden Verfahren die umgebende Luft mit dem eine Temperatur von 0° C aufweisenden Wasservorrat in Wärmeaustausch gebracht, so dass sich die Luftfeuchtigkeit nicht als Eis niederschlagen wird. Eis wird dagegen an den in Wasser eingetauchten Verdampferflächen erzeugt, wo es günstig durch das es umspülende und durch die umgebenden Wärmequellen erwärmte Wasser zurückgeschmolzen werden kann.

Je nach Aussentemperatur und Heizwärmebedarf wird sich ein mehr oder minder starker Eispanzer um die Verdampferflächen einpendeln, der den Wärmefluss vom Wasservorrat in das Kältemittel beeinträchtigt. Um dem Rechnung zu tragen, sind die Verdampferflächen ausreichend gross zu gestalten. Vorteilhaft kann das niedergeschlagene Eis auch kontinuierlich oder periodisch von den Verdampferflächen abgelöst werden, wofür z.B. mechanische oder thermische Ablöseverfahren nach den CH-PS 231 449,237 313 und nach derDT-OS25 52 459 zur Verfügung stehen.

Vorteilhaft kann dem Wasservorrat eine Substanz z.B. Kochsalz beigefügt werden, so dass sich eine poröse Eisschicht verbesserter Wärmeleitfähigkeit bildet, die zudem leichter z.B. mechanisch abgelöst werden kann. Die Porosität der Eisschicht ist auf eine Vielzahl von Kapillaren zurückzuführen, in welchen bei der Eisbildung das Salz in Form hochkonzentrierter Sole abgeschieden wird.

Als umgebende Wärmequelle zur Zufuhr von Wärme in den Wasservorrat kommt in erster Linie die Aussenluft in Frage. Wasser aus dem Wasservorrat wird vorteilhaft in geschlossenem Kreislauf durch einen Wärmetauscher geführt, wo es in intensiven Wärmeaustausch mit der umgebenden Luft gebracht wird. Ein Teil der Luftfeuchtigkeit wird dabei kondensieren, so dass sich zusätzlich die freiwerdende Kondensationswärme nutzen lässt. Zur Nutzung der Sonneneinstrahlung kann Wasser aus dem Vorratstank durch Sonnekollektoren bekannter Bauart geführt werden. Erdwärme lässt sich nutzen, indem der Tank für den Wasservorrat in das Erdreich eingebettet wird. Regenwasser und Schneeschmelzwasser können direkt in den Wasservorrat eingeleitet werden, wobei dann ein Überlauf für Eiswasser z.B. in das gemeindliche Kanalisationsnetz vorzusehen ist. Hausabwässer, die eine Durchschnittstemperatur von etwa 30° C haben, müssen wegen ihres Schmutzgehaltes über einen Wärmetauscher mit dem Wasservorrat in Berührung gebracht werden.

Wie eingangs beschrieben, wird das erwärmte Kältemittel in dem als «Wärmepumpe» bekannten Kreisprozess durch Verdichten auf ein höheres Temperaturniveau erhitzt, worauf es in einem Wärmetauscher Wärme an einen Heizkreislauf abgibt. Da die in dem Verdichter aufzuwendende Arbeit überproportional der zu überwindenden Temperaturdifferenz ansteigt, ist es zweckmässig, die Verdichtung zweistufig auszuführen, und zwar zur Ausnützung des billigeren Nachtstroms die erste Stufe während der Nachtzeit und die zweite Stufe während der Tagzeit, wenn die Hauptheizwärme benötigt wird. Zur Durchführung des zweistufigen Verfahrens wird der Wasservorrat in einen grossen Primärwasservorrat und in einen kleineren Sekundärwasservorrat unterteilt. Nachts wird durch Wärmeentzug aus dem Primärwasservorrat der Sekundärwasservorrat auf eine Zwischentemperatur von z.B. 40° C aufgeheizt, wonach dann tagsüber die zur Beheizung des Hauses benötigte Wärmemenge s unter Einsatz desselben Verdichters in einen Heizkreislauf überführt wird. Die zweistufige Verdichtung ist nicht nur stromsparend, sie erlaubt auch höhere Heizwassertemperaturen zu erreichen. Da in Sommermonaten, wenn keine Heizwärme sondern nurmehr Heisswasser benötigt wird, aufgrund hoher Ausin sentemperaturen auch der Wasservorrat eine relativ hohe Temperatur erreicht und ein Wärmegefälle zum nunmehr kühleren Erdreich besteht und damit Wärme ungenutzt abfliessen würde, wird vorteilhaft in diesen Sommermonaten nur mit dem gegenüber dem Erdreich wärmeisolierten Sekundärwasservorrat ge-15 arbeitet.

Das erfindungsgemässe Verfahren wird beispielsweise anhand beigefügter Zeichnung näher erläutert, die in der einzigen Figur eine schematische Darstellung des Kältemittelkreislaufs 2o und der Umwälzung des Wasservorrats zeigt.

Ein in das Erdreich eingebautes Beton-Primärbecken 1 von z.B. 5 X 5 m Grundfläche X 2,5 m Höhe mit ca 50 m3 Wasserinhalt ist von im wesentlichen parallelen Verdampferrohren 2 durchsetzt, die über Sammelleitungen 3,4 beschickt bzw. entleert werden. Der gegenseitige Abstand der Verdampferrohre ist so bemessen, dass der maximal mögliche Eispanzer um ein Verdampferrohr vor dem Zusammenwachsen mit dem Eispanzer des benachbarten Verdampferrohres noch einen annehmbaren Wärmefluss vom Wasservorrat in das Kältemittel zulässt.

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Die äusseren Verdampferrohre sind in einem ausreichend grossen Abstand zu den Beckenwänden zu verlegen, damit der Eispanzer nicht zu diesen hinüberwächst. Die Verankerung der Verdampferrohre muss die durch das Eis herrührenden Auf-triebskräfte abfangen.

Das durch die Verdampferrohre 2 strömende und vom Wasser des Primärbeckens 1 erwärmte Kältemittel wird durch einen Verdichter V in einer ersten Stufe erhitzt und im Wärmetausch durch ein Sekundärbecken 5 von etwa 8 m3 Wasserinhalt 40 geleitet, um dieses Wasser während der Nachtzeit, bei der der Verdichter V mit billigem Nachstrom arbeitet, auf bis zu 40° C aufzuheizen. Das dabei kondensierende Kältemittel wird über eine Drossel 6 wieder in die Rohre 2 verdampft.

45 Ein zweiter Kältemittelkreislauf 7 mit einem in das Sekundärbecken 5 eingetauchten Verdampfer 8 läuft über denselben Verdichter V in einen Kondensator 9, in dem Wärme auf einem höheren Temperaturniveau in einen Heizkreislauf 10 abgeführt wird. Vom Kondensator 9 wird das Kältemittel über ein Dros-50 selorgan 11 in den Verdampfer 8 zurückgeführt.

Die Wärmezufuhr in das Primärbecken 1 erfolgt im dargestellten Fall a) über das Erdreich und die Beckenwände,

55 b) über einen der Aussenluft ausgesetzten Wärmetauscher 12 und c) über einen in das Primärbecken eingetauchten Hausabwässersammelbehälter 13.

Kaltes Wasser aus dem Primärbecken 1 wird durch eine 60 Pumpe P in einen Vorratsbehälter 14 des Wärmetauschers 12 gepumpt. Von hier fliesst das Wasser aufgrund Schwerkraftwirkung in eine Batterie paralleler, im wesentlichen vertikaler Kupferrohrleitungen 15, die im Bedarfsfall unter Zuhilfenahme eines Gebläses 16 von Aussenluft umströmt werden. Das er-65 wärmte Wasser wird in einem unteren Sammelrohr 17 gesammelt und zum Primärbecken zurückgeführt.

Das Hausabwässer-Sammelbecken 13 von ca 1 m3 Inhalt ist über ein Fallrohr 18 mit der Kanalisation verbunden. Ein Schie-

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ber 19 hält das Fallrohr normal geschlossen und öffnet z.B. über einen Zeitschalter, nachdem die Hausabwässer ihren Wärmein-

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halt an das Wasser im Primärbecken im wesentlichen abgegeben haben.

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1 Blatt Zeichnungen