DE2459171A1 - Verfahren und vorrichtung zur erwaermung von fliessmitteln - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erwaermung von fliessmitteln

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DE2459171A1 DE19742459171 DE2459171A DE2459171A1 DE 2459171 A1 DE2459171 A1 DE 2459171A1 DE 19742459171 DE19742459171 DE 19742459171 DE 2459171 A DE2459171 A DE 2459171A DE 2459171 A1 DE2459171 A1 DE 2459171A1
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Description

Priorität vom 2O4 Dez. 1973 in Schweden, Pat,-Änm,-Nr.73-17316-3
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erwärmung von in verschiedenen Kreisen strömenden Fließmitteln zu verschiedenen Zwecken mittels einer Wärmepumpe, die einen Kühlmittelkreislauf mit einem Expansionsventil, einem Verdampfer, einem Kompressor und einer Kondensatoreinheit aufweist.
Es ist seit langem bekannt, Wärmepumpen zur Erwärmung von Luft und/oder Wasser zur Heizung von Häusern und Leitungswasser zu verwenden» Mit diesen sind aber viele Probleme und Nachteile
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verbunden, die mit der Verwendung von Wärmepumpen zu diesen Zwecken zusammenhängen.
Unter der Voraussetzung einer konstanten Kondensationstemperatur für das Kühlmittel hat eine Wärmepumpe eine "Wärmeerzeugungsfähigkeit11, d.h. einen Quotienten zwischen abgegebener und zugeführter Energie, der erheblich mit abnehmenden Temperaturen der Außenluft vermindert wird. Ferner steigt der Wärmebedarf für Wohnungen offensichtlich mit fallenden Außentemperaturen.
Es ist unwirtschaftlich, eine Wärmepumpe so auszulegen, daß sie den gesamten Wärmebedarf in Häusern am kältesten Tag des Jahres deckt. Im allgemeinen ist der Wärmebedarf für ein normales Einfamilienhaus (120-200 m ) auf etwa 10 kW höchstens berechnet. Überlegungen gehen dahin, daß der- Ausstoß der Wärmepumpe dann zweckmäßig 3-h kW sein sollte, und daß etwaige zusätzliche, erforderliche Wärme durch direkte elektrische Heizung gedeckt wird.
Vom Standpunkt des Krafterzeugers und Verteilers ist es offensichtlich unratsam, Wärmeeinheiten zu verwenden, die einen geringen Elektrizitätsverbrauch bei hohen Außentemperaturen und einen hohen Elektrizitätsverbrauch bei niedrigen Außentemperaturen haben. Die Kombination mit anderen Kraftverbrauchern ist äußerst ungünstig·
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Im Hinblick auf die umgekehrte Eigenschaft der Wärmepumpe besteht deshalb guter Grund für einen gewissen Wärmebedarf in einem Haus in nordländischein Klima, um einen gewissen Ausgleich zwischen der Kapazität der Wärmepumpe und dem maximalen thermischen Wirkungsgrad herzustellen, der erforderlich ist, und außerdem sich zu bemühen, die Wärmepumpe mit einem brennstoffbeheizten Kessel für den geforderten maximalen thermischen Wirkungsgrad zu beschicken. Wahrscheinlich wäre es ratsam, die Wärmepumpe so zu dimensionieren, daß sie den gesamten Wärmebedarf des Hauses einschließlich der Heißwassererzeugung, z.B. vom I.April bis zum 1. November, bewirtschaften und mit dem Ölkessel mitrechnen könnte, um die Lastspitzen abzuschneiden.
In der Literatur für die Verwendung von Wärmepumpen zu Wohnzwecken wird eine Anzahl von Wärmeanlagen in den folgenden US-Patentschriften beschrieben: 2 69O 649, 2 707 869, 3 069 867, 3 078 689 und 3 4O7 620, aber diese geben keine Lösung dafür, wie Pließmittel in verschiedenen Kreisen, z.B. Heizwasser oder Leitungswasser leicht erwärmt werden können.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß man die Kondensatoreinheit in der Form von mindestens zwei in Reihe verbundenen Kondensatoren auf der Kühlmittelseite anordnet, die einzelnen Fließmittelkreise im·Wärmeaustausch zu dem (den) Kondensator (-en) anordnet, der zu dem Zweck dio gewünschte Fließmitteltemperatur vorsieh^ und in
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dem Fließmittelkreis nach der höchsten Temperatur einen konventionellen Heizkessel anschließt.
In dieser Verbindung kann der Kesselkreis an dem (den) Hochtemperaturkondensator (-en) und der Radiatorkreis an dem (den) Niedrigtemperaturkondensator (-en) angeschlossen werden, der Kesselkreis kann über ein Dreiwegeventil an den Radiatorkreis geschaltet werden, wobei das Dreiwegeventil, wenn die abgekühlte Temperatur in dem Radiatorkreis zu weit abfällt, dem Kessel gestattet, Wasser zu dem Radiatorkreis zuzuführen, wobei das in dem Radiatorkreis befindliche überschüssige Wasser in den Kesselkreis hinein kurzgeschlossen wird, das mittels Wärmetauscher mit dem Kesselwasser und der konventionellen Heizeinheit des Heizkessels erwärmte Leitungswasser in Betrieb gebracht wird, wenn die Wassertemperatur im Kesselkreis unter einen bestimmten Wert fällt.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoreinheit in der Form von mindestens zwei in Serie verbundenen Kondensatoren angeordnet ist, daß entsprechende Fließmittelkreise an den (die) Kondensator (-en) angeschlossen sind, welche die Fließmitteltemperatur zu dem gewünschten Zweck liefert (η) , und daß ein konventioneller Heizkessel in dem Fließmittelkreis mit der höchsten Temperatur angeschlossen ist. Die Einrichtungen können somit dergestalt geformt sein, daß
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der Kesselkreis an dem (den) Hochtemperaturkondensator (n) und der Radiatorkrois an dem (den) Niedrigtemperaturkondensator (en) angeschlossen sind, daß der Kesselkreis mit dem Radiatorkreis über ein Dreiwegeinischventil verbunden ist, das bei zu starkem Abfallen der Wassertemperatur im Radiatorkreis die Zugabe von Wasser zu dem Radiatorkreis durch den Boiler ermöglicht, wobei eine Nebenschlußleitung angeschlossen ist, um überschüssiges Wasser aus dom Radiatorkreis zum Kesselkreis zu überführen, daß das Leitungswasser zum Aufheizen durch Wärmeaustausch mit dem Kesselwasser angeordnet ist und daß die konventionelle Heizeinheit des Heizkessels angeordnet ist, um in Betrieb zu kommen, wenn die Wassertemperatur in dem Heizkreis unter einem bestimmten Wert fällt. Um die Steueranlage zu vereinfachen, können Radiatoren mit einzelnen Thermostaten vorgesehen sein.
Das Wassersystem ist in zwei Kreisen angeordnet: Der eine Krois weist einen Heizkessel (oder Heizelement bzw. Ofen), eine Umwälzpumpe und einen Hochtemperaturkondensator auf. Dieser Kreis arbeitet vorzugsweise bei einem Temperaturniveau von 55-65 C· Der andere Kreis besteht aus Radiatoren, Umwälzpumpe, Niedrigtemperaturkondensator. Dieser Kreis arbeitet vorzugsweise bei einem Temperaturniveau von k5 Co
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Der Hochtemperaturkondensator nimmt seine Wärme vom überhitzten Kühlmitteldampf auf, z.B. Preon 22, welches in zweckmäßiger Weise bei einem Druck von 10 bis 25 bar und einer Temperatur von 65 bis 86.C besteht. Der Kondensator ist vorzugsweise ein Gegenstromwärmetauscher. Der Kühlmitteldampf verliert seine überschüssige Wärme an den Hochtemperaturkondensator und gibt auch einen Teil seiner latenten Wärme abo Das Temperaturniveau ist dann 55-65 C. Der Niedrigtemperaturkondensator arbeitet vorzugsweise bei einem Temperaturniveau von etwa 45 C, und die Endkondensation des Kühlmitteldampfs findet hier statt. Die Endtemperatur des Niedrigtemperaturkondensators bestimmt selbstverständlich den Druck auf der Hochdruckseite des Kompressors ο Es wichtig, die Kondensatortemperatur so niedrig wie möglich zu halten (und somit den Sättigungsdruck), und zwar aus zwei Gründen:
(1) Der thermische Wirkungsgrad der Wärmepumpe sinkt rapide mit steigender Temperaturdifferenz zwischen Kondensation und Verdampfung.
(2) Wenn die Druckdifferenz zwischen Kondensator und Verdampfer steigt, wird der volumetrische Wirkungsgrad des Kompressors wegen des Einflusses des Totraumes vermindert .
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Durch die Anlage der zwei Kondensatoren bei unterschiedlichen Temperaturniveaus vermag somit das Heizkesselwasser (und Heizwasser für den Verbrauch) eine relativ hohe Temperatur anzunehmen und noch für die Wärmepumpe einen zufriedenstellenden Wirkungsgrad zu halten.
Wenn nun die Wärmepumpenkapazität nicht ausreicht, um das Wasser in dem Radiatorkreis, z.B0 bei k^°G zu halten, öffnet das thermostatisch gesteuerte Dreiwegeventil und läßt heißeres Kesselwasser zu. Wenn die Temperatur des Kesselwassers auf einen gewissen Wert abgefallen ist, (bei kaltem Wetter oder wenn eine beachtliche Menge Heißwasser verbraucht ist), startet der Ölbrenner und stellt die Kesseltemperatur wieder ein.
Wenn der thermische Ausgang höher ist als die Wärmepumpe bewerkstelligen kann, kommt deshalb der Ölbrenner in Betrieb und sorgt für die notwendige zusätzliche Wärme. Dies geschieht normalerweise bei kaltem Wetter, d.h., wenn die Kapazität der Wärmepumpe abgenommen hat und der Wärmebedarf in Wohnräumen steigt.
Normalerweise überhitzt die Wärmepumpe den Dampf. Dieses Überheizen, das unvermeidbar ist, wurde bislang für nachteilig gehalten. Gemäß der Erfindung wird dieser Effekt
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in vorteilhafter Weise dadurch verwendet, daß man ein Temperaturniveau vorsieht, welches höher ist als die Kondensationstemperatur im Dampf. Dieses angehobene Temperaturniveau (entsprechend dem Überhitzen des Dampfes) in dem ersten "Kondensator" (statt einem Wärmetauscher allein) der Kondensatoreinheit ist bedeutsam, was der Fachmann anerkennen dürfte.
Eine Wärmepumpe kann mit gutem Wirkungsgrad nur arbeiten, wenn die Temperaturdifferenz zwischen Verdanpfer und Kondensator geringer als ein gewisser Betrag ist^ z.B. 45 ·
Sollte die gewünschte minimale Ausgangstemperatur 55°C sein, bedeutet dies, daß eine gewöhnliche Wärmepumpe nur nützlich ist, wenn die Umgebungstemperatur (oder Verdampfertemperatur) höher als 10°C ist.
Dagegen kann erfindungsgemäß die gewünschte Ausgangstemperatur von 55 C mindestens für einen Teil des Ausgangsenergiestromes vorgesehen sein, selbst für Umgebungstemperaturen (oder Verdampfertemperaturen) um OC, während die Kondensationstemperatur bei etwa 45°C gehalten wird, was für das Radiatorwasser ausreicht.
Der Vorteil gemäß der Erfindung kann alternativ darin liegen, daß eine höhere Ausgangstemperatur als bei einem gewöhnlichen Wärmepumpensystem vorgesehen ist, während man die gleichen
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Kondensations- und Verdampfungstemperaturen hat.
Wiederum ist für gleiche Vorbedingungen (Eingangstemperatur; Ausgangstemperatur) das Wärmepumpensystem gemäß der Erfindung wirksamer als eine gewöhnliche Wärmepumpenanlage, da seine Temperaturdifferenz von Verdampfer und Kondensator niedriger als jene einer gewöhnlichen Wärmepumpe ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen, anhand deren die Erfindung ausführlicher beschrieben wird. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Einrichtung gemäß der Erfindung und Fig. 2 den Kraftausgang aus einer geprüften Wärmepumpe in Abhängigkeit von der Außenlufttemperatur und der Kondensationstemperatür.
Fig. 1 zeigt eine Wärmepumpe mit einem thermischen Ausdehnungsventil 1, einem Verdampfer 2, der durch ein Gebläse 3 betätigt wird, einem Kompressor 4 und einem Hochtemperaturkondensator 5 sowie einem Niedrigtemperaturkondensator 6. Die Einheiten 1, 2, k, 5 und 6 sind in Reihe in einem Rohrkreis 7 z.B. mit Freon 22 oder einem ähnlichen Kühlmittel angescHossen. Der Verdampfer 2 befindet sich in Kontalt mit der Aussenluft und/oder Warmluft, die beispielsweise aus dem Gebäude kommt, in welchem die Heizanlage gemäß
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der Erfindung angeschlossen ist, wobei das Gebläse 3 den Wärmeaustausch zwischen Luft und Kühlmittel forciert. Das Kühlmittel fließt in Uhrzeigerrichtung, wie durch die Pfeile gezefet ist.
Das Kühlmittel wird im Verdampfer auf 3-h°C überhitzt und im Kompressor h komprimiert, wonach das Kühlmittelgas, welches somit erwärmt worden ist, zum Kondensator 5 strömt, in welchem das Gas einen Teil seiner Wärme bei einem bestimmten Temperaturniveau abgibt, und zum Kondensator 6 strömt, in welchem das Gas den Rest seines Wärmegehaltes während der Kondensation abgibt. Das Kondensat fließt dann zum thermischen Expansionsventil 1, welches das Kühlmittel in Abhängigkeit von dem Druck des überhitzten Kühlmittels im Verdampfer 2, über eine Leitung 25 abgetastet, expandieren läßt.
Ein Kesselwasserkreis 8-10 liegt im Wärmeaustausch zu dem Hochtemperaturkondensator 5· Ώβτ Kreis 8-10 weist einen konventionellen Heizkessel 11, vorzugsweise ölgeheizt, und eine Umwälzpumpe 12 auf. Der Kessel 11 hat einen Kesselwassertank 13» in dem kaltes Leitungswasser durch ein Rohr 14 zugeführt und mittels Wärmeaustausch mit dem Kesselwasser erwärmt wird. Das heiße Wasser kann dann durch eine Heißwasserleitung 15 abgenommen werden·
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Ein Radiator- oder Heizkörperwasserkreis I6-I8 liegt im Wärmeaustausch zu dem Niedrigtemperaturkondensator 6. Der Kreis 16-I8 weist eine Mehrzahl von Radiatoren oder Heizkörpern 19 auf, die vorzugsweise mit einzelnen Thermostaten versehen sind', und enthält ferner eine Umwälzpumpe 20 sowie ein Steuerventil 21.
Der Kreis 8-10 ist mit dem Kreis I6-I8 über eine Leitung 22 verbunden, welche den Kreis I6-I8 nach dem Kondensator 5 zum Steuerventil 21 verbindet.
Das Steuerventil 21 ist ein Dreiwegemischventil, das somit am Kesselkreis nach dem Hochtemperaturkondensator angeschlossen ist und in Reihe mit dem Radiator- oder Heizkörperkreis nach dem Nxedrigtemperatürkondensator verbunden ist. Das Ventil 21 tastet die Wassertemperatur in der Zuführleitung 18 für die Heizkörper ab und läßt je nach dieser Temperatur das heißere Wasser aus dem Kesselkreis zum Radiatorkreis überführen, wenn die Temperatur dort geringer als z„B. 45 ist, was eine geeignete Temperatur für Heizkörperwasser ist.
Das überschüssige Wasser in dem Heizkörperkreis kann dann zu dem Kesselwasserkreis durch eine Nebenleitung 23 überführt werden.
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Der Heizkessel 11 ist auf normale Weise mit einer Steueranlage versehen, die dem Kessel ein Starten ermöglicht, wenn die Temperatur des Kesselwassers unter z.B. 60 C fällt, was bei der Wärmeanlage gemäß der Erfindung zweckmäßig ist.
Fig. 2 zeigt das Verhältnis zwischen dem Kraft ausgang Verdampfertemperatur /_ C-^y und Kondensationstemperatur I^ ^nJ in einer Wärmepumpe, wie sie erfindungsgemäß verwendet wird. Die Umgebungslufttemperatur ist k C höher als die des Verdampfers. P1Vp betrifft das Verhältnis zwischen dem Kondensatdruck und Dampfdruck (oder das Verhältnis zwischen Ausgangs- und Eingangsdruck am Grundwasser). Der verwendete kompressor trägt die Marke ASPERA (220 V, 1-Phase) und hat einen abgeschätzten Eingang von 1280 W.
Wenn entsprechend der bekannten Übung ein einziger Kondensator mit einer Temperatur von 65 C benutzt wird, um eine Wassertemperatur zu erreichen, die ausreicht, um sowohl Leitungswasser als auch Heizkörperwasser zu erwärmen, und die Außentemperatur z.B, 0 C beträgt (Verdampfertemperatur = -4OC), gibt die Wärmepumpe* 2,3 kW, also mit einer Steigerung von «* 2,3 bis 1,3=1,0 kW,
Wenn erfindungsgemäß ein Zweistufenkondensator verwendet wird, bei welchem der Niedertemperaturkondensator eine Kondensationstemperatur von 45°C bei sonst gleichen Bedingungen
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hat, gibt die Pumpe 3,6 kW, d.h. eine Steigerung von 3,6-1,3 = 2,3 kW. Gleichzeitig hat der Hochtemperatuukondensator eine Temperatur von etwa 65 C,
Aus diesem Beispiel wird klar, daß die Erfindung eine erhebliche Steigerung im Kraftausgang im Vergleich mit bekannten Verfahren gestattet, ohne daß es notwendig ist, Erfordernisse für zweckmäßige Temperaturen für das Leitungswasser oder das Heizkörperwasser zu schmälern.
Die Kondensatoren 5» 6 können vorzugsweise für die Wärmeübertragung an die Kreise 8-10 und I6-I8 mittels dem Gegenstromverfahren vorgesehen sein.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1. Verfahren zum Erwärmen von in unterschiedlichen Kreisen (8-10; 16-18) strömendenFließmitteln zu verschiedenen Zwekken mittels einer Wärmepumpe mit einem Kühlkreis (7) mit
    einem Expansionsventil (1), einem Verdampfer (2), einem
    Kompressor (4) und einer Kondensatoreinheit (5» 6), dadurch gekennzeichnet, daß man die Kondensatoreinheit (5,6) in der Form von mindestens zwei in Serien angeschlossenen Kondensatoren (5»6) anordnet, die betreffenden Fließmittelkreise
    (8-10? 16-18) im Wärmeaustausch zu dem (den) Kondensator (en) (5»6) anschließt, welcher für den Zweck die gewünschte Fließmitteltemperatur liefert, und ein herkömmliches Heizelement (11) in dem Fließmittelkreis (8-I0) mit der höchsten Temperatur anschließt,
    2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Erwärmung von in einem
    Kreis (8-IO) strömendem Wasser, der mit einem konventionellen Wärmeelement verbunden ist, und auch zum Erwärmen von
    in einem Kreis (16-I8), der mit Wasserheizköjpern (20) verbunden ist, strömenden Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß
    man den Heizelementkreis (8-I0) an den (die) Hochtemperaturkondensator (en) (5) und den Heizkörperkreis (16-I8)
    an den (die) Niedrigtemperaturkondensator (en) (6) anschließt, den Heiziemerfcreis (8-I0) an dem Heizkörperkreis (16-18) über ein Dreiwegemischventil (21) anschließt,
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    dor, wenn die in dem Heizkörperkreis abgefühlte Temperatur zu niedrig wird, gestattet, Heizelemontwasser dem Heizkörperkreis zuzugeben, überschüssiges Wasser in dem Heizköpperkreis durch. Nebenschluß in den Kesselkreis geleitet wird, das Leitungswasser mittels Wärmeaustausch mit dem Heizelementwasser erwärmt wird und die konventionelle Wärmeeinheit für das Heiz&ement so anordnet, daß sie in Betrieb kommt, wenn die Wassertemperatur des HeisELementkreises unter einen bestimmten Wert fällt.
    3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Erwärmung von in unterschiedlichen Kreisen (8-10; 16-18) zu verschiedenen Zwecken strömenden Fließmittel mittels einer Wärmepumpe mit einem Kühlmittelkreis (7) mit einem Expansionsventil (i), einem Verdampfer (2), einem Kompressor (h) und einer Kondoiisatore.inheit (5,6), dadurch gekennzeichnet, daß man die Kondensatoreinheit (5,6) in der Form von«mindestens zwei in Reihe verbundenen Kondensatoren (5,6) anordnet, die jeweiligen Fließmittelkreise (8-1O;i6-i8) an den (die) Kondensator (en) angeschlossen sind, woraus sich für den gewünschten, in Rede stehenden Zweck die Fließmitteltemperatur ergibt, und daß ein herkömmliches Wärmeheizelement (11) mit dem Flicßmittelkreis (8-IO) mit der höchsten Temperatur verbunden ist.
    h. Vorrichtung nach Anspruch 3 zur Erwärmung von in einen Kreis (8-IO) fließendes Wasser, der an ein konventionelles
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    Wärmeheizelement (11) angeschlossen ist, und auch zum Erwärmen von in einem Kreislauf (16-18), der mit Wasserheizkörpern (20) verbunden ist, fließendem Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizelementkreis (8-10) mit dem (den) Hochtemperaturkondensator (en) (5) und der Heizkörperkreis (17-18) mit dem (den) Niedrigtemperaturkondensator (en) (6) verbunden sind, daß der Heizelementkreis (8-10) über ein Dreiwege-Mischventil (21) an den Heizkörperkreis (16-18) angeschlossen ist, das Ventil (21) so angeordnet ist, daß/, wenn die Wassertemperatur in dem Heizkorperkreis zu weit abfällt, gestattet, daß Heizelementwasser dem Heizkörperkreis zugegeben wird, eine Nebenflußleitung (23) zur Überführung überschüssigen Wassers von dem Heizkörperkreis zum Kesselkreis angeordnet ist, daß das Leitungswasser zur Erwärmung mittels Wärmeaustausch mit dem Heizelementwasser vorgesehen ist und daß die konventionelle Wärmeeinheit des Wärmeheizelementes (11) so angeordnet ist, daß sie in Betrieb kommt, wenn die Wassertemperatur in dem Heizelementkreis unter einen bestimmten Wert fällte
    5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizkörper mit einzelnen Thermostaten versehen sind,
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DE19742459171 1973-12-20 1974-12-14 Verfahren und vorrichtung zur erwaermung von fliessmitteln Withdrawn DE2459171A1 (de)

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