-
Die
Kurz-Bezeichnung für
die weiteren Erklärungen
ist „SWKS". Im weiteren Text
steht für: „solar- oder wärmebetriebene
Klimaanlage und/oder Wärmepumpe
mit oder ohne Stromgenerator” die
Abkürzung „SWKS"
-
Das Problem:
-
- – Strom
wird immer teurer, auch für
südlichere
Länder,
und die klimatischen Bedingungen (Globaler Klimawandel) werden extremer
(Hitze- und Kältewellen)
- – Diese
klimatischen (Hitze- und Kälte-)Wellen
werden heute in vielen Ländern
in Büros
und Häusern
durch traditionelle Klimaanlagen (Wärmepumpen) neutralisiert, die
aber noch gemeinsam eine Menge elektrischen Strom verbrauchen, trotz
ihrer hohen Effizienz und das Stromversorgungsnetz extrem belasten
(z. B. durch Hitzewellen).
- – Es
gibt schon die Absorber-Technik (Stand der Technik) die die Sonnenenergie
nutzt, um zu kühlen.
Diese Technik wird heute schon durch aufwendige große Geräte, die
in der Investition sehr teuer und im Aufwand sehr hoch sind (und
nur als Gesamtlösung
für große Gebäude sich
lohnen) genutzt, die aber trotzdem noch Strom verbrauchen.
- – Es
gibt noch keine wirtschaftliche, kältetechnische Einzellösung, die
dem Endverbraucher zur Verfügung steht,
die direkt Solarwärme
oder andere Wärmequellen
preiswert nutzt, um genügend
Kühlung
und Wärme zu
erzeugen, ohne auf das Stromversorgungsnetz zurück zu greifen.
-
Die Lösung:
-
- – Der „SWKS" kann mit der Wärme aus
Solar-Kollektoren oder anderen Wärmequellen
eine Klimaanlage und/oder Wärmepumpe
betreiben.
- – Durch
genügend
Solarwärme
oder andere Wärmequellen
kann der „SWKS" die nötige Kühlung produzieren
und den Überschuss
an Wärmeenergie
in Strom und warmes Brauchwasser verwandeln und das ohne den Anschluss
an das Stromversorgungsnetz. (selbstversorgendes Inselsystem)
- – Je
mehr Wärme
zur Verfügung
steht, desto besser kann der „SWKS" für Kühlung sorgen,
warmes Brauchwasser und mehr Strom produzieren.
-
Anwendungsgebiet:
-
Entwickelt
zur dauerhaften Kühlung
und/oder Heizung, zum aufheizen von Brauchwasser und nebenbei als
selbständiger
Stromversorger des Wärmepumpen
Systems. Zur Nutzung in Haushalten, Häusern, Kleinbetrieben oder
Industriell, speziell für
sonnenbegünstigte
Länder.
-
Funktionsweise des „SWKS" und Erklärung
-
- – Vereinfacht:
bei einem traditionellen Kältemittelkreislauf-Ablauf
(Klimaanlagen und/oder Wärmepumpen-System)
entsteht durch die Komprimierung von Gas im Kompressor mehr Wärmeleistung
als Stromleistung verbraucht wird (Stand der Kältetechnik und/oder Wärmepumpen-Systeme). Nach dem
Expansionsventil entsteht aber die entgegen gesetzte Kälte, die
der zuggewonnenen Wärme
minus Verlusten entspricht. Diese Kälte gibt der Kältemittelkreislauf
durch Wärmetauscher
an die Umgebung ab.
Damit teilt sich der Kreislauf in zwei
Hälften:
Wärmehälfte (Mitteldruck-Hälfte) und
Kältehälfte (Niederdruck-Hälfte). Die
Grenzlinie beider Hälften
verläuft
zwischen Kompressor und Expansionsventil.
– Die Funktionsweise
des „SWKS" basiert auf dem
beschriebenen traditionellen Kältemittelkreislauf
der Kältetechnik
(Klimaanlage, Wärmepumpen
System) und das Nutzen des entstandenen Druckunterschieds (zwischen
dem Expansionsventil und dem Generator). Dieser Druckunterschied
entsteht durch Temperaturunterschiede, die den Zustand vom Kältemittel
(Medium) beeinflussen (Hitze = sehr hoher Druck), (Kälte = niedriger
Druck).
– Der „SWKS" nutzt diese Druckeigenschaft
des Kältemittels:
Wenn man das Kältemittel
durch zusätzliche Wärme leitet,
entsteht ein höherer
Druckunterschied, der als Treibkraft ausreicht für eine Turbine (Kolben-, Linear-Motor
etc. ...), die
A) direkt an einen Generator angeschlossen wird,
um den nötigen
Strom für
den Kompressor zu produzieren und den überschüssigen Rest-Strom in Batterien
zu speichern. Falls kein Kühl-
oder Heizbedarf bestehet, produziert er auch keinen Strom.
Falls
keine Solarwärme
mehr vorhanden ist (z. B. nach Sonnenuntergang), ist in der "A Lösung" die Batterie geladen
und kann diese Zeit in den meisten Fällen überbrücken.
B) ohne Stromgenerator,
direkt (über
Antriebswelle, Keilriemen, Zahnräder,
Linearbewegung etc. mit oder ohne Kupplung) an den Kompressor (sehr
effiziente Lösung
kaum Energieverluste) angeschlossen wird. Gesteuert je nach Kühlbedarf über ein
Ventil welches mehr oder weniger Kältemittel durch lässt oder schließt. Zusätzlich kann
man mit einer elektrischen oder mechanischen Kupplung einen Generator
in Bewegung setzen, falls der Antriebsdruck durch die zugeführte Wärme höher ist
als der Antriebsbedarf des Kompressors und damit zusätzlich Strom
produzieren. (Nachteil dieser "B
Lösung" der Kompressor der
Klimaanlage ist nicht unabhängig
von der Wärmequelle,
dementsprechend sollte die Wärmeisolierung
der Speicher sehr effizient sein. (Nur in Zeichnung 2 als Beispiel
erklärt)
– Der „SWKS" die einfachere "A Lösung" speichert die gewonnene
Energie in Form von:
1.) Wärme
im Wasserspeicher ab. Die dabei entstandene Kälte gibt er an die Innenräume (Klimaanlage), oder
als Wasserkühler
(kaltes Wasser für
warme Länder
im Umkehrprozess Z. 4) und/oder Umgebung ab (Wärmepumpen System).
2.)
Stromüberschuss
vom Generator in den Batterien ab, um ihn bei Bedarf abrufen zu
können
wenn keine Wärme
mehr zur Verfügung
steht. (z. B. Nachts)
– Je mehr Hitze zur Verfügung steht,
desto besser & länger arbeitet
die Klimaanlage (Wärmepumpe)
und der Stromgenerator. Je stärker
die Sonne, desto stärker
die Ausbeute.
– Wenn
keine überschüssige Wärme in den
Wasserspeichern vorhanden ist, kann der „SWKS" nur noch über die Energiereserven der
Batterien (elektrischer Kompressors "A Lösung") als Klimaanlage
oder Wärmepumpe
betrieben werden. (Bei der "B
Lösung", der direkten Bewegungsübertragung
vom Antriebsmotor auf den Kompressor stoppt der „SWKS", da er keine Antriebswärme mehr
zur Verfügung
hat)
– Die
Wärme kann
auch aus anderen Quellen stammen z. B. Windenergie (Tauchsieder),
Erdwärme
industrieller Wärmeüberschuss
etc. ...) nur in diesen Erklärungen
beschränkt
man sich auf Solarwärme
(über Solarkollektoren)
zum vereinfachen.
– Dementsprechend
ist der „SWKS" in unserem Beispiel
anwendbar in sonnen- und/oder wärmebegünstigten
Länder
die auch im Winter (hier als Wärmepumpe
tätig)
Sonne oder Wärmequellen
zur Verfügung
haben.
-
Haupt Bestandteile: Der „SWKS" besteht aus den
folgenden Komponenten
-
handelsüblicher Wasserkreislauf (wärmeleitender
Flüssig-Kreislauf)
-
- A – offener
Brauchwasserkreislauf und/oder
- B – geschlossener
(Heizungskreislauf) Kältemittelkreislauf,
der durch die Wasser- oder Ölspeicher
führt z. B.
bei Brauchwasser Wärmepumpen
System. (Stand der Technik bei Solarspeicher oder Wärmepumpen-Systeme
für Heizungen
und/oder Warmwasser).
– Dieser
handelsüblicher
Wasserkreislauf mit Pumpe, Mischventilen und Bypass-Ventilen kann
auch mit anderen wärmeleitenden
Flüssigkeiten
betrieben werden und wird auf die Erwähnung beschränkt (da
dieser keine Neu-Erfindung darstellt und genügend Fachleute und Standardprodukte
auf dem Markt vorhanden sind, die die Vorgaben erfüllen)
-
Strom- Schaltkreis Komponenten (2 für Ausfälle beim
Insel-System)
-
- – Diese
handelsüblichen
folgenden elektrischen Bestandteile werden auf die Erwähnung (falls
benötigt)
beschränkt
(da diese keine Neu-Erfindung im Zusammenhang mit diesem Patent
darstellen und genügend Fachleute
und Standardprodukte auf dem Markt vorhanden sind, die die Vorgaben
für den
Stromschaltkreis erfüllen
können.
Stromschalt-kreise aus Pkws oder einem Inselsystem würde schon
die Vorgaben erfüllen)
- – Die
Strom-Schnittstellen sind an dem Generator, Laderegler und dem Wechselrichter,
der den Kompressor mit Strom versorgt (falls in dem System vorgesehen
z. B. in der "B
Lösung" entfällt das).
Ohne Wechselrichter, endet das Kabel vom Generators am Laderegler
bzw. an den Batterien. Der Kompressor wird dann elektrisch mit 12
V oder 24 V DC betrieben. (Oder die direkt Einspeisung vom Generator
mit Wechselrichter ins Netz)
- – Wechselrichter
handelsübliche
die DC 12 V in 220 V verwandeln, um bei Bedarf den Strom für den Klimaanlagenkompressor
zu liefern. (Falls in dem System vorgesehen, denn man kann auch
12 V DC Kompressoren benutzen und der Wechselrichter entfällt).
- – 12
V Batterien: handelsübliche,
wartungsfreie oder Gel (Höchstverbrauch
orientiert)
- – Laderegler,
handelsüblicher
(z. B. aus einem PKW), kontrolliert den Ladeprozess und schützt die
Batterien
-
- 1.) Wasserspeicher: Wasser, Öl oder wärmeleitende
Flüssigkeit
Puffer- (5) und oder Wärmespeicher
(9) mit oder ohne Kocher (ein horizontaler Tauchsieder,
um Windenergie in Form von Strom als Heizquelle zu nutzen) mit einer
oder zwei Rohrspulen Die Heiz-Rohrspule in Nr. 9 sollte
ca. 40 Bar druckfest sein, die Kühl-Rohrspule
in Nr. 5 bis zu 20 Bar Druckfestigkeit haben (je nach kältemittel & Temperatur).
(Nr. 5 & 9)
- 2.) Tauchsieder oder elektrischer Kocher in dem Wasserspeicher
(nur in Z. 4) (Nr. 10)
- 3.) Solarkollektoren parallel, ob Flach- oder Vakuumröhren- oder
Rinnen- oder Parabolkollektor oder wärmeabsorbierende Schläuche (Pool
Heizung), ist egal (Nr. 8)
- 4.) Antriebsmotor Turbinenrad, Kolben-Sterling-Linearmotor etc.
... (Nr. 6)
- 5.) Stromgenerator: DC oder AC (mit Gleichrichter auf 12 V)
ist egal, (Nr. 7)
- 6.) Kompressor elektrischer 220 AC oder 12 DC oder mit einer
Drehbewegung Übertragung über eine Kupplung
an den Antriebsmotor angeschlossen (je nach Lösung) (Nr. 1)
- 7.) Expansions-Ventil: einseitig (beidseitig in Z. 1 & 4) (Kältetechnik)
(Nr. 2)
- 8.) Wärmetauscher:
der Außentemperaturen
mit Ventilator (Außeneinheit)
(Nr. 3)
- 9.) Wärmetauscher:
Inneneinheit mit Ventilator und Kondenswasser-Ablauf (Nr. 4)
- 10.) verschiedene Drehventile sind zu beachten, (falls vorhanden)
und deren Richtungen:
Va 4 Anschlüsse – 2×2Wege (2L90°) Verbindung – 2Stück 90° Drehventile
leiten den Kreislauf nach draußen
oder zur Inneneinheit, (immer synchron geschaltet siehe Z. 3 & 4)
Vb 3/4
Anschlüsse – 2&3Wege (T) – 2Stück 180° Drehventil
leiten zum Pufferspeicher oder zum Wärmetauscher Nr. 3 oder
beide zusammen (immer zusammen geschaltet, siehe Z. 2, 3 & 4)
Vc 4
Anschlüsse – 2×2Wege (2L90°) Verbindung – 1Stuck
90° Drehventil
Umkehrprozess des ganzen Kreislaufs nur bei Eisbildung (in Z. 4)
oder für
die Kalt-, Warmentscheidung (in Z. 1)
Vd 2 Anschlüsse – 1Weg regulier
und schließbares
Richtungsventil, nur bei Antriebsübertragung an den Kompressor
als Steuerungsbeispiel für
die "B Lösung" (Nur in Z. 2)
-
Steuerungsmöglichkeiten:
-
- 1.) elektronisch durch ein Steuerungs-Chip.
- 2.) mechanisch durch den Heiz- & Kühl-Thermostat an der Inneneinheit
(und falls vorhanden Thermostat am Wasserspeicher), die die Ventile
2 × Va
und 2 × Vb
synchron drehen und "Ein" und "Aus" Schaltung des elektrischen
Kompressor bzw. Ventil Vd beim direkt Antrieb. (Falls vorhanden
der externen Eissensor mit Relais-Schalter an dem Wärmetauscher
bei Eisbildung kontrolliert den Umkehrprozess des Kreislaufs über Ventil
Vc.)
- 3.) Manuelle Steuerung der Drehventile Va und Vb und "Ein" und "Aus" Schaltung des elektrischen
Kompressor (siehe gepunktete Umrandung der manuellen Inneneinheit
in Z. 4) bzw. über
das Schließventil
Vd für
die "B Lösung"
-
Erklärungen
der Beispiele und der Zeichnungen
-
Generell Erklärungen zu den Zeichnungen (Z.
1 bis 4)
-
Der Wasserkreislauf: (falls in den Teillösungen vorhanden)
-
- – Diagonal
gestreifte Linien zeigen aus Verständnisgründen einige Verbindungen (nicht
den kompletten Wasserkreislauf mit Zirkulationspumpe, Misch- und
Bypass-Ventilen und Brauchwasser Ein- und Auslass) des Wasserkreislaufs
zwischen den Wasserspeichern.
- – Dieser
handelsübliche
Wasserkreislauf mit Pumpe wird auf die Erwähnung beschränkt (da
dieser keine Neuerfindung im Zusammenhang mit diesem Patent darstellt
und genügend
Fachleute und Standardprodukte auf dem Markt vorhanden sind, die
die Vorgaben für
den Wasserkreislauf einfach erfüllen)
z. B. Solarkollektoren und Wärmepumpen-Systeme
zur Heizung und Warmwasserversorgung
-
Der Stromschaltkreis: (je nach Teillösungen)
-
- – Wird
in keiner Darstellung gezeigt, da dieser nur am Generator beginnt
und über
einen Laderegler an den Batterien endet. Über Wechselrichter wird der
Klimaanlagenkompressor mit Strom versorgt oder direkt von der Batterie
bei einem 12 V oder 24 V DC Kompressor.
- – Der
komplette stromproduzierende Prozess wird über
a.) "Ein" und "Aus" Stromschalter des
elektrischen Kompressors betrieben. (Z. 1, 3 & 4)
b.) das Schließ-Richtungsventil
Vd in Gang gesetzt für
die "B Lösung" bei übertragender
Antriebswelle auf den Kompressor. (Siehe Z. 2)
- – Der
handelsübliche
Stromschaltkreis wird auf die Erwähnung beschränkt (da
dieser nicht im Zusammenhang mit diesem Patent erforderlich ist
und kein Problem darstellt) Siehe Standardprodukte Stromschaltkreis
aus einem PKW oder einem Solar-Inselsystem.
-
Der Kältemittelkreislauf:
(je nach Teillösungen)
(Siehe Zeichnungen 1 bis 4)
-
- – Alle
Kreuzungen sind keine Verbindungen der Rohre, außer sie sind in dem Kältemittelkreislauf
mit einem Ventil und einer Bezeichnung versehen.
-
Der traditionelle Kreislauf einer Klimaanlage
(kühlen – heizen) – wärmebetrieben.
(Z. 1)
-
Vom
elektrischen Kompressor Nr. 1 komprimiertes warmes Kältemittel
fließt
in die Heizspule des Speichers Nr. 9. Dort wird zusätzlich Wärme an das
Kältemittel
abgegeben, welches den Druck erhöht.
Das Kältemittel
fließt
(flüchtet
wegen dem hohen Druck) in Richtung Niederdruck durch den Antriebsmotor
Nr. 6 über
das Ventil Vc direkt zur Abkühlungszone
im Wärmetauscher
Nr. 3 (der im Freien steht) zum Expansionsventil Nr. 2 in
die Niederdruck-Zone. Durch das Expansionsventil entsteht Kälte, die über den
Wärmetauscher
Nr. 4 der Inneneinheit der Klimaanlage an den Raum abgegeben
wird. Das Kältemittel
ist danach expandiert (durch den Sog) und wärmer geworden (durch die Innenraumtemperatur),
nur wird es nun wieder angesogen vom Kompressor Nr. 1 über Vc und
so schließt
sich der Kreislauf.
- – in Z. 1 wird direkt Strom
erzeugt und der Kompressor wird elektrisch betrieben.
- – Um
den Innenraum zu heizen in Z. 1 dreht man das Ventil Vc um 90° und so verdreht
man Kälteabgabe mit
der Wärmeabgabe.
(Stand der Technik bei Klimaanlagen)
-
Dieser
oben erklärte
Kreislauf wiederholt sich in allen folgenden Zeichnung, nur werden
Schritt für Schritt
Komponente mit bestimmten Umleitungen hinzugefügt oder ausgetauscht.
-
"Die
B Lösung„ Hier
dargestellt als eine von vielen Kombinationsmöglichkeiten (Z. 2)
-
Das traditionelle Wärmepumpen System als Brauchwasser
Heizer mit integrierter Inneneinheit einer Klimaanlage die nur kühlen kann – wärmebetrieben.
(Z. 2)
-
Das
ist der gleiche traditionelle Kühlkreislauf
nur mit einem zweiten Wasserspeicher Nr. 5 um die Wärme zu nutzen
als Brauchwasser-Heizer. In diesem nicht bindenden Beispiel (alle
Beispiele und andere Kombinationen können auch mit der "B Lösung" betrieben werden)
kann man nur die Inneneinheit zum Kühlen benutzen. Falls der Brauchwasserspeicher
warm genug ist wird über
die 2 Ventile Vb die Wärme
direkt zum Wärmetauscher
Nr. 3 geleitet. (Wie in Z. 2)
- – Hier als
Beispiel für
die "B Lösung" wird der Kompressor
Nr. 1 direkt von dem Antriebsmotor Nr. 6 angetrieben.
(Je nach Wärmeverbrauch,
Druckvorkommen und Reserven kann man den Generator Nr. 7 direkt oder über Kupplung
gepunktete Linien integrieren (Falls vorhanden).
- – Ein-
und ausgeschaltet wird bei der "B
Lösung" über das Richtungs- und Schließ-Ventil
Vd
- – Wie
schon am Anfang erläutert
ist diese Lösung
von höherer
Effizienz und sehr Preiswert, aber nicht dauerhaft einsetzbar. Für ärmere sonnenbegünstigte
Ländern
(z. B. Afrika etc.), könnte
die "B Lösung" eine ideale, sehr
preiswerte und einfache kältetechnische
Lösung
sein für
Bürogebäude, Firmen
oder Hallen die nur tagsüber
frequentiert werden. Ohne Stromgenerator (sehr preiswert), oder
gekoppelt mit Stromproduktion mit zusätzlichen Kosten verbunden (für Generator,
Wechselrichter direkt ins Netz oder Laderegler und Batterien)
-
Die traditionelle Klimaanlage und Heizung
und Wärmepumpe
(für Winter,
die wärmer
als 5°C
sind) als Brauchwasser-Heizer – wärmebetrieben.
(Z. 3)
-
Das
ist der gleiche Kreislauf von Z. 2 aber wieder "A Lösung", nur hier:
- 1.) kann man die Inneneinheit zum Kühlen und
Heizen benutzen, gesteuert über
die zweifach Ventile Va und Vb.
- 2.) ist der Kompressor Nr. 1 elektrisch betrieben und
bekommt den benötigten
Strom vom Stromgenerator Nr. 7. Der überschüssige Strom wird in den Batterien
gespeichert. "A
Lösung".
– Die 2
Va Ventile entscheiden synchron ob der Innenraum gekühlt wird über Nr. 4 oder
die Kälte
an die Umgebung abgegeben wird über
den Wärmetauscher
Nr. 3. Nur im zweiten Fall, kann man über Vb heizen, wenn die Kälte an die
Umgebung abgegeben wird.
– Die
2 Vb Ventile entscheiden synchron ob Brauchwasser beheizt wird in
Nr. 5 oder (nur wenn die Kälte über die 2 Va Ventile an die Umgebung über Nr. 3 abgegeben
wird) der Innenraum durch Nr. 4 oder beide gleichzeitig
(wie in Z. 3) beheizt werden.
-
Die traditionelle Klimaanlage und Heizung
oder Wärmepumpe
(für Winter
oder kälter
als 5°C)
und Wärmenutzung
als Brauchwasser-Heizer – wärmebetrieben.
(Z. 4)
-
Vorraussetzung
es gibt genug Solarwärme
als Antriebskraft. (z. B. Anden, Etiopien etc. ...)
-
Das
ist in allen Details der gleiche Kreislauf von Z. 3 nur mit zusätzlichem:
- – Richtungswechsel-Ventil
Vc, um bei Eisbildung an der Außeneinheit
das Eis kurz wegzuschmelzen (wie in Z. 4) und dann mit diesem Ventil
Vc wieder zum normalen Kreislauf wie in Z. 3 beschrieben zurück zu kehren.
Die Kälte
wird in diesem Beispiel nur kurz an den Brauchwasserspeicher abgegeben
währenddessen
die Außeneinheit
kurz enteist wird.
- – Tauchsieder
oder Kocher Nr. 10, nur als Beispiel, um den Strom aus
der Windenergie direkt als Wärmezufuhrquelle
(speziell im Winter) in den Wasserspeichern Nr. 9 und Nr. 5 zu
nutzen.
-
Schlusswort
-
- – Man
kann diesen Kreislauf vielseitig erweitern. Man schließt z. B.
die Kälteumleitung
bei der Enteisung an Erdwärme
an, oder Keller-wärme
oder mehrere Wärmequellen
oder mehrere Außeneinheiten
oder Inneneinheiten etc. ...
- – Alle
erläuterten
Beispiele sind nicht als bindende Beispiele zu sehen, sonder als
einige Lösungsbeispiele der
vielen möglichen
Kombinationen des „SWKS" zu betrachten.