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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur periodischen Speicherung und Freigabe von Wärme unter Verwendung mindestens eines Wärmetransformators mit einem darin eingeschlossenen Arbeitsmittel, das durch eine endotherme, reversible Reaktion in eine gasförmige und eine feste Komponente umwandelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Speicherphase dem im Austreiber-Absorberteil des Wärmetransformators untergebrachten Arbeitsmittel Wärme zugeführt wird zur Freisetzung der gasförmigen Komponente, die in den Kondensator-Verdampferteil des Wärmetransformators strömt, wo sie unter Wärmeabgabe kondensiert wird, und dass in einer Entspeicherphase das Kondensat im Kondensator-Verdampferteil verdampft wird und unter Freigabe von Reaktionswärme im Austreiber-Absorberteil wieder an die feste Komponente gebunden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Speicherphase Sonnenwärme und/oder elektrisch erzeugte Wärme zugeführt wird, und dass die bei der Kondensation abzuführende Wärme an die Umgebung und/oder an einen Latentwärmespeicher abgegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Entspeicherphase freigegebene Reaktionswärme an ein Gebrauchswasserheizungs- und/oder an ein Raumheizungssystem abgegeben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Speicherphase zugeführte Wärme eine tiefere Temperatur aufweist als die bei der Entspeicherung freigegebene Wärme.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gasförmige Komponente des Arbeitsmittels Methylamin oder Äthylamin ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Komponente des Arbeitsmittels Calcium- und/ oder Lithium- und/oder Magnesiumchlorid ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Wärmetransformatoren zu einer mehrstufigen Wärmepumpeneinheit gekoppelt sind, und dass die bei der Entspeicherung freigegebene Wärme aus dem ersten Wärmetransformator mindestens teilweise im zweiten Wärmetransformator zwischengespeichert und anschliessend auf höherer Temperaturstufe freigegeben wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer aus mindestens drei Wärmetransformatoren bestehenden Wärmepumpeneinheit ein Teil der bei der Entspeicherung frei werdenden Wärme dem dritten Wärmetransformator zugeführt wird, und dass diese Wärme ebenfalls zwischengespeichert und auf höherer Temperaturstufe freigegeben wird, wobei der dritte Wärmetransformator alternativ für Heizzwecke oder als Absorptionskältemaschine für die Klimatisierung betrieben wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ein- oder mehrstufige Wärmepumpeneinheit zusammen mit einer weiteren, identischen Einheit betrieben wird, und dass abwechselnd die Wärme in der einen Einheit gespeichert und in der anderen Einheit freigegeben wird.
10. Wärmepumpenanordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäss Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens einen in sich abgeschlossenen Wärmetransformator (1, 31, 41, 50, 81', 81"), bestehend aus einem Austreiber-Absorberteil (2, 32, 42, 55) und einem mit diesem verbundenen Kondensator Verdampferteil (3, 33, 43, 54), wobei das Arbeitsmittel verlustfrei im Wärmetransformator untergebracht ist.
11. Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetransformator (50) und ein Latentwärmespeicher (52) zu einer Speichereinheit zusammenge fasst sind.
12. Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Wärmetransformator (50) in einem quaderförmigen Gehäuse untergebracht ist, in dessen Ecken der aus vier Teilen bestehende Latentwärmespeicher (52) angeordnet ist.
13. Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wärmetransformatoren (1, 31, 41) zu einer mehrstufigen Wärmepumpeneinheit zusammengefasst sind.
14. Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 10 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass neben einer ein- oder mehrstufigen Wärmepumpeneinheit eine weitere, identische Einheit vorgesehen ist, wobei die Einheiten derart miteinander gekoppelt sind, dass abwechslungsweise je eine Einheit zum Speichern von Wärme und die andere Einheit zum Entspeichern von Wärme betrieben wird.
15. Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (52) Wasser oder ein bei Wärmezufuhr schmelzbares Salz enthält.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur periodischen Speicherung und Freigabe von Wärme unter Verwendung mindestens eines Wärmetransformators mit einem darin eingeschlossenen Arbeitsmittel, das durch eine endotherme, reversible Reaktion in eine gasförmige und eine feste Komponente umwandelbar ist. Die Erfindung betrifft im weiteren eine Wärmepumpenanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Es sind Latentwärmespeicher bekannt, die als Steingutoder Warmwasserspeicher arbeiten oder die die Schmelzwärme verschiedener Salze für die Speicherung ausnützen. Diese Latentwärmespeicher sind nachteilig, da die Speicherung mit grossen Verlusten verbunden ist und die Wärme höchstens bei gleichem Temperaturniveau wie bei der Einspeicherung wieder zurückgewonnen werden kann.
Wünschbar wäre ein Wärmespeicher, insbesondere zur Speicherung von Sonnenwärme und/oder elektrisch erzeugter Wärme, z.B. als Nachtspeicherheizung.
Um auch Niedertemperaturwärme, beispielsweise von der tiefstehenden Sonne, noch ausnützen zu können, sollte die eingesammelte und gespeicherte Wärme auf einem höheren Temperaturniveau wieder abgegeben werden können.
Schliesslich sollte auch das Problem der proportional zur Speicherzeit zunehmenden Wärmeverluste konventioneller Wärmespeicher vermieden werden können.
Nun sind Stoffpaare bekannt, die im Temperaturbereich von etwa 0-100 "C reversible chemische Reaktionen eingehen, wobei die Reaktionswärme je nach Richtung der Reaktion gebunden bzw. freigesetzt wird. Es ist nun möglich, solche endotherme Reaktionen für die Speicherung von Wärme zu benützen.
Zu den erwähnten Stoffen gehören die Halogenide der Alkali- und Erdalkalimetalle mit Ammoniak, Methylamin, Äthylamin, usw.
Die für die technische Auswertung für die chemische Wärmespeicherung in Frage kommenden Arbeitsmittel sind Stoffpaare, die als feste, pulverförmige Salze vorliegen und bei denen durch Wärmezufuhr eine gasförmige Komponente ausgetrieben werden kann. Dabei sind besonders jene gasförmigen Komponenten oder Absorbate von Interesse, die beim Austreibungsdruck und einer nicht zu tief unterhalb der Austreibungstemperatur liegenden Kondensationstemperatur ihre flüssige Phase eingehen. Im kondensierten Zustand können solche Absorbate ohne Wärmeverluste raumsparend gelagert werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass in ei ner Speicherphase dem im Austreiber-Absorberteil des Wärme
transformators untergebrachten Arbeitsmittel Wärme zugeführt wird zur Freisetzung der gasförmigen Komponente, die in den Kondensator-Verdampferteil des Wärmetransformators strömt, wo sie unter Wärmeabgabe kondensiert wird, und dass in einer Entspeicherungsphase das Kondensat im Kondensator-Verdampferteil verdampft wird und unter Freigabe von Reaktionswärme im Austreiber-Absorberteil wieder an die feste Komponente gebunden wird.
Die Wärmepumpenanordnung zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäss gekennzeichnet durch mindestens einen in sich abgeschlossenen Wärmetransformator, bestehend aus einem Austreiber-Absorberteil und einem mit diesem verbundenen Kondensator-Verdampferteil, wobei das Arbeitsmittel verlustfrei im Wärmetransformator untergebracht ist.
Die freigegebene Wärme kann direkt als Nutzwärme für eine Raumheizung oder die Gebrauchswassererwärmung verwendet werden. Sie kann aber auch in die nächste Stufe einer aus mehreren Stufen bestehenden Wärmepumpen anordnung abgegeben werden. Damit ist es möglich, das Temperaturniveau der Nutzwärme weiter zu erhöhen.
Es ist auch zweckmässig, zwei periodisch arbeitende Wärmepumpenanordnungen (ein- oder mehrstufig) miteinander zu koppeln und phasenverschoben zu betreiben. Abwechslungsweise wird in der einen Anordnung Wärme gespeichert, während der anderen Anordnung Nutzwärme entzogen wird, um dadurch eine Kontinuität der Nutzwärmeabgabe zu erhalten.
Nachfolgend werden nun anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Wärmepumpenanordnung mit einem Wärmetransformator zur alternativen Speicherung von Sonnenwärme oder elektrisch erzeugter Wärme,
Fig. 2 die Druck- und Temperaturverhältnisse im Wärmetransformator gemäss Fig. 1 bei der Einspeicherung von Sonnenenergie.
Fig. 3 das der Fig. 2 entsprechende Druck-/Temperaturdiagramm bei der Abgabe von gespeicherter Wärme aus dem Wärmetransformator gemäss Fig. 1,
Fig. 4 schematisch eine mehrstufige Wärmepumpenanordnung mit drei Wärmetransformatoren während der Austauschphase,
Fig. 5 schematisch einen Teil der Anordnung gemäss Fig. 4 während der Heiz- bzw.
Kühlphase, wobei ein Wärmetransformator zum Heizen und ein weiterer Wärmetransformator für die Raumklimatisierung eingesetzt sind,
Fig. 6 schematisch einen Teil der Anordnung gemäss Fig. 4, wobei zwei Wärmetransformatoren für den Winterbetrieb parallel geschaltet sind,
Fig. 7 die Druck- und Temperaturverhältnisse während der Austauschphase der mehrstufigen Wärmepumpenanordnung gemäss Fig. 4,
Fig. 8 die Druck- und Temperaturverhältnisse während der Heizphase bei der mehrstufigen Wärmepumpenanordnung gemäss Fig. 4,
Fig. 9 das Wärmeflussschaubild der mehrstufigen Wärmepumpenanordnung gemäss Fig. 4,
Fig. 10 den Arbeitsbereich eines Wärmetransformators, in Funktion der Speichertemperatur und der Aussentemperatur, wobei der jeweilige Prozessdruck als Parameter eingetragen ist,
Fig.
11 den Arbeitsbereich eines Wärmetransformators, in Funktion der Nutzwärmetemperatur und der Absorbatsverdampfungstemperatur, wobei wieder der jeweilige Prozessdruck als Parameter eingetragen ist,
Fig. 12 einen Schnitt durch eine Ausführungsform, bei welcher ein Wärmetransformator und ein Salzschmelze-Latentspeicher zu einer Betriebseinheit zusammengefasst sind,
Fig. 13 den Grundriss der Betriebseinheit gemäss Fig. 12,
Fig. 14 einen Schnitt nach der Linie XIV-XIV gemäss Fig.
12, wobei der Wärmeaustauscher-Absorberteller gezeigt ist,
Fig. 15 eine Seitenansicht des Wärmeaustauscher-Absorbertellers gemäss Fig. 14 in Richtung des Pfeiles XV,
Fig. 16 schematisch den Aufbau und die Leitungsführung des Wärmetransformators gemäss Fig. 12 und
Fig. 17 eine einstufige Wärmepumpenanordnung, wobei zwei Wärmetransformatoren miteinander gekoppelt sind und abwechslungsweise in der Speicherphase bzw. in der Heizphase arbeiten.
Bei der in der Fig. 1 dargestellten Wärmepumpenanordnung mit dem Wärmetransformator 1 kann es sich um eine selbständige Anlage handeln oder um die erste Stufe einer mehrstufigen Anlage. Als Arbeitsmittel A dient das Stoffpaar Methylamin Calciumchlorid, welches im abgekapselten Wärmetransformator 1 eingeschlossen ist. Letzterer besteht aus einem Austreiber Absorberteil 2, welcher mit einem Kondensator-Verdampferteil 3 in Verbindung steht. Die durch den Sonnenkollektor 4 eingesammelte Sonnenwärme wird über ein Zwischenmedium, beispielsweise Luft oder Wasser, mittels der Wärmeaustauscher 5 dem Arbeitsmittel A im Austreiber-Absorberteil 2 zugeführt.
Dadurch wird folgende endotherme reversible Reaktion ausgelöst:
EMI2.1
Das bei der Austreibung freigesetzte gasförmige Methylamin 4CH3NH2 (Komponente Al) strömt in den Kondensator Verdampferteil 3, wo es kondensiert wird, währenddem das feste Substrat (Komponente A2) im Austreiber-Absorberteil 2 zurückbleibt.
Die bei der Kondensation des Methylamins Al frei werden de Kondensationswürme ca wird mittels des Wärmeaustau- schers 6 an die Umgebung, beispielsweise an die Aussenluft L, abgegeben.
Genügt die verfügbare Sonnenenergie nicht für die vollständige Austreibung des Methylamins, so kann die restliche Austreibung mit elektrischer Energie, z.B. mit der elektrischen Heizung 7 und dem Wärmeaustauscher 8, erfolgen.
Da Temperatur und Druck während der Austreibung mit Strom höhere Werte annehmen können, wird zweckmässigerweise die ebenfalls bei höherer Temperatur anfallende Kondensationswärme nicht an die Aussenluft abgegeben, sondern über den Wärmeaustauscher 9 dem als Latentspeicher wirkenden Zusatzspeicher 10 zugeführt. Im Zusatzspeicher 10 kann sich Wasser befinden, das erwärmt wird, oder es könnte ein Salz geschmolzen werden. Die Heizung 7, der Zusatzspeicher 10 und die entsprechenden Wärmeaustauscher 8 bzw. 9 sind in der Fig.
1 gestrichelt eingezeichnet.
Zur Veranschaulichung des Verfahrensablaufes sei beispielsweise angenommen, die Sonne erwärme das Zwischenmedium im Kollektor 4 auf 45 "C und die Temperatur der Aussenluft betrage 5 "C. In erster Näherung seien die Wärmeverluste vernachlässigt. Da für den Wärmeaustauschvorgang hinreichend lange Zeiten zur Verfügung stehen, wird eine Temperaturdifferenz von 5 "C als für alle Wärmeübergänge realisierbar betrachtet. Diese Verhältnisse sind im Druck-/Temperaturdiagramm log p - l/T (Fig. 2) dargestellt, wobei mit A die Spannungskurve des Arbeitsmittels, mit Al die Spannungskurve des Methylamins und mit Aa und Aic die entsprechenden Austreibungs- bzw. Kondensationspunkte bezeichnet sind.
Das Methylamin Al wird bei 40 "C freigesetzt und kondensiert bei 10 "C, wobei die Kondensationswärme bei 5 "C an die Umgebung abgesetzt wird. Der Prozess verläuft bei einem konstanten Druck von etwa 2 bar selbständig ab. Beim Austreibungsvorgang werden etwa 4 Moleküle Methylamin A1 aus der gesättigten Verbindung A freigesetzt. Pro kg Gesamtgewicht des Arbeitsmittels wird qA = 242 kcal Wärme gebunden. Da das Molekulargewicht des gesättigten Arbeitsmittels 296, dasjenige des Methylamins 31 ist, beträgt der Gewichtsverlust bei der Austreibung: gA=4 31/296=41,9%
Bezogen auf 1 kg Gesamtgewicht des gesättigten Arbeitsmittels sei die bei der Austreibung gebundene Sonnenenergie (242 kcal) als 100% definiert.
Die Kondensationswärme qc des Methylamins beträgt 201,6 kcal/kg bei 10 "C. Die bei der Kondensation des Methylamins an die Umgebung abgegebene Wärmemenge beträgt:
EMI3.1
Bezogen auf die ursprünglich gebundene Sonnenwärme werden somit 34,9% an die Aussenluft abgegeben und der Rest chemisch gebunden.
Der Einspeicherungsvorgang erfolgt weitgehend selbstregelnd und wird ausgelöst, sobald Wärme für die Austreibung des Methylamins dem Wärmetransformator zugeführt wird.
Wie aus dem log p - l/T-Diagramm der Fig. 2 hervorgeht, entspricht den Temperaturen der Austreibung (40 "C) und der Kondensation (10 "C) ein Prozessdruck von 2 bar.
Gegenüber der direkten Verwendung der Sonnenwärme, beispielsweise für Heizzwecke, geht bei der Speicherung etwa 1/3 der Energie verloren. Dafür kann die chemisch gebundene Energie verlustlos über längere Zeit gelagert werden und bei Bedarf wieder benutzt werden. Ausserdem kann durch den Wärmepumpeneffekt auch vermehrt Niedertemperatur-Sonnenwärme ausgenützt und gespeichert und dann auf eine höhere Temperatur transformiert werden.
Zur Entspeicherung der chemisch gebundenen Wärme wird das sich im Kondensator-Verdampferteil 3 befindliche Methylamin-Kondensat verdampft. Das gasförmige Methylamin Al gelangt dann in den Austreiber-Absorberteil 2, wo es sich wieder mit dem Absorber A2 verbindet, wobei durch die exotherme Reaktion Nutzwärme frei wird.
Der Entspeicherungsvorgang ist im log p - l/T-Diagramm der Fig. 3 aufgezeichnet.
Um Nutzwärme, beispielsweise von 53 "C, zu erhalten, wird der Transformationsprozess bei einem Druck von 5,4 bar in umgekehrter Richtung durchgeführt. Falls Sonnenenergie für die Verdampfung des flüssigen Methylamins zur Verfügung steht, kann diese bei 42 "C dazu verwendet werden. Anderenfalls wird ein Teil der Reaktionswärme oder Wärme aus dem Zusatzspeicher 10 für die Verdampfung gebraucht. Das Methylaminkondensat verdampft bei 37 "C (Punkt Aiv) und die Absorption findet bei 58 "C (Punkt Ab) statt.
Unter der Annahme, dass die Verdampfungswärme vom Absorptionsprozess gedeckt wird, verbleibt die Wärmemenge:
EMI3.2
Diese Wärmemenge kann beispielsweise direkt für Heizzwecke oder für die Warmwasseraufbereitung gebraucht werden.
Von der ursprünglich bei einer Temperatur von 45 "C aufgefangenen Sonnenenergie stehen damit noch etwa 65 % für die Benützung zur Verfügung, wobei durch den Wärmepumpeneffekt eine Erhöhung der Temperatur auf das wertvollere Niveau von 53 "C erzielt worden ist.
Die beschriebene Wärmepumpenanordnung kann als reine Sonnenwärmespeicherheizung, als reine Nachtstromspeicherheizung oder zweckmässigerweise als Kombination von beiden verwendet werden. Sie kann aber auch als erste Stufe einer Mehrpumpenanordnung dienen.
Nachfolgend wird nun anhand der Fig. 4 bis 6 eine mehrstufige Wärmepumpenanordnung erläutert, bei welcher der Wärmetransformator 1 gemäss Fig. 1 in etwas abgewandelter Ausführung mit zwei weiteren Wärmetransformatoren 31 und 41 gekoppelt ist, um Heizwärme höherer Temperatur oder auch Kühlwärme für die Klimatisierung zu liefern.
Alle drei Wärmetransformatoren 1, 31,41 sind in sich abgekapselt, so dass die in ihnen enthaltenen Arbeitsmittel nicht entweichen können. Die Wärmezu- und Abfuhr zwischen den Arbeitsmitteln erfolgt über Wärmeaustauscher in den Austreiber-Absorberteilen 2,32,42 bzw. den Kondensator-Verdampferteilen 3, 33,43 dieser Wärmetransformatoren.
Während im ersten Wärmetransformator 1 nach wie vor Methylamin-Calciumchlorid (Arbeitsmittel A) verwendet wird, ist in den beiden anderen Wärmetransformatoren 31,41 Methylamin-Lithiumchlorid (Arbeitsmittel B) geladen.
In der Funktion der mehrstufigen Wärmepumpenanordnung können drei verschiedene Arbeitsphasen unterschieden werden: eine Speicher-, eine Austausch- und eine Heiz- bzw.
eine Kühlphase.
In der Speicherphase wird, wie bereits in der Beschreibung zu Fig. 1 erwähnt worden ist, ein Teil der Sonnenwärme im ersten Wärmetransformator 1 gebunden, gegebenenfalls auch Kondensationswärme höherer Temperatur in den Zusatzspeicher 10 abgegeben.
Während der Austauschphase, welche in der Fig. 4 gezeigt ist, wird die im ersten Wärmetransformator 1 gespeicherte Energie freigesetzt und dient der Austreibung der gasförmigen Komponenten aus den Arbeitsmitteln der Wärmetransformatoren 31 und 41. Dazu ist der Austreiber-Absorberteil 2 über die Wärmeaustauscher 11, 12 mit den Austreiber-Absorberteilen 32 und 42 verbunden.
Zur Freisetzung der Wärme im Wärmetransformator 1 kann, sofern während der Austauschphase die Sonne scheint, deren Wärme über den Kollektor 4 und über den Wärme aus tauscherkreislauf 13 dem Kondensator-Verdampferteil 3 zugeführt werden, um das flüssige Methanyl zu verdampfen. Anderenfalls kann dazu die im Zusatzspeicher 10 vorhandene Wärme über den Kreislauf 14 oder ein Teil der Reaktionswärme über den Kreislauf 15 dazu gebraucht werden.
Die Kondensationswärme der aus den Arbeitsmitteln B der Wärmetransformatoren 31 und 41 freigesetzten, gasförmigen Komponente B1 wird durch die Wärmeaustauscher 16, 17 und den Kreislauf 18 an die Aussenluft L abgegeben. Anschliessend an die Austauschphase besteht immer noch die Möglichkeit, den gespeicherten Energievorrat mit elektrischer Energie durch fortgesetzte Austreibung mit der Heizung 19 und den Wärmeaustauschern 20 und 21 zu ergänzen. Während der Austreibung mit elektrischer Energie wird die Kondensationswärme aus den Kondensator-Verdampferteilen 33,43 in dem Behälter 10 gespeichert über den Kreislauf 22.
Während der Heiz- bzw. Kühlphase, welche in der Fig. 5 gezeigt ist, wird das Kondensat in den beiden Kondensator Verdampferteilen 33,43 verdampft und in den Austreiber-Absorberteilen 32,42 absorbiert. Wird der Wärmetransformator 41 für die Raumklimatisierung verwendet, so wird die Verdampfungswärme durch den Kühlkreislauf 23 der Raumluft RL entnommen. Die dabei im Austreiber-Absorberteil 42 entstehende Absorptionswärme wird je nach Bedarf und Temperaturverhältnissen entweder mit dem Austauschersystem 24 an die Aussenluft L abgegeben, oder sie wird im Behälter 10 gespeichert und dient damit z.B. der Verdampfung des Kondensates im Kondensator-Verdampferteil 33 des Wärmetransformators 31. Die Verdampfung im Kondensator-Verdampferteil 33 kann je nach Verfügbarkeit und Temperaturverhältnissen mit Sonnenwärme, mit der im Behälter 10 gespeicherten und damit z.B.
aus der Abluft wiedergewonnenen Wärme oder mit der Eigenwärme der Absorption aus dem Austreiber-Absorberteil 32 vorgenommen werden. Im letzteren Fall wird die Wärme aus diesem Teil 32 mit dem Austauschersystem 25 dem Kondensa tor-Verdampferteil 33 zugeleitet. Die im Austreiber-Absorberteil 32 freigesetzte Absorptionswärme wird mit dem Austauscher 26 der Gebäudeheizung H bzw. der Gebrauchswarmwasseraufbereitung W zugeführt. Im Sommer dient der Wärmetransformator 31 der Warmwasseraufbereitung und der Wärmetransformator 41 der Klimatisierung. In der Übergangszeit erwärmt der Wärmetransformator 31 zusätzlich die Gebäudeheizung H und der Wärmetransformator 41 wird entweder nicht gebraucht oder er dient der Rückgewinnung der Wärme aus der Abluft.
Im Winter werden die beiden Wärmetransformatoren 31 und 41 parallel geschaltet und beide für die Heizung eingesetzt, wie in Fig. 6 gezeigt ist. In diesem Fall wird die im Austreiber-Absorberteil 42 freigesetzte Reaktionswärme mit dem Austauscher 27 der Gebäudeheizung H und der Gebrauchswarmwasseraufbereitung W zugeführt. Die Wärmequelle der Verdampfung des Kondensates ist dabei in den beiden Kondensator-Verdampferteilen 33,43 identisch.
In bezug auf die Wärmebilanz und den Wirkungsgrad der mehrstufigen Wärmepumpenanordnung wird auf die log p - 1/T-Diagramme verwiesen. Vorerst wird die Austauschphase eingeleitet durch Entnahme der gespeicherten Wärme aus dem ersten Wärmetransformator. Wie bereits bei der einstufigen Anlage beschrieben, wird das flüssige Methylamin bei 37 "C verdampft und die chemische Reaktion in der umgekehrten Richtung bei 5,4 bar durchgeführt. Die Verdampfungswärme wird vom Absorptionsprozess gedeckt. Der Rest der bei 58 "C freigesetzten Wärme beträgt dann 157,5 kcal/kg und wird für die Austreibung von einem Molekül Methylamin aus der Verbindung LiCI - 3CH3NH2 (Arbeitsmittel B) des Wärmetransformators 31 verwendet.
Das ausgetriebene Methylamin kondensiert wieder bei 10 "C. Die Kondensationswärme wird wieder bei 5 "C an die Aussenluft abgegeben. Im Wärmetransformator 31 herrscht während der Austauschphase der Kondensationsdruck des Methylamins von 2 bar. Die Austreibung wird bei 53 "C vorgenommen. Der kombinierte Absorptions-/Austreibungsprozess der Austauschphase ist in der Fig. 7 dargestellt.
Da bei beiden Arbeitsmitteln A und B während der Austreibung Methylamin freigesetzt wird, ist die Spannungskurve Al identisch mit der Spannungskurve B1. Zwischen den beiden Arbeitsmitteln A und B zirkuliert in dieser Phase ein Wärmezwischenträger. Die verfügbare Temperaturdifferenz von 5 "C genügt für die Wärmeübergabe. Das Molekulargewicht des Arbeitsmittels B ist 134. Der Gewichtsverlust des Stoffes B ist also: gB=31/134=23,1%
Die entsprechende reversible chemische Reaktion ist:
EMI4.1
Für die Austreibung von 1 Molekül Methylamin aus dem Stoff B werden qBd= 84,1 kcal/kg Wärme benötigt.
Das Gewichtsverhältnis der am Wärmeaustausch beteiligten Mengen der beiden Stoffe A und B ergibt sich aus dem Verhältnis der ausgetauschten Wärmemengen:
EMI4.2
vonBzuA
Durch die Kondensation des ausgetriebenen Methylamins wird in dieser Phase die folgende Wärmemenge an die Umgebung abgegeben:
EMI4.3
kcal/kg was 36% entspricht.
In der Heizphase schliesslich wird das bei 37 "C unter 5,4 bar verdampfte Methylamin bei 76 "C wieder absorbiert. Da die Verdampfungswärme des Methylamins wieder durch den Absorptionsprozess gedeckt werden muss, steht die folgende Wärmemenge zur Verfügung:
EMI4.4
87,2=70,3 kcal/kg, was 29% der ursprünglich abgespeicherten Sonnenwärme entspricht. Mit dieser Wärme kann Heizungs- und Gebrauchswarmwasser auf etwa 71 "C aufgeheizt und zur Deckung des Haushaltwärmebedarfes unter den üblichen Bedingungen und mit den sonst üblichen Apparaturen verwendet werden. Der Absorptionsvorgang der Heizphase ist in Fig. 8 gezeigt.
Zur Illustration des Wärmeflusses sei auf die Fig. 9 hingewiesen. In dieser Figur bedeutet X1 die Speicherphase, X2 die Austauschphase und X3 die Freisetzung der Wärme aus dem zweiten Wärmetransformator 31 für Heizzwecke oder für die Warmwasseraufbereitung. Es sei bemerkt, dass der angegebene Gesamtwirkungsgrad von 29% die minimal mögliche Ausbeutung der Sonnenenergie bedeutet. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades ist möglich, indem die Verdampfung des Methylamins in der Austausch- oder in der Heizphase ebenfalls mit Sonnenwärme erfolgt. Die Methylaminverdampfung in der Heizphase ist z.B. dann möglich, wenn die drei Phasen der Energiespeicherung und der Freigabe sich über zwei Tage erstrecken, wozu aber zwei identische, mehrstufige Wärmepumpensysteme notwendig sind.
1. System 2. System
Nacht - Austauschphase 1. Tag Sonnenschein Speicherphase Heizphase
Nacht Austauschphase 2. Tag Sonnenschein Heizphase Speicherphase
Nacht - Austauschphase
Wie ersichtlich, verlangt die kontinuierliche Wärmeversorgung, dass die beiden identischen Systeme mit Phasenverschiebung arbeiten. Da jetzt dem Absorptionsprozess die Methylamin-Verdampfungswärme nicht entzogen zu werden braucht, vergrössert sich die nutzbare Wärmemenge um den gleichen Betrag. Anders betrachtet, wird die zusätzlich bei tieferer Temperatur gesammelte Sonnenwärme unmittelbar in brauchbare Wärme umgewandelt, d.h. auf höhere Temperatur transformiert.
Der Maximalwert des Gesamtwirkungsgrades ist in diesem Fall:
EMI4.5
= (242 - 84,5 - 87,2 + 87,5)/(242 + 87,2) = 47,8% Dabei wird angenommen:
EMI4.6
Die minimale Temperatur des vom Sonnenkollektor kommenden Wärmeträgers, bei welcher die Speicherung der gesammelten Wärme noch möglich ist, ist in Fig. 10 als Funktion der Aussentemperatur aufgezeichnet. Als Parameter ist der dazugehörige Druck im entsprechenden Wärmetransformator aufgetragen. Für den Wärmeübergang und für das Vorhandensein einer akzeptablen Reaktionsgeschwindigkeit muss die Temperatur des Wärmeträgers über dem Minimum, d.h. über der Gleichgewichtstemperatur liegen. In der Fig. 10 bedeutet Ts die Speichertemperatur, Ta die Aussentemperatur und Y den Arbeitsbereich.
Analog ist in Fig. 11 die Linie des chemischen Gleichgewichtszustandes für die Freisetzung der gespeicherten Wärme in der Heizphase gezeichnet. Die chemische Reaktion spielt sich ab, wenn die Wärme abgeführt wird, ansonsten kommt sie selbstregelnd zum Stillstand. Die Abführung der Wärme und die Sicherung einer ausreichenden Reaktionsgeschwindigkeit be dingen die hinreichende Unterkühlung des Absorbates. Das tat sächliche Temperaturniveau Tw der Nutzwärme, d.h. die mit dem Heiz- bzw. Gebrauchswarmwasser effektiv erreichbare
Temperatur ist in Fig. 11 als Arbeitsbereich Y angedeutet. Als
Abszisse ist die notwendige Absorbat-Verdampfungstempera tur Tv gewählt. Ob die Wärme für die Methylaminverdampfung aus dem Salzschmelze-Wärmespeicher, vom Sonnenkollektor oder vom Absorptionsprozess genommen wird, muss je nach dem momentanen Angebot entschieden werden.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die be schriebene Wärmepumpenanordnung als Sonnenwärmespei cher und Wärmetransformator in Ergänzung zu einer gewöhnli chen Ölheizung zum Energiesparen ohne jede Änderung der Heizkörper oder sonstiger Wärmeverteileinrichtungen und ohne jede Komforteinbusse realisiert werden kann. Soweit die Sonnenwärme bei etwa 40-50 "C mit handelsüblichen Kollektoren gesammelt werden kann, kann sie mit 29-48% Wirkungsgrad mit der Wärmepumpenanordnung auf 70-75 "C transformiert und genutzt werden. Nach Verbrauch der gespeicherten Sonnenenergie muss die Ölheizung in Aktion treten. Wird die Wärmepumpenanordnung zusätzlich mit elektrischem Nachtstrom geheizt, so ist auch die vollständige Ablösung der Ölheizung möglich.
Ob und wann die Ablösung der Ölheizung aktuell wird, hängt von der Entwicklung des Preises für Heizöl und Nachtstrom ab.
Pro Transformationsstufe geht etwas mehr als 1/3 der gesammelten Sonnenwärme verloren. In der Sommerzeit reicht für die Gebrauchswarmwasserzubereitung die einstufige Transformation aus. In diesem Fall sind die Transformationsverluste entsprechend niedriger.
Bei der Beurteilung der Transformationsverluste müssen der Sonnenkollektor und die Wärmepumpenanordnung als eine Einheit betrachtet werden. Wird die Wärme ohne Wärmetransformator direkt eingesetzt, so entstehen zwar keine Transformationsverluste, dafür muss in den Sonnenkollektoren eine höhere Temperatur herrschen. Somit kann weniger Wärme gesammelt werden. Der Vorteil der Wärmetransformation ist in erster Linie darin zu sehen, dass sie die Sammlung von mehr Wärme bei tieferer Temperatur erlaubt. Die Voraussetzung für die Wärmetransformation ist weniger die absolute Temperatur der gesammelten Sonnenwärme als das Vorhandensein eines hinreichenden Temperaturgefälles zur Umgebung.
In bezug auf den konstruktiven Aufbau und die Leitungsführung bei einem einzelnen Wärmetransformator wird nun auf die Fig. 12-16 hingewiesen.
Der Grundriss des als Speichereinheit 50 gestalteten Wärmetransformators ist quadratisch ausgebildet, so dass bei Bedarf mehrere Speichereinheiten unmittelbar nebeneinander in einer Reihe aufgestellt werden können. In der Speichereinheit 50 ist ein zylindrisches Druckgefäss 51 untergebracht. In den Ecken der quadratischen Einheit 50 sind vier Salzschmelze-Latentspeicher 52 angeordnet. Diese sind drucklose Stahlbehälter, die im Querschnitt die Form eines rechtwinkligen Dreiecks aufweisen und leicht konkav und gleich hoch wie das Druckgefäss 51 sind.
Im Innern jedes Latentspeichers 52 läuft über die ganze Länge desselben ein Rippenrohr 53. Das Heizwasser im Rippenrohr 53 durchströmt in Serie alle vier Latentspeicher 52. Die Rippen verbessern den Wärmeübergang zwischen dem Salz und dem Heizwasser. Das Druckgefäss 51 ist in einen Absorbatbehälter 54 (Kondensator-Verdampferteil) und einen Absorberbehälter 55 (Austreiber-Absorberteil) unterteilt. Die zwei Behälter 54, 55 sind voneinander thermisch isoliert 56. Normalerweise herrscht in den beiden Behältern 54, 55 der gleiche Druck, es sind jedoch auch Anwendungen möglich, bei welchen der Druck verschieden sein kann, weswegen die Trennwand 57 als Druckbehälterboden ausgebildet ist.
Im Absorberbehälter 55 sind in gleichmässigen Abständen vierzehn Wärmeaustausch-Absorberteller 58 angeordnet. Die
Ausbildung eines der unteren Teller ist in den Fig. 14 und 15 gezeigt. Die Teller 58 werden von drei Heizwasserführungs und Halterungsrohren 59, 60, 61 durchdrungen, welche jeweils um 120 " zueinander versetzt sind. Auf den Tellern 58 sind
Rohrschlangen 63 angeschweisst, in welchen das Heizwasser von einem Halterungsrohr 59,60,61 zum anderen hinüberströmen kann. Die Schaltung der Druchströmung ist aus der Fig. 16 ersichtlich. In den untersten fünf Tellern strömt das Heizwasser vom Eintritt E durch das Rohr 59 in das Rohr 60 hinüber. Auf der Höhe des Zwischenraumes zwischen den fünften und den sechsten Tellern ist das Rohr 59 durch einen Blindflansch 62 unterbrochen.
Vom sechsten bis zum zehnten Teller strömt das Heizwasser vom Rohr 60 in das Rohr 59 zurück. Oberhalb des zehnten Tellers ist das Rohr 60 durch einen weiteren Blindflansch 64 unterbrochen. Auf den obersten vier Wärmeaustauscher-Absorbertellern ist die Rohrschlange 63 um 120 " versetzt angeordnet, so dass hier das Heizwasser vom Rohr 59 zum Rohr 61 hinüberströmt. Das Rohr 61 führt zum Austritt A.
Die drei Rohre 59, 60, 61 sind oberhalb des obersten Tellers durch je ein gerades Rohrstück 65 miteinander verbunden. Ein Hinüberströmen des Wassers vom Rohr 59 durch das Rohr 65 in das Rohr 61 wird durch den Blindflansch 66 verhindert. Im Innern des Rohres 60 kann ein dünneres koaxiales Rohr angeordnet sein, welches von unten bis zum Rohrstück 65 geführt ist.
Dieses dünne Rohr durchdringt den Blindflansch 64 und dient der Entlüftung des Wärmeaustauschers durch den Entlüftungshahn 67.
Zwischen den Rohren 59 und 60 sind die Teller 58 am Rande abgekantet, wobei diese Kanten 68 einander berühren, so dass über die ganze Höhe des Wärmetauschers eine ununterbrochene ebene Fläche entsteht. Nach dem Zusammenschweissen des Wärmetauscherbündels an den Rohren 59, 60, 61 wird ein engmaschiges Drahtgeflecht 69 um die Teller gelegt und an der durch das Abkanten entstandenen Fläche durch Punktschweissen befestigt. Bevor das Drahtgeflecht 69 in der Mitte der Fläche geschlossen wird, werden die Zwischenräume zwischen den Absorbertellern mit dem granulatförmigen Arbeitsmittel aufgefüllt. Nach Verschluss des Drahtgeflechtes 69 wird der Absorberbehälter 55 in das Druckgefäss 51 hineingestellt, die Isolation 56 oben aufgelegt und der Zwischenboden 57 eingeschweisst.
Im oberen Teil des Druckgefässes 51, im Absorbatbehälter 54, befinden sich drei Kondensations-Verdampferteller 70 unterschiedlicher Ausbildung, die ebenfalls von Heizungswasser durchströmt werden. Die Schaltung der Durchströmung geht wieder aus der Fig. 16 hervor. Durch die Rohrschlange 75 des obersten Tellers strömt das Heizwasser vom Rohr 72 zum Rohr 73. Zwischen den oberen und den mittleren Tellern ist das Rohr 72 durch einen Blindflansch 76 unterbrochen, so dass das Wasser in der Rohrschlange des mittleren Tellers vom Rohr 73 zum Rohr 72 zurückströmt. Der unterste Teller ist gegenüber dem mittleren Teller um 120 " verdreht, so dass das Heizwasser dadurch vom Rohr 72 zum Rohr 74 und damit zum Austritt A strömt.
Nach der Fertigstellung wird der Druckzylinder 51 evakuiert und mit Absorbatgas gefüllt. Nach der Wärmespeicherung, im durch Wärme geladenen Zustand, füllt das kondensierte Absorbat den Absorbatbehälter 54 bis fast zur Höhe des obersten Tellers. An den Absorbatbehälter und den oberen Teil des Absorberbehälters sind die Leitungen 77,78 und 79 angeschlossen.
An die Leitung 72 ist ein Druckmessorgan und ein tJberdruck- ventil angeschlossen, welch letzteres bei eventueller Überhitzung des Absorbatgases dieses ins Freie führt. Zwischen den Leitungen 77 und 78 ist ein Niveaumessgerät angebracht, welches das Niveau des kondensierten, sich im Absorbatbehälter 54 befindlichen Absorbates anzeigt und damit über den Ladezustand des Speichers Auskunft gibt. Zwischen den Anschlüssen der Leitungen 77 und 79 kann das Absorbatgas frei zirkulieren.
Wird die benötigte Speicherkapazität durch Parallelschaltung mehrerer Speichereinheiten aufgebracht, so werden diese auf gleichem Niveau installiert. Die Leitungen 77, 78 und 79 dienen dann als Verbindungsleitungen, durch welche das Absorbat frei zirkulieren kann. Bei dieser Anordnung mit mehreren Speichereinheiten wird nur ein einziges Sicherheitsventil und ein einziges Druck- und Niveaumessorgan benötigt.
Anhand der Fig. 17 wird nun eine Anwendung der Erfindung beschrieben, bei welcher zwei einstufige Wärmepumpenanordnungen 80', 80" derart miteinander gekoppelt sind, dass alternativ die eine Anordnung in der Speicherphase und die andere Anordnung in der Heizphase arbeitet. Zwei Wärmetransformatoren 81', 81" mit den dazugehörigen integrierten Latentspeichern 82', 82" bilden die Doppelanlage, deren Schaltung und Betriebszustände nun erläutert werden.
Die Aufladung bzw. Nachladung der Wärmetransformatoren 81', 82" mit Wärme aus Nachtstrom sowie die direkte Erwärmung des Gebrauchswarmwassers im Boiler 83 erfolgt mit dem Heizwasser als Wärmezwischenträger, wobei das Wasser im Durchlauferhitzer 84 erwärmt wird. Der Sonnenkollektor 85 muss mit einem Heizwasser-/Aussenluft-Wärmetauscher 86 ergänzt werden. Mit diesem Wärmetauscher 86 wird die Kondensationswärme des Absorbates bei der Speicherung der Sonnenwärme an die Aussenluft L abgegeben. Mit Vorteil wird der Wärmetauscher 86 so konstruiert und angebracht, dass damit auch die Wärmewiedergewinnung aus der Abluft in der Heizphase möglich ist.
Es sind insgesamt vier Heizwasser-Umwälzpumpen in der Anlage vorhanden: eine gemeinsame Heizungspumpe 87, eine gemeinsame Kollektor-Umwälzpumpe 89 und je eine Umwälzpumpe 88', 88" für die beiden Wärmetransformatoren 81' und 81". Zum Dreiweg-Heizungsregelventil 91 kommen noch zwei Bypass-Dreiweg-Regelventile 90', 90" für die Regelung der Absorbatverdampfung und damit des Druckes.
Alle übrigen Ventile 92-105 sind Dreiweg-Magnetventile einfachster Ausführung. Sie steuern den Heizwasserfluss und legen damit den Betriebszustand fest. Zusätzlich wird noch eine Rückschlagsklappe 106 verwendet.
Die Betriebsweise des Doppelsystems variiert mit der Aussentemperatur, muss dem Angebot an Sonnenenergie angepasst werden und folgt dem Tag/Nacht-Zyklus: a) Tagesbetrieb im Sommer
Diese Betriebsart wird dann gefahren, wenn das Angebot an Sonnenenergie gross ist und auf Heizung verzichtet werden kann. Die gesammelte Sonnenwärme wird lediglich zur Gebrauchswarmwasseraufbereitung benötigt. Entsprechend arbeitet eines der beiden Systeme (z.B. System 80') in der Speicherphase und das andere in der Heizphase. Die Umwälzpumpe 89 fördert das Wasser über das Ventil 104 zum Sonnenkollektor 85, dann über die Ventile 96', 103, 102, 101 zum Austreiber Absorber, wo mit der Sonnenwärme das Absorbat ausgetrieben wird und schliesslich über das Ventil 97' zurück zur Saugseite der Pumpe.
Wenn die Temperatur im Kollektor zeitweise nicht für die Austreibung genügt, so wird über die Ventile 101 und 105 der Austreiber-Absorber umfahren. Die Umwälzpumpe 88' drückt das Wasser über die Ventile 92' und 93' zum Wärmetauscher 86, dann über das Regelventil 90' zum Absorbatbehälter. Mit diesem Umlauf ist die Abgabe der Absorbat-Kondensationswärme an die Aussenluft gewährleistet.
b) Nachtberneb im Sommer
Der Gebrauchswarmwasserboiler 83 wird hauptsächlich nachts geladen, kann aber jederzeit auch am Tage nachgeladen werden. Allerdings wird während des Nachladens die Sonnenenergie-Speicherung im System 80' unterbrochen. Die Umwälzpumpe 89 fördert das Wasser durch das Ventil 104 über den (ausgeschalteten) Durchlauferhitzer 84 und das Ventil 102 zum Warmwasserboiler 83. Das abgekühlte Wasser gelangt über das Ventil 100 in den Austreiber-Absorber 81", wo es erwärmt wird, bevor es über die Ventile 97" und 105 zur Pumpe 89 zurückgeführt wird. Die Absorbatverdampfungswärme wird in diesem Fall auch durch das erwärmte, aus dem Austreiber-Absorber austretende Wasser gedeckt. Durch die Ventile 97", 98, 90", die Umwälzpumpe 88" und schliesslich durch die Ventile 92", 100 wird das Wasser wieder zum Austreiber-Absorber 81" zurückgeführt.
Der Reaktionsdruck wird durch das Dreiweg-Bypass-Regelventil 90" geregelt.
c) Tagesbetrieb in der Übergangszeit
Bei dieser Betriebsart wird die Sonnenwärme neben der Erwärmung des Warmwasserboilers auch für die Heizung gebraucht. Die beiden Systeme 80' und 80" arbeiten alternierend wie im Sommerbetrieb.
System 80' wird z.B. aufgeladen, gleich wie unter a) beschrieben. Auch System 80" kann genau gleich und mit erster Priorität zum Aufladen des Warmwasserboilers 83 gebraucht werden. Im Heizbetrieb wird das Heizungswasser mit der Pumpe 87 durch die Radiatoren umgewälzt. Die Zimmertemperaturregulierung lässt bei zu niedriger Temperatur das Dreiweg Regelventil 91 in Richtung des Ventils 100 des Austreiber-Absorbers 81" öffnen. Das im Austreiber-Absorber erwärmte Wasser strömt dann über die Ventile 97" und 105 in den Heizwasserkreislauf zurück.
Die Absorbatverdampfung wird mit Vorteil mit Sonnenwärme vorgenommen. Die Pumpe 88" drückt das Wasser durch die Ventile 92", 93" und 94" zum Sonnenkollektor 85. Von hier gelangt das erwärmte Wasser über das Ventil 96" zum Bypass Regelventil 90" und damit zum Absorbatbehälter. Die Absorbatverdampfung im System 80" und die Absorbataustreibung bzw. Speicherung im System 80' werden gleichzeitig mit Sonnenwärme vorgenommen. Ist zu wenig Sonnenwärme vorhanden, so wird die Heizung mit dem System 80" fortgesetzt, indem die Absorbatverdampfung auf gleiche Weise von der Absorption gedeckt wird, wie es unter b) bei der Nachladung des Warmwasserboilers beschrieben worden ist. Soweit Wärme im Salzschmelz-Latentspeicher geladen wurde (siehe nächsten Abschnitt: Nachtbetrieb in der Übergangszeit), so wird diese Wärme mit Priorität zur Absorbatverdampfung verwendet.
d) Nachtbetrieb in der Übergangszeit
An sonnenarmen Tagen wird das jeweils in der Speicherphase arbeitende System nicht voll aufgeladen. Je nach Heizbedarf wird die Nachladung mit Wärme aus elektrischem Strom während der darauffolgenden Nacht nötig. Bei der Nachladung wird das Wasser mit der Umwälzpumpe 89 durch das Ventil 104 zum Durchlauferhitzer 84 geleitet, wo es erwärmt wird. Anschliessend fliesst es durch die Ventile 102 und 101 zum Austreiber-Absorber (z.B. des Systems 80'), wo die restliche Austreibung stattfindet, und von hier über das Ventil 97' zur Pumpe 89 zurück. Während der Austreibung mit elektrischer Nachtenergie kann die Kondensationswärme des Absorbates entweder im Salzschmelz-Speicher gespeichert oder direkt zur Heizung benutzt werden.
Im ersten Fall wird das Wasser von der Pumpe 88' über die Ventile 92', 93', 94' und 95' zum Latentspeicher 82' geführt, von wo es zum Bypass-Regelventil 90' und damit zum Absorbatbehälter gelangt. Mit dem gleichen Kreislauf wird die Wärme dem Salzschmelz-Speicher wieder entnommen und zur Absorbatverdampfung verwendet. Während des Aufladens des Salzschmelz-Speichers ist der Bypass des Ventils 90' geschlossen. Während der Absorbatverdampfung regelt das Ventil 90' auch in diesem Fall den Betriebsdruck. Wird die Absorbat-Kondensationswärme direkt zur Heizung benutzt, so wird das Wasser von der Pumpe 88' über die Ventile 92', 93', 94' und 95' zum Heizungs-Dreiweg-Regelventil 91 und damit zum Radiator-Kreislauf geführt.
Von hier gelangt es über die Rückschlagsklappe 106, das Ventil 98 und das Bypass-Regelventil 90' wieder zum Absorbatbehälter.
Die Aufladung oder Nachladung des Gebrauchswarmwasserboilers 83 geschieht mit der Pumpe 89, welche das Wasser über das Ventil 104 zum Durchlauferhitzer 84 und über das Ventil 102 zum Boiler 83 drückt, von wo es über das Ventil 103 zur Saugseite der Pumpe gelangt. Dieser Ladevorgang geschieht alternativ zur Aufladung des Wärmetransformators.
e) Nachtbetrieb im Winter
Soweit Sonnenwärme gesammelt werden kann, wird die Wärmepumpenanordnung auch im Winter gleich wie in der Übergangszeit, und damit wie unter Punkt c) und d) beschrieben, betrieben. In der kältesten Jahreszeit kann die Sonnenenergie den Wärmebedarf bei weitem nicht decken. Die Austreibung wird also hauptsächlich oder ganz in der Nacht mit elektrischer Energie erfolgen. Die beiden Speichersysteme 80', 80" sind für die Aufladung in Serie geschaltet. Die Pumpe 89 drückt das Wasser über das Ventil 104 zum Durchlauferhitzer 84. Von hier gelangt es über die Ventile 102 und 101 zum Austreiber-Absorber 81', dann über die Ventile 97' und 99 zum Absorber 81" und schliesslich über das Ventil 97" zur Pumpe 89 zurück.
Die Kondensationswärme des ausgetriebenen Absorbates kann entweder direkt zur Heizung gebraucht werden, oder sie wird in den Salzschmelz-Speicher geladen, wie unter d) beschrieben.
f) Tagesbetrieb im Winter
Zur kältesten Jahreszeit werden die beiden Speichersysteme in Serie geschaltet. Vom Heizungsregelventil 81 gelangt das Wasser über Ventil 100 zum Austreiber-Absorber 81', dann über die Ventile 97' und 99 zum Austreiber-Absorber 81" und schliesslich über die Ventile 97" und 105 zurück zum Radiatorenkreislauf H. Die Umwälzung wird von der Heizungspumpe 87 bewerkstelligt. Da die Nutztemperatur des Heizwassers im Austreiber-Absorber 81" erreicht wird, erfolgt die Absorbatverdampfung dieses Systems mit Wärme aus dem Latentspeicher 82", wie unter Punkt d) beschrieben. Im System 80' kann dafür ein etwas niedriger Druck herrschen, so dass hier die Wärme aus der Abluft zur Absorbatverdampfung genutzt werden kann.
Der Wasserkreislauf ist dabei genau gleich wie bei der Abgabe der Kondensationswärme an die Aussenluft gemäss Punkt a), nur der Wärmefluss ist umgekehrt, und der Luft-/ Wasser-Wärmeaustauscher 86 wird von der Gebäudeabluft angeströmt. Soweit doch noch ein wenig Sonnenwärme zur Verfügung steht, kann sie zur Absorbatverdampfung im System 80' benutzt werden.
Zusammenfassend wird nachstehend auf die Vorteile der vorbeschriebenen Erfindung hingewiesen: - In der als Speicher wirkenden Wärmepumpenanordnung ist die Energie während der Wärmeentnahme sowohl in der chemisch gebundenen Form als auch als Wärme vorhanden. Die Freisetzung der gebundenen Energie erfolgt selbstregelnd, dem Bedarf bzw. der abgeführten Wärmemenge entsprechend. Das Temperaturniveau der Wärmefreisetzung entspricht der normalen Heiz- bzw. Gebrauchswarmwassertemperatur des Haushaltes; auch die bei tieferer Temperatur gesammelte und gespeicherte Sonnenenergie kann mit einem vernünftigen Wirkungsgrad auf das verlangte Temperaturniveau transformiert werden.
Ein aufgeladener Wärmetransformator kann die chemisch gebundene Wärme über beliebig lange Zeiträume in kaltem Zu stand, d.h. auf Umgebungstemperatur, speichern. Während der
Freisetzung der Wärme entspricht die Speichertemperatur der normalen Warmwasserboilertemperatur. Dementsprechend sind die Isolationskosten und die Wärmeverluste niedrig.
- Die Speicherung mit wärmetransformierenden Eigen schaften beansprucht etwa 1/4 des Volumens und 1/3 des Gewichtes eines konventionellen Warmwasserspeichers für Sonnenwärme, unter Annahme einerTemperaturspreizung des Wassers von 17 "C. Dadurch werden beträchtliche Volumeneinsparungen erzielt.
- In bezug auf die Kosten müssen die Werte der Speichermasse, des Behälters und der Isolation unterschieden werden.
Die Isolationskosten des Wärmetransformators entsprechen den Kosten eines Warmwasserboilers gleicher Grösse. Damit sind sie, auf die gespeicherte Energiemenge bezogen, erheblich niedriger.
- Da die Isolation nur während der Austausch- bzw. der Heizphase wirksam ist, sind die Wärmeverluste im Durchschnitt entsprechend niedrig. Während der Freisetzung der gespeicherten Wärme herrscht im Wärmetransformator ein Druck, der gleich dem Druck eines Heisswasserspeichers bei etwa 150 "C Speichertemperatur ist. Zu beachten ist auch, dass bei einem etwaigen Bruch oder bei Leckage nur ein kleiner Teil des ungiftigen und nur schwer wahrnehmbaren Absorbatgases entweichen kann. Die gespeicherte Energie wird jedoch nicht freigesetzt, wie z.B. beim Heisswasserboiler in einem ähnlichen Schadensfall. Die Konsequenzen sind entsprechend milder. Die Kosten der chemischen Speichermasse sind nur ein Bruchteil der Behälterkosten.
- Für das Funktionieren der Wärmepumpenanordnung allein wird keine Fremdenergie benötigt. Wie jedes Sonnenwärme-Heizsystem, muss aber die Wärmepumpenanordnung für die Überbrückung längerer Schlechtwetterperioden zur Sicherung des gleichmässigen Komfortes durch eine Heizung aus einer anderen Energiequelle ergänzt werden. Dies geschieht besonders einfach durch den Einbau der elektrischen Heizung in den Speicher. So funktioniert die Wärmepumpenanordnung bei schlechtem Wetter wie eine gewöhnliche Nachtspeicherheizung.
Gegenüber der Ergänzung eines Sonnenenergie-Heizsystems mit einer herkömmlichen Wärmepumpe ohne Speicherung liegt der Vorteil im Verbrauch von Nachtstrom.
- Langfristig gesehen, spielen auch energiepolitische Aspekte eine Rolle, da in Zukunft ein erheblicher Teil der elektrischen Energie durch Kernkraftwerke geliefert wird.
Es ist bekannt, dass Kernkraftwerke mit Vorteil Grundlast fahren sollten. In Schwachlastzeiten kann die überschüssige Energie zum Pumpen in Pumpspeicherwerken genutzt werden.
Die Fahrweise der Kernkraftwerke trägt auch dazu bei, dass der Nachtstrom billiger ist als der Tages- oder Spitzenstrom. Mit zunehmendem Anteil der Kernkraftwerke an der Energieversorgung wird dies noch ausgeprägter.
Die Möglichkeit des Baus zentraler Energiespeicher, d.h.
Pumpspeicherwerke, ist geographisch begrenzt und erfordert grosse Investitionen. Die gespeicherte Energie wird zur Dekkung des Spitzenbedarfes freigesetzt, so dass die ungleichmässige Belastung des Verteilnetzes bestehen bleibt. Günstiger wäre die dezentrale Speicherung der Energie, da dadurch auch die gleichmässige Belastung der Verteilanlagen erreicht werden könnte.
Haushalt und Gewerbe benötigen heute in den Industrieländen nahezu die Hälfte der zur Verfügung stehenden Primärenergie. Mehr als zwei Drittel davon werden für Raumheizung und Gebrauchswarmwasseraufbereitung verwendet. Für diesen Zweck genügt Wärme, die nicht allzu hochwertig ist: der direkte Einsatz der hochwertigen elektrischen Tagesenergie ist nicht sinnvoll. Wärmepumpen vermehren zwar die elektrische Tagesenergie durch Transformation der Umgebungswärme, die Möglichkeit der Sammlung dieser Umgebungswärme ist jedoch mit Schwierigkeiten verbunden. Damit fehlt die eigentliche Wärmequelle. Sehen wir wegen Vereisungsgefahr von der Um gebungsluft als Wärmequelle ab, so ist die einzige, überall zu gängliche Wärmequelle vor Ort des Verbrauches die Sonnenstrahlung.
Ihre direkte Nutzung ist allerdings wegen der meteorologischen Schwankungen und der damit verbundenen, un gleichmässigen Verfügbarkeit ohne Lösung der kurz- und mit telfristigen Speicherung begrenzt.
Die kombinierte Verwendung des billigen Nachtstromes und der Sonnenenergie zur Deckung des Haushaltswärmebedarfes wird nun durch die vorliegende Erfindung gewährleistet.
Damit bietet sie eine echte Alternative zum Heizöl. Der zu erwartende Beitrag der Sonnenenergie an die Energieversorgung wird auf etwa 2-5% geschätzt. Mit dem Einsatz der Wärmepumpenanordnung kann dieser Wert erheblich steigen. Die wesentliche Bedeutung der kurz- und mittelfristigen Energiespeicherung liegt darin, dass mit ihrer Hilfe Energieangebot, Verteilung und Verbrauch aufeinander abgestimmt werden können. Dies eröffnet einen grösseren technologischen Spielraum, der zur wirtschaftlicheren Gewinnung, Verteilung und kombinierten Nutzung der elektrischen und der Sonnenenergie führen kann.
Die energiepolitischen Hauptvorteile der Wärmepumpenanordnung zur kombinierten Nutzung der Sonnenenergie und des Nachtstromes sind: - erhebliche Komfortverbesserung und damit die Möglichkeit der besseren Verbreitung der Sonnenenergieheizung; - bessere Ausnützung der Stromerzeugungs- und Verteilanlagen; - erhöhte Versorgungssicherheit und vermehrte Unabhängigkeit vom Erdöl; - Eliminierung der Rivalität der Sonnenenergie und der Kernenergie aus der energiepolitischen Diskussion, da sich diese beiden Energiequellen nun ideal ergänzen; - da Heizwärme und Warmwasserverbrauch überwiegend vom Öl gedeckt werden und etwa 5040% des Gesamtenergieverbrauchs ausmachen, sind die Vorteile der beschriebenen Wärmepumpenanordnung augenfällig.
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PATENT CLAIMS
1. Process for the periodic storage and release of heat using at least one heat transformer with a working medium enclosed therein, which can be converted into a gaseous and a solid component by an endothermic, reversible reaction, characterized in that in a storage phase that in the expeller-absorber part of the heat transformer Work equipment housed heat is supplied to release the gaseous component, which flows into the condenser-evaporator part of the heat transformer, where it is condensed to give off heat, and that the condensate in the condenser-evaporator part is evaporated in a discharge phase and with the release of reaction heat in the expeller-absorber part is bound again to the solid component.
2nd A method according to claim 1, characterized in that solar heat and / or electrically generated heat is supplied in the storage phase, and that the heat to be dissipated in the condensation is released to the environment and / or to a latent heat storage.
3rd A method according to claim 1, characterized in that the reaction heat released in the storage phase is released to a water heater and / or to a space heating system.
4th A method according to claim 1, characterized in that the heat supplied in the storage phase has a lower temperature than the heat released during storage.
5. A method according to claim 1, characterized in that the gaseous component of the working medium is methylamine or ethylamine.
6. A method according to claim 1, characterized in that the solid component of the working medium is calcium and / or lithium and / or magnesium chloride.
7. A method according to claim 1, characterized in that at least two heat transformers are coupled to form a multi-stage heat pump unit, and that the heat released during the storage from the first heat transformer is at least partially temporarily stored in the second heat transformer and then released at a higher temperature level.
8th. Method according to claim 7, characterized in that in the case of a heat pump unit consisting of at least three heat transformers, part of the heat released during storage is fed to the third heat transformer, and that this heat is also temporarily stored and released at a higher temperature level, the third heat transformer alternatively is operated for heating purposes or as an absorption chiller for air conditioning.
9. A method according to claim 1 or claim 7 or claim 8, characterized in that the single or multi-stage heat pump unit is operated together with a further, identical unit, and that the heat is alternately stored in one unit and released in the other unit.
10th Heat pump arrangement for carrying out the method according to claim 1, characterized by at least one self-contained heat transformer (1, 31, 41, 50, 81 ', 81 "), consisting of an expeller absorber part (2, 32, 42, 55) and one with this connected condenser evaporator part (3, 33, 43, 54), the working fluid being housed in the heat transformer without loss.
11. Heat pump arrangement according to claim 10, characterized in that the heat transformer (50) and a latent heat accumulator (52) are combined to form a storage unit.
12. Heat pump arrangement according to Claim 11, characterized in that the cylindrical heat transformer (50) is accommodated in a cuboid housing, in the corners of which the latent heat accumulator (52) consisting of four parts is arranged.
13. Heat pump arrangement according to claim 10, characterized in that several heat transformers (1, 31, 41) are combined to form a multi-stage heat pump unit.
14. Heat pump arrangement according to claim 10 or claim 13, characterized in that in addition to a single or multi-stage heat pump unit, a further, identical unit is provided, the units being coupled to one another in such a way that alternately one unit for storing heat and the other unit for storing is operated by heat.
15. Heat pump arrangement according to Claim 11 or Claim 12, characterized in that the latent heat store (52) contains water or a salt which can be melted when heat is supplied.
The invention relates to a method for the periodic storage and release of heat using at least one heat transformer with a working medium enclosed therein, which can be converted into a gaseous and a solid component by an endothermic, reversible reaction. The invention further relates to a heat pump arrangement for performing this method.
Latent heat stores are known which work as earthenware or hot water stores or which utilize the heat of fusion of various salts for storage. These latent heat stores are disadvantageous because the storage is associated with great losses and the heat can be recovered at the same temperature level as when it was stored.
A heat store would be desirable, in particular for storing solar heat and / or electrically generated heat, e.g. B. as night storage heater.
In order to still be able to use low-temperature heat, for example from the low-lying sun, the collected and stored heat should be able to be released again at a higher temperature level.
Finally, it should also be possible to avoid the problem of the heat losses of conventional heat storage devices increasing in proportion to the storage time.
Material pairs are now known which undergo reversible chemical reactions in the temperature range of approximately 0-100 ° C., the heat of reaction being bound or depending on the direction of the reaction. is released. It is now possible to use such endothermic reactions to store heat.
The substances mentioned include the halides of the alkali and alkaline earth metals with ammonia, methylamine, ethylamine, etc.
The working materials which are suitable for the technical evaluation for chemical heat storage are material pairs which are present as solid, powdery salts and in which a gaseous component can be expelled by the application of heat. Of particular interest are those gaseous components or absorbates that enter their liquid phase at the expulsion pressure and a condensation temperature that is not too low below the expulsion temperature. In the condensed state, such absorbates can be stored in a space-saving manner without heat loss.
The method according to the invention consists in that in a storage phase that in the expeller absorber part of the heat
Working fluid housed in the transformer is released to release the gaseous component which flows into the condenser-evaporator part of the heat transformer, where it is condensed with heat being given off, and that the condensate in the condenser-evaporator part is evaporated in a removal phase and with the release of reaction heat in the expeller. Absorber part is bound again to the solid component.
According to the invention, the heat pump arrangement for carrying out the method is characterized by at least one self-contained heat transformer, consisting of an expeller absorber part and a condenser-evaporator part connected to it, the working medium being accommodated in the heat transformer without loss.
The released heat can be used directly as useful heat for room heating or domestic water heating. But it can also be delivered to the next stage of a multi-stage heat pump arrangement. This makes it possible to further increase the temperature level of the useful heat.
It is also expedient to couple two periodically operating heat pump arrangements (one or more stages) and to operate them out of phase. Alternately, heat is stored in one arrangement, while useful heat is extracted from the other arrangement, in order to maintain a continuity of the useful heat emission.
Exemplary embodiments of the invention will now be explained in more detail with reference to the drawings. Show it:
Fig. 1 schematically shows a heat pump arrangement with a heat transformer for alternative storage of solar heat or electrically generated heat,
Fig. 2 the pressure and temperature conditions in the heat transformer according to FIG. 1 when storing solar energy.
Fig. 3 that of Fig. 2 corresponding pressure / temperature diagram when emitting stored heat from the heat transformer according to FIG. 1,
Fig. 4 schematically shows a multi-stage heat pump arrangement with three heat transformers during the exchange phase,
Fig. 5 schematically shows a part of the arrangement according to FIG. 4 during heating or
Cooling phase, a heat transformer for heating and a further heat transformer for room air conditioning being used,
Fig. 6 schematically shows a part of the arrangement according to FIG. 4, two heat transformers being connected in parallel for winter operation,
Fig. 7 the pressure and temperature conditions during the exchange phase of the multi-stage heat pump arrangement according to FIG. 4,
Fig. 8 the pressure and temperature conditions during the heating phase in the multi-stage heat pump arrangement according to FIG. 4,
Fig. 9 shows the heat flow diagram of the multi-stage heat pump arrangement according to FIG. 4,
Fig. 10 the working range of a heat transformer, as a function of the storage temperature and the outside temperature, the respective process pressure being entered as a parameter,
Fig.
11 the working range of a heat transformer, as a function of the useful heat temperature and the absorption vaporization temperature, the respective process pressure again being entered as a parameter,
Fig. 12 shows a section through an embodiment in which a heat transformer and a salt melt latent storage unit are combined to form an operating unit,
Fig. 13 the floor plan of the operating unit according to FIG. 12,
Fig. 14 shows a section along the line XIV-XIV according to FIG.
12, the heat exchanger absorber plate being shown,
Fig. 15 shows a side view of the heat exchanger absorber plate according to FIG. 14 in the direction of arrow XV,
Fig. 16 schematically shows the structure and routing of the heat transformer according to FIG. 12 and
Fig. 17 a one-stage heat pump arrangement, two heat transformers being coupled to one another and alternately in the storage phase or work in the heating phase.
In the case of the 1 shown heat pump arrangement with the heat transformer 1, it can be an independent system or the first stage of a multi-stage system. The material pair methylamine calcium chloride, which is enclosed in the encapsulated heat transformer 1, serves as working medium A. The latter consists of an expeller absorber part 2, which is connected to a condenser-evaporator part 3. The solar heat collected by the solar collector 4 is supplied to the working medium A in the expeller-absorber part 2 via an intermediate medium, for example air or water, by means of the heat exchanger 5.
This triggers the following endothermic reversible reaction:
EMI2. 1
The gaseous methylamine 4CH3NH2 (component Al) released during the expulsion flows into the condenser evaporator part 3, where it is condensed, while the solid substrate (component A2) remains in the expeller absorber part 2.
The condensation worms ca released during the condensation of the methylamine Al are released into the environment, for example to the outside air L, by means of the heat exchanger 6.
If the available solar energy is not sufficient for the complete expulsion of the methylamine, the remaining expulsion can be carried out with electrical energy, e.g. B. with the electric heater 7 and the heat exchanger 8, take place.
Since temperature and pressure during the expulsion with electricity can take on higher values, the heat of condensation, which is also produced at higher temperatures, is expediently not released into the outside air, but is supplied via the heat exchanger 9 to the additional storage 10, which acts as a latent storage. In the additional storage 10 there may be water that is heated or a salt could be melted. The heater 7, the additional storage 10 and the corresponding heat exchanger 8 or 9 are in the Fig.
1 shown in dashed lines.
To illustrate the process sequence, it is assumed, for example, that the sun heats the intermediate medium in collector 4 to 45 ° C. and the temperature of the outside air is 5 ° C. In a first approximation, the heat losses are neglected. Since there are sufficiently long times available for the heat exchange process, a temperature difference of 5 "C is considered to be realizable for all heat transfers. These ratios are log p - l / T in the pressure / temperature diagram (Fig. 2), with A the tension curve of the working medium, with Al the tension curve of methylamine and with Aa and Aic the corresponding expulsion or Condensation points are designated.
The methylamine Al is released at 40 "C and condenses at 10" C, the heat of condensation being released to the environment at 5 "C. The process runs independently at a constant pressure of around 2 bar. During the expulsion process, about 4 molecules of methylamine A1 are released from the saturated compound A. QA = 242 kcal of heat is bound per kg of total weight of the work equipment. Since the molecular weight of the saturated working fluid 296 is that of the methylamine 31, the weight loss during the expulsion is: gA = 4 31/296 = 41.9%
Based on 1 kg total weight of the saturated working medium, the solar energy bound during the expulsion (242 kcal) is defined as 100%.
The heat of condensation qc of methylamine is 201.6 kcal / kg at 10 "C. The amount of heat released into the environment during the condensation of methylamine is:
EMI3. 1
Based on the originally bound heat from the sun, 34.9% is released into the outside air and the rest chemically bound.
The storage process is largely self-regulating and is triggered as soon as heat for the expulsion of the methylamine is fed to the heat transformer.
As can be seen from the log p - l / T diagram in FIG. 2, the temperatures of the expulsion (40 "C) and the condensation (10" C) correspond to a process pressure of 2 bar.
Compared to the direct use of solar heat, for example for heating purposes, about 1/3 of the energy is lost during storage. For this, the chemically bound energy can be stored losslessly over a long period of time and used again if necessary. In addition, the heat pump effect means that more and more low-temperature solar heat can be used and stored and then transformed to a higher temperature.
To remove the chemically bound heat, the methylamine condensate located in the condenser-evaporator part 3 is evaporated. The gaseous methylamine Al then gets into the expeller-absorber part 2, where it connects again with the absorber A2, whereby useful heat is released by the exothermic reaction.
The unloading process is shown in the log p-1 / T diagram in FIG. 3 recorded.
In order to obtain useful heat, for example of 53 "C, the transformation process is carried out at a pressure of 5.4 bar in the opposite direction. If solar energy is available for the vaporization of the liquid methylamine, this can be used at 42 "C. Otherwise, part of the heat of reaction or heat from the additional storage 10 is used for the evaporation. The methylamine condensate evaporates at 37 "C (point Aiv) and the absorption takes place at 58" C (point Ab).
Assuming that the heat of vaporization is covered by the absorption process, the amount of heat remains:
EMI3. 2nd
This amount of heat can be used directly for heating purposes or for hot water preparation, for example.
Around 65% of the solar energy originally collected at a temperature of 45 "C is still available for use, whereby the temperature has been increased to the more valuable level of 53" C by the heat pump effect.
The heat pump arrangement described can be used as a pure solar heat storage heater, as a pure night-time power storage heater or expediently as a combination of the two. However, it can also serve as the first stage of a multi-pump arrangement.
Below is now based on the Fig. 4 to 6 explains a multi-stage heat pump arrangement in which the heat transformer 1 according to FIG. 1 is coupled in a somewhat modified version with two further heat transformers 31 and 41 in order to supply heating energy of higher temperature or also cooling heat for the air conditioning.
All three heat transformers 1, 31, 41 are encapsulated, so that the working fluid contained in them cannot escape. The heat is supplied and removed between the work equipment via heat exchangers in the expeller absorber parts 2, 32, 42 or the condenser-evaporator parts 3, 33, 43 of these heat transformers.
While methylamine calcium chloride (working fluid A) is still used in the first heat transformer 1, 31.41 methylamine lithium chloride (working fluid B) is charged in the other two heat transformers.
In the function of the multi-stage heat pump arrangement, three different work phases can be distinguished: a storage, an exchange and a heating or
a cooling phase.
In the storage phase, as already described in the description of FIG. 1 has been mentioned, some of the heat from the sun is bound in the first heat transformer 1 and, if appropriate, heat of condensation at a higher temperature is also released into the additional store 10.
During the exchange phase, which is shown in Fig. 4, the energy stored in the first heat transformer 1 is released and serves to expel the gaseous components from the working means of the heat transformers 31 and 41. For this purpose, the expeller absorber part 2 is connected to the expeller absorber parts 32 and 42 via the heat exchangers 11, 12.
To release the heat in the heat transformer 1, provided that the sun is shining during the exchange phase, its heat can be supplied to the condenser-evaporator part 3 via the collector 4 and the heat from the exchanger circuit 13 in order to evaporate the liquid methanyl. Otherwise, the heat present in the additional store 10 via the circuit 14 or part of the heat of reaction via the circuit 15 can be used for this purpose.
The heat of condensation of the gaseous component B1 released from the working media B of the heat transformers 31 and 41 is given off to the outside air L by the heat exchangers 16, 17 and the circuit 18. Following the exchange phase, there is still the possibility of supplementing the stored energy supply with electrical energy by continued expulsion with the heater 19 and the heat exchangers 20 and 21. During the expulsion with electrical energy, the heat of condensation from the condenser-evaporator parts 33, 43 is stored in the container 10 via the circuit 22.
During the heating or Cooling phase, which is shown in FIG. 5, the condensate is evaporated in the two condenser evaporator parts 33, 43 and absorbed in the expeller-absorber parts 32, 42. If the heat transformer 41 is used for room air conditioning, the heat of vaporization is removed from the room air RL by the cooling circuit 23. The resulting in the expeller absorber 42 absorption heat is either released with the exchanger system 24 to the outside air L, depending on requirements and temperature conditions, or it is stored in the container 10 and thus serves z. B. the evaporation of the condensate in the condenser-evaporator part 33 of the heat transformer 31. The evaporation in the condenser-evaporator part 33 can, depending on availability and temperature conditions with solar heat, with the stored in the container 10 and thus z. B.
heat recovered from the exhaust air or with the inherent heat of absorption from the expeller absorber part 32. In the latter case, the heat from this part 32 is fed to the condenser-evaporator part 33 with the exchanger system 25. The heat of absorption released in the expeller absorber part 32 is exchanged with the exchanger 26 of the building heating system H or the domestic hot water preparation W fed. In summer, the heat transformer 31 is used for hot water treatment and the heat transformer 41 for air conditioning. In the transition period, the heat transformer 31 additionally heats the building heater H and the heat transformer 41 is either not used or it is used to recover the heat from the exhaust air.
In winter, the two heat transformers 31 and 41 are connected in parallel and both are used for heating, as shown in Fig. 6 is shown. In this case, the heat of reaction released in the expeller-absorber part 42 is supplied to the building heating H and the domestic hot water preparation W with the exchanger 27. The heat source for the evaporation of the condensate is identical in the two condenser-evaporator parts 33, 43.
With regard to the heat balance and the efficiency of the multi-stage heat pump arrangement, reference is made to the log p-1 / T diagrams. For the time being, the exchange phase is initiated by removing the stored heat from the first heat transformer. As already described for the single-stage system, the liquid methylamine is evaporated at 37 ° C. and the chemical reaction is carried out in the opposite direction at 5.4 bar. The heat of vaporization is covered by the absorption process. The rest of the heat released at 58 ° C. is then 157.5 kcal / kg and is used for the expulsion of one molecule of methylamine from the compound LiCI - 3CH3NH2 (working medium B) of the heat transformer 31.
The expelled methylamine condenses again at 10 "C. The heat of condensation is released to the outside air again at 5 "C. In the heat transformer 31, the condensation pressure of the methylamine of 2 bar prevails during the exchange phase. The expulsion is carried out at 53 "C. The combined absorption / expulsion process of the exchange phase is shown in Fig. 7 shown.
Since methylamine is released in both tools A and B during the expulsion, the voltage curve Al is identical to the voltage curve B1. In this phase, an intermediate heat carrier circulates between the two tools A and B. The available temperature difference of 5 "C is sufficient for the heat transfer. The molecular weight of working medium B is 134. The weight loss of substance B is therefore: gB = 31/134 = 23.1%
The corresponding reversible chemical reaction is:
EMI4. 1
To drive out 1 molecule of methylamine from substance B, qBd = 84.1 kcal / kg of heat is required.
The weight ratio of the amounts of the two substances A and B involved in the heat exchange results from the ratio of the amounts of heat exchanged:
EMI4. 2nd
byBzuA
Due to the condensation of the expelled methylamine, the following amount of heat is released to the environment in this phase:
EMI4. 3rd
kcal / kg which corresponds to 36%.
Finally, in the heating phase, the methylamine vaporized at 37 "C under 5.4 bar is absorbed again at 76" C. Since the heat of vaporization of methylamine has to be covered again by the absorption process, the following amount of heat is available:
EMI4. 4th
87.2 = 70.3 kcal / kg, which corresponds to 29% of the originally stored solar heat. With this heat, heating and domestic hot water can be heated to around 71 "C and used to cover household heating requirements under the usual conditions and with the usual equipment. The absorption process of the heating phase is shown in Fig. 8 shown.
To illustrate the heat flow, see Fig. 9 pointed out. In this figure, X1 means the storage phase, X2 the exchange phase and X3 the release of heat from the second heat transformer 31 for heating purposes or for hot water preparation. It should be noted that the stated overall efficiency of 29% means the minimum possible exploitation of solar energy. The efficiency can be improved by evaporating the methylamine in the exchange or heating phase, also using solar heat. The methylamine evaporation in the heating phase is e.g. B. possible if the three phases of energy storage and release extend over two days, but this requires two identical, multi-stage heat pump systems.
1. System 2. system
Night exchange phase 1. Day sunshine Storage phase heating phase
Night exchange phase 2. Day sunshine heating phase storage phase
Night - exchange phase
As can be seen, the continuous heat supply requires that the two identical systems work with a phase shift. Since the heat of methylamine evaporation does not need to be removed from the absorption process, the usable amount of heat increases by the same amount. Viewed in another way, the additional solar heat collected at a lower temperature is immediately converted into usable heat. H. transformed to higher temperature.
The maximum value of the total efficiency in this case is:
EMI4. 5
= (242 - 84.5 - 87.2 + 87.5) / (242 + 87.2) = 47.8%
EMI4. 6
The minimum temperature of the heat carrier coming from the solar collector, at which it is still possible to store the collected heat, is shown in Fig. 10 recorded as a function of the outside temperature. The associated pressure is plotted as a parameter in the corresponding heat transformer. For the heat transfer and for the presence of an acceptable reaction rate, the temperature of the heat transfer medium must be above the minimum, i.e. H. are above the equilibrium temperature. In the Fig. 10 means Ts the storage temperature, Ta the outside temperature and Y the working range.
Analog is in Fig. 11 the line of the chemical equilibrium state for the release of the stored heat in the heating phase is drawn. The chemical reaction takes place when the heat is removed, otherwise it comes to a standstill in a self-regulating manner. The dissipation of the heat and the securing of a sufficient reaction speed require sufficient undercooling of the absorbate. The actual temperature level Tw of the useful heat, i. H. with the heating or Domestic hot water effectively accessible
Temperature is in Fig. 11 indicated as work area Y. As
The abscissa is the required absorbent evaporation temperature Tv. Whether the heat for methylamine evaporation is taken from the molten salt storage, the solar collector or the absorption process has to be decided depending on the current offer.
In summary, it can be stated that the described heat pump arrangement as a solar heat accumulator and heat transformer in addition to an ordinary oil heater for energy saving can be realized without any change in the radiators or other heat distribution devices and without any loss of comfort. Insofar as the heat of the sun can be collected at around 40-50 "C with commercially available collectors, it can be transformed and used with the heat pump arrangement at 70-75" C with an efficiency of 29-48%. After the stored solar energy has been used up, the oil heating must take action. If the heat pump arrangement is additionally heated with electrical night current, the oil heater can also be completely replaced.
Whether and when the replacement of the oil heating becomes current depends on the development of the price for heating oil and night electricity.
A little more than 1/3 of the solar heat collected is lost per transformation stage. In the summer time, the one-step transformation is sufficient for domestic hot water preparation. In this case, the transformation losses are correspondingly lower.
When assessing the transformation losses, the solar collector and the heat pump arrangement must be considered as one unit. If the heat is used directly without a heat transformer, there are no transformation losses, but a higher temperature must prevail in the solar collectors. This means that less heat can be collected. The main advantage of heat transformation is that it allows more heat to be collected at a lower temperature. The prerequisite for the heat transformation is less the absolute temperature of the collected solar heat than the existence of a sufficient temperature gradient to the surroundings.
With regard to the structural design and the routing of a single heat transformer, reference is now made to FIG. 12-16 pointed out.
The floor plan of the heat transformer designed as a storage unit 50 is square, so that, if necessary, a plurality of storage units can be placed directly next to one another in a row. A cylindrical pressure vessel 51 is accommodated in the storage unit 50. Four molten salt latent stores 52 are arranged in the corners of the square unit 50. These are unpressurized steel containers which have the shape of a right-angled triangle in cross section and are slightly concave and of the same height as the pressure vessel 51.
A finned tube 53 runs in the interior of each latent memory 52 over the entire length thereof. The heating water in the finned tube 53 flows through all four latent stores 52 in series. The fins improve the heat transfer between the salt and the heating water. The pressure vessel 51 is subdivided into an absorbent container 54 (condenser-evaporator part) and an absorber container 55 (expeller-absorber part). The two containers 54, 55 are thermally insulated 56 from one another. Normally, the same pressure prevails in the two containers 54, 55, but applications are also possible in which the pressure can be different, which is why the partition 57 is designed as a pressure container base.
Fourteen heat exchange absorber plates 58 are arranged in the absorber container 55 at regular intervals. The
Formation of one of the lower plates is shown in Figs. 14 and 15. The plates 58 are penetrated by three heating water guides and support pipes 59, 60, 61, which are each offset by 120 "from one another. There are 58 on the plates
Welded pipe coils 63, in which the heating water can flow from one support pipe 59, 60, 61 to the other. The circuit of the flow is shown in FIG. 16 can be seen. In the bottom five plates, the heating water flows from the inlet E through the pipe 59 into the pipe 60. At the level of the space between the fifth and sixth plates, the tube 59 is interrupted by a blind flange 62.
From the sixth to the tenth plate, the heating water flows back from pipe 60 into pipe 59. Above the tenth plate, the tube 60 is interrupted by a further blind flange 64. On the top four heat exchanger absorber plates, the pipe coil 63 is arranged offset by 120 ", so that here the heating water flows from pipe 59 to pipe 61. The pipe 61 leads to the outlet A.
The three pipes 59, 60, 61 are connected to each other above the top plate by a straight pipe section 65. The blind flange 66 prevents the water from flowing over from the pipe 59 through the pipe 65 into the pipe 61. A thinner coaxial tube can be arranged in the interior of the tube 60, which is guided from below to the tube section 65.
This thin tube penetrates the blind flange 64 and serves to vent the heat exchanger through the vent valve 67.
Between the tubes 59 and 60, the plates 58 are folded on the edge, these edges 68 touching each other, so that an uninterrupted flat surface is formed over the entire height of the heat exchanger. After the heat exchanger bundle has been welded to the tubes 59, 60, 61, a close-meshed wire mesh 69 is placed around the plates and fastened to the surface resulting from the folding by spot welding. Before the wire mesh 69 is closed in the middle of the surface, the spaces between the absorber plates are filled with the granular working medium. After the wire mesh 69 has been closed, the absorber container 55 is placed in the pressure vessel 51, the insulation 56 is placed on top and the intermediate floor 57 is welded in.
In the upper part of the pressure vessel 51, in the absorbent container 54, there are three condensation evaporator plates 70 of different designs, which are also flowed through by heating water. The circuit of the flow is again shown in Fig. 16 out. The heating water flows from the pipe 72 to the pipe 73 through the pipe coil 75 of the uppermost plate. Between the upper and the middle plates, the tube 72 is interrupted by a blind flange 76, so that the water in the coil of the middle plate flows back from the tube 73 to the tube 72. The lowest plate is rotated by 120 "relative to the middle plate, so that the heating water flows from pipe 72 to pipe 74 and thus to outlet A.
After completion, the pressure cylinder 51 is evacuated and filled with absorbent gas. After the heat storage, in the state charged by heat, the condensed absorbate fills the absorbent container 54 up to almost the height of the top plate. Lines 77, 78 and 79 are connected to the absorbent container and the upper part of the absorber container.
A pressure measuring element and a pressure relief valve are connected to line 72, the latter leading the latter to the outside in the event of overheating of the absorbent gas. A level measuring device is attached between the lines 77 and 78, which shows the level of the condensed absorbate located in the absorbent container 54 and thus provides information about the state of charge of the memory. The absorbent gas can circulate freely between the connections of the lines 77 and 79.
If the required storage capacity is applied by connecting several storage units in parallel, they are installed at the same level. The lines 77, 78 and 79 then serve as connecting lines through which the absorbate can circulate freely. In this arrangement with several storage units, only a single safety valve and a single pressure and level measuring element are required.
Using the Fig. 17, an application of the invention will now be described, in which two single-stage heat pump arrangements 80 ′, 80 ″ are coupled to one another in such a way that one arrangement alternatively works in the storage phase and the other arrangement in the heating phase. Two heat transformers 81 ', 81 "with the associated integrated latent memories 82', 82" form the dual system, the switching and operating states of which will now be explained.
The charging or Reloading the heat transformers 81 ′, 82 ″ with heat from night-time electricity and direct heating of the domestic hot water in the boiler 83 is carried out with the heating water as an intermediate heat carrier, the water being heated in the flow heater 84. The solar collector 85 must be supplemented with a heating water / outside air heat exchanger 86. With this heat exchanger 86, the heat of condensation of the absorbate is released to the outside air L when the heat of the sun is stored. The heat exchanger 86 is advantageously constructed and attached in such a way that it is also possible to recover heat from the exhaust air in the heating phase.
There are a total of four heating water circulation pumps in the system: a common heating pump 87, a common collector circulation pump 89 and a circulation pump 88 ', 88 "for the two heat transformers 81' and 81". In addition to the three-way heating control valve 91, there are two bypass three-way control valves 90 ', 90 "for controlling the absorbent evaporation and thus the pressure.
All other valves 92-105 are three-way solenoid valves of the simplest design. They control the heating water flow and thus determine the operating status. A check valve 106 is also used.
The mode of operation of the double system varies with the outside temperature, must be adapted to the supply of solar energy and follows the day / night cycle: a) Daytime operation in summer
This operating mode is used when there is a large supply of solar energy and there is no need for heating. The collected heat from the sun is only required to process the domestic hot water. Accordingly, one of the two systems (e.g. B. System 80 ') in the storage phase and the other in the heating phase. The circulation pump 89 conveys the water via the valve 104 to the solar collector 85, then via the valves 96 ', 103, 102, 101 to the expeller absorber, where the absorbate is expelled with the heat of the sun and finally via the valve 97' back to the suction side of the pump .
If the temperature in the collector is temporarily insufficient for expulsion, the expeller absorber is bypassed via valves 101 and 105. The circulation pump 88 'presses the water via the valves 92' and 93 'to the heat exchanger 86, then via the control valve 90' to the absorbent container. This circulation ensures that the absorbed heat of condensation is released into the outside air.
b) Night mountain in summer
The domestic hot water boiler 83 is mainly charged at night, but can also be recharged at any time during the day. However, solar energy storage in system 80 'is interrupted during recharging. The circulation pump 89 conveys the water through the valve 104 via the (switched off) instantaneous heater 84 and the valve 102 to the hot water boiler 83. The cooled water passes through the valve 100 into the expeller absorber 81 ", where it is heated before it is returned to the pump 89 via the valves 97" and 105. In this case, the heat of absorption vaporization is also covered by the heated water emerging from the expeller absorber. Through the valves 97 ", 98, 90", the circulation pump 88 "and finally through the valves 92", 100, the water is returned to the expeller absorber 81 ".
The reaction pressure is controlled by the three-way bypass control valve 90 ".
c) Daily operation in the transitional period
In this operating mode, the sun's heat is used for heating in addition to heating the hot water boiler. The two systems 80 'and 80 "work alternately as in summer operation.
System 80 'is e.g. B. charged, same as described under a). System 80 "can also be used in exactly the same way and with first priority for charging the hot water boiler 83. In heating mode, the heating water is circulated with the pump 87 through the radiators. If the temperature is too low, the room temperature regulation allows the three-way control valve 91 to open in the direction of the valve 100 of the expeller absorber 81 ". The water heated in the expeller absorber then flows back into the heating water circuit via valves 97 "and 105.
The absorption of the absorbate is advantageously carried out using solar heat. The pump 88 "pushes the water through valves 92", 93 "and 94" to the solar collector 85. From here, the heated water passes via valve 96 "to the bypass control valve 90" and thus to the absorbent container. The absorbent evaporation in the 80 "system and the expulsion of the absorbate or Storage in system 80 'is carried out simultaneously with solar heat. If there is too little solar heat, the heating is continued with the system 80 "in that the absorbent evaporation is covered by the absorption in the same way as was described under b) when the hot water boiler was recharged. Insofar as heat has been loaded in the salt melt latent storage (see next section: Night operation in the transition period), this heat is used with priority for the absorption of the absorbent.
d) Night operation in the transitional period
On days with little sun, the system operating in the storage phase is not fully charged. Depending on the heating requirements, recharging with heat from electrical power may be necessary during the following night. During the recharge, the water is passed with the circulation pump 89 through the valve 104 to the water heater 84, where it is heated. It then flows through valves 102 and 101 to the expeller absorber (e.g. B. of the system 80 '), where the remaining expulsion takes place, and from here back to the pump 89 via the valve 97'. During the expulsion with electrical night energy, the heat of condensation of the absorbate can either be stored in the molten salt store or used directly for heating.
In the first case, the water is fed from the pump 88 'via the valves 92', 93 ', 94' and 95 'to the latent storage device 82', from where it reaches the bypass control valve 90 'and thus to the absorbent container. With the same cycle, the heat is removed from the molten salt storage and used for evaporating the absorbent. The bypass of valve 90 'is closed while the molten salt reservoir is being charged. In this case too, the valve 90 'regulates the operating pressure during the absorption of the absorbate. If the absorbed condensation heat is used directly for heating, the water is fed from the pump 88 'via the valves 92', 93 ', 94' and 95 'to the heating three-way control valve 91 and thus to the radiator circuit.
From here it reaches the absorbent container again via the non-return flap 106, the valve 98 and the bypass control valve 90 '.
The hot water boiler 83 is charged or recharged with the pump 89, which presses the water via the valve 104 to the water heater 84 and via the valve 102 to the boiler 83, from where it reaches the suction side of the pump via the valve 103. This charging process is an alternative to charging the heat transformer.
e) Night operation in winter
As far as solar heat can be collected, the heat pump arrangement is also operated in winter in the same way as in the transitional period, and thus as described under points c) and d). In the coldest season, solar energy is far from covering the heat requirement. The expulsion will take place mainly or entirely at night with electrical energy. The two storage systems 80 ', 80 "are connected in series for charging. The pump 89 pushes the water through the valve 104 to the water heater 84. From here it returns via the valves 102 and 101 to the expeller absorber 81 ', then via the valves 97' and 99 to the absorber 81 "and finally via the valve 97" to the pump 89.
The heat of condensation of the expelled absorbate can either be used directly for heating or it is loaded into the molten salt storage as described under d).
f) Daily operation in winter
During the coldest season, the two storage systems are connected in series. From the heating control valve 81, the water passes via valve 100 to the expeller absorber 81 ', then via valves 97' and 99 to the expeller absorber 81 "and finally via valves 97" and 105 back to the radiator circuit H. The circulation is accomplished by the heating pump 87. Since the useful temperature of the heating water in the expeller absorber 81 "is reached, the absorbate evaporation of this system takes place with heat from the latent storage 82", as described under point d). The system 80 'may have a somewhat low pressure so that the heat from the exhaust air can be used to evaporate the absorbent.
The water cycle is exactly the same as when the condensation heat is released to the outside air in accordance with point a), only the heat flow is reversed, and the air / water heat exchanger 86 is flown by the building exhaust air. If there is still a little bit of solar heat available, it can be used to evaporate the absorbent in system 80 '.
In summary, the advantages of the above-described invention are pointed out below: In the heat pump arrangement acting as a storage device, the energy during the heat removal is present both in the chemically bound form and as heat. The release of the bound energy is self-regulating, the need or corresponding to the amount of heat dissipated. The temperature level of the heat release corresponds to the normal heating or Domestic hot water temperature of the household; Even the solar energy collected and stored at a lower temperature can be transformed to the required temperature level with reasonable efficiency.
A charged heat transformer can stand the chemically bound heat in cold for any length of time, d. H. to ambient temperature, save. During the
Release of the heat corresponds to the storage temperature of the normal hot water boiler temperature. Accordingly, insulation costs and heat losses are low.
- Storage with heat-transforming properties takes up about 1/4 of the volume and 1/3 of the weight of a conventional hot water tank for solar heat, assuming a temperature spread of the water of 17 "C. This results in considerable volume savings.
- With regard to costs, the values of the storage mass, the container and the insulation must be differentiated.
The insulation costs of the heat transformer correspond to the costs of a hot water boiler of the same size. In relation to the amount of energy stored, they are considerably lower.
- Since the insulation is only is effective during the heating phase, the heat losses are correspondingly low on average. During the release of the stored heat, there is a pressure in the heat transformer which is equal to the pressure of a hot water tank at a storage temperature of approximately 150 ° C. It should also be noted that in the event of a break or leakage, only a small part of the non-toxic and difficult to detect absorbate gas can escape. However, the stored energy is not released, such as. B. with a hot water boiler in a similar damage event. The consequences are correspondingly milder. The cost of chemical storage mass is only a fraction of the cost of the container.
- No external energy is required for the functioning of the heat pump arrangement alone. Like any solar heating system, the heat pump arrangement for bridging longer periods of bad weather must be supplemented by heating from another energy source to ensure even comfort. This is done particularly simply by installing the electric heater in the storage. In bad weather, the heat pump arrangement works like an ordinary night storage heater.
Compared to supplementing a solar energy heating system with a conventional heat pump without storage, the advantage lies in the consumption of night power.
- In the long term, energy policy aspects also play a role, since in the future a substantial part of the electrical energy will be supplied by nuclear power plants.
It is known that nuclear power plants should advantageously run at base load. In low-load times, the excess energy can be used for pumping in pumped storage plants.
The way the nuclear power plants operate also helps to make nighttime electricity cheaper than daytime or peak electricity. With the increasing share of nuclear power plants in energy supply, this becomes even more pronounced.
The possibility of building central energy storage, d. H.
Pumped-storage plants are geographically limited and require large investments. The stored energy is released to cover the peak demand, so that the uneven load on the distribution network remains. Decentralized storage of the energy would be cheaper, since it could also achieve a uniform load on the distribution systems.
Households and businesses today require almost half of the primary energy available in industrialized countries. More than two thirds of this is used for space heating and domestic hot water preparation. For this purpose, heat that is not of high quality is sufficient: the direct use of the high-quality electrical daily energy does not make sense. Although heat pumps increase the daily electrical energy by transforming the ambient heat, the possibility of collecting this ambient heat is associated with difficulties. The actual heat source is therefore missing. If we ignore the ambient air as a heat source because of the risk of icing, the only heat source that is too common everywhere is the sun's radiation.
However, their direct use is limited due to the meteorological fluctuations and the associated uneven availability without the solution of short and medium-term storage.
The combined use of the cheap night-time electricity and solar energy to cover household heating requirements is now guaranteed by the present invention.
It is a real alternative to heating oil. The expected contribution of solar energy to the energy supply is estimated to be around 2-5%. This value can increase significantly with the use of the heat pump arrangement. The essential importance of short and medium-term energy storage is that it can be used to coordinate energy supply, distribution and consumption. This opens up greater technological scope, which can lead to more economical extraction, distribution and combined use of electrical and solar energy.
The main energy policy advantages of the heat pump arrangement for the combined use of solar energy and night power are: - Significant improvement in comfort and thus the possibility of better dissemination of solar energy heating; - better use of power generation and distribution facilities; - increased security of supply and greater independence from oil; - Elimination of the rivalry between solar energy and nuclear energy from the energy policy discussion, since these two energy sources are now ideally complementary; - Since heating and hot water consumption are mainly covered by oil and make up about 5040% of the total energy consumption, the advantages of the described heat pump arrangement are obvious.