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Verbrennungsmotorisch betriebene Wärmepumpenanordnung
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Die Erfindung betrifft eine verbrennungsmotorisch betriebene Wärmepumpenanordnung
gemäß dem Oberbegriff des Elauptanspruchs.
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Unter dem Begriff Abwärme des Motors? ist dabei sowohl die Wärme der
Abgase als auch diejenige des Kühlwassers des Motors zu verstehen.
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Der Aufbau und die Wirkungsweise von verbrennungsmotorisch und elektromotorisch
betriebenen Wärmepumpen für Heizzwecke sind bekannt. Es ist auch bekannt, daß bei
Verwendung der Außen- oder Umgebungsluft die aus der Luft gewinnbaren bzw.
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nutzbaren Wärmemengen in hohem Maße von den Schwankungen der Lufttemperatur
abhängig sind. Will man eine Wärmepumpenanordnung so auslegen, daß sie auch bei
sehr tiefen Temperaturen der Außenluft, z. B. - 15 OC, noch den gesamten Wärmebedarf
beispielsweise eines Hauses deckt, so muß die Anordnung überproportional groß ausgelegt
werden. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Wärmepumpenanordnung - wie jede andere
Heizungsanlage - während der Heizperiode nur an wenigen Tagen - und dann auch meistens
nur stundenweise - mit voller Leistung arbeitet.
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Besonders ungünstig sind die Verhältnisse bei elektrisch betriebenen
Wärmepumpenanordnungen, bei denen im Gegensatz zu verbrennungsmotorisch betriebenen
Wärmepumpenanordnungen praktisch keine vom Antrieb erzeugte Abwärme zur Verfügung
steht.
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Es ist bekannt, den Wärmebedarf durch elektrisch betriebene Wärmeptimpenanordnungen
nur bis zu I.ufttemperaturen nahe 0 OC in vollem Umfang über die Wärmepumpenanordnung
abzudecken,
dagegen bei tieferen Temperaturen die Anordnung abzuschalten
und ein zweites Heizsystem, daß über einen öl- oder Gasbrenner betrieben wird, einzuschalten
(bivalente Heizsysteme).
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Günstiger liegen die diesbezüglichen Verhältnisse bei verbrennungsmotorisch
betriebenen Wärmepumpenanordnungen, wie sie auch die Erfindung betrifft. Auch bei
niedrigen Temperaturen der Außenluft, bei denen die Außenluft als Wärmequelle nur
noch zu einem geringen Maße ausgenutzt werden kann, sind hier durch die Nutzung
der Kühlwasser- und Abgaswärme noch erhebliche Heizwärmemengen verfügbar. Daher
besteht bei verbrennungsmotorisch betriebenen Wärmepumpenanordnungen grundsätzlich
die Möglichkeit, auch bei tiefen Temperaturen der Außenluft den Wärmebedarf beispielsweise
eines Hauses noch durch die Anordnung zu decken.
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Allerdings steht dem bei bekannten verbrennungsmotorisch betriebenen
Wärmepumpenanordnungen folgender Tatbestand entgegen: Die Leistungsaufnahme des
Kompressors für das Kältemittel sinkt mit abnehmender Temperatur der Außenluft infolge
Verringerung der volumetrischen Kälteleistung ab. - Die volumetrische Kälteleistung
ist in bekannter Weise abhängig vom Dampfdruck und der Dichte, d. h. vom Massenstrom
des geförderten Kältemittels. - In Figur 1, in der verschiedene Leistungen P in
Abhängigkeit von der Temperatur T der Außenluft aufgetragen sind, ist dies durch
die Kurve a für konstante Drehzahl wiedergegeben. Entsprechend sinkt verständlicherweise
auch die Leistung des Verbrennungsmotors, da dieser ja nur durch den Kompressor
belastet ist. Dies wiederum hat eine Verringerung der Abwärme des Motors und damit
der über die Wärmetauscher der Heizflüssigkeit, in der Regel Wasser, zugeführten
Wärmemenge zur Folge.
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Das Ergebnis ist, daß die in der Wärmepumpenanordnung "erzeugte" IIeizleistung
gemäß Kurve b in dem Diagramm nach Figur 1, die wiederum für konstante Drehzahl
gilt, ebenfalls stark abnimmt. Das Verhalten der Wärmepumpenanordnung ist demgemäß
entgegengesetzt dem Verlauf des Wärmebedarfs beispielsweise zum Heizen eines Gebäudes
in Anhängigkeit von der Außenlufttemperatur T. Dieser Wärmebedarf ist in Figur 1
durch die Kurve c angegeben.
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Im Hinblick auf die unterschiedlichen Tendenzen der Kurven b und c
ist daher auch bei einer verbrennungsmotorisch angetriebenen Wärmepumpenanordnung
eine relativ große Auslegung derselben erforderlich, wenn man sie auch bei relativ
niedrigen Außentemperaturen zur alleinigen Abdeckung des Wärmebedarfs verwenden,
also auf eine bivalente Anordnung verzichten will.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpenanordnung
der im Oberbegriff des Hauptanspruchs genannten Art so auszubilden, daß eine Anlage,
deren Kompressor zur Deckung des Wärmebedarfes bei mittlerer Wintertemperatur, z.
B. etwa O OC, ausgelegt ist, auch bei sehr niedrigen Temperaturen {1 Außenluft,
7. B. - 10 his - 15 OC, nnd entsprechend höherem Wärmebedarf, beispielsweise eines
Wohngebäudes, zur alleinigen Deckung dieses Bedarfes ausreicht. Die erfindungsgemäße
Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Hauptanspruchs.
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Erfindungsgemäß wird also die Abnahme der Antriebsleistung des Kompressors
mit abnehmender Temperatur der Außenluft (Kurve a in Figur 1) gleichsam kompensiert
durch Einschaltung einer zusätzlichen Motorbelastung, wobei diese zusätzliche Motorbelastung
so groß sein kann, daß beim Einschalten derselben der Kompressor von dem Motor abgekuppelt
wird.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung kennzeichnen die Unteransprüche.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand Figur
3, seine Wirkungsweise anhand Figur 2 erläutert.
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Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die im Anspruch 2 angegebene
Motorbelastung durch eine Strömungsbremse.
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Die Welle des Verbrennungsmotors 1, dessen Abgaswärme über den Wärmetauscher
2 und dessen Kühlwasserwärme über den Wärmetauscher 3 im Heizwasservorlauf 4 das
Heizwasser aufheizen, steht über die Elektromagnetkupplung 5 mit dem Kompressor
6 für das über die Leitung 7 vom Verdampfer 16 kommende Kältemittel in drehfester
Verbindung; der Kompressor 6 führt das Kältemittel (zur Verflüssigung) über die
Leitung 8 dem Kondensator 9 zu, dessen Wärmetauscherschlange 10 ebenfalls in dem
Heizwasservorlauf 4 liegt. Insoweit ist die Wärmepumpenanordnung bekannt; ihr Verhalten
ist durch die Kurven in Figur 1 gekennzeichnet.
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Erfindungsgemäß ist mit dem Verbrennungsmotor 1 über eine weitere
Elektromagnetkupplung 11 die Strömungsbremse 12 kuppelbar, die einen bekannten und
daher hier nicht heschriehenen Aufbau besitzt und in dem Zweig 13 des Wasservorlaufs
liegt.
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Über das Zweiwegeventil 14 kann der Heizwasservorlauf wahlweise unter
Umgehung der Strömungsbremse 12 oder über dieselbe durchgeschaltet werden. Im letztgenannten
Falle verläuft der Heizwasserkreis also über den Heizwasserrücklauf 15, die drei
Wärmetauscher 10, 3 und 2 sowie die Strömungsbremse 12.
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Durch das Einschalten der Strömungsbremse 12, also das Wirksammachen
der Kupplung 11, wird bei tiefen Temperaturen der Außenluft eine zusätzliche Belastung
für den Verbrennungsmotor 1 geschaffen, die der Abnahme der Antriebsleistung des
Kompressors
6 mit der Temperatur Rechnung trägt. Die Verhältnisse sind im einzelnen aus Figur
2 ersichtlich, in der wiederum verschiedene Leistungen P über der Außenlufttemperatur
T aufgetragen sind: Mit a ist wiederum der Verlauf der Antriebsleistung des Kompressors
bei konstanter Drehzahl bezeichnet. Im Punkt A, d. h. bei einer relativ niedrigen
Außenlufttemperatur, wird über die Kupplung 5 (siehe Figur 3) der Kompressor 6 abgeschaltet
und über die Kupplung 11 die Strömungsbremse 12 zugeschaltet. Die Kurve b für die
Ileizleistung der Wärmepumpenanordnunz springt im Betriebspunkt A also gleichsam
auf den konstanten Wert B', wodurch dem Ansteig des Wärmebedarfs des Gebäudes oder
dergleichen gemäß Kurve c Rechnung getragen wird. Die Darstellung gilt wiederum
für eine konstante Motordrehzahl. Sofern, wie hier angenommen, der Kompressor 6
über die Kupplung 5 im Betriebspunkt A abgeschaltet wird, liegt in Figur 2 bei Temperaturen
rechts vom Betriebspunkt A reiner Wärmepumpenbetrieb, dagegen links vom Betriebspunkt
A, d. h. bei tiefen Außenlufttemperaturen, Heizbetrieb mit alleiniger Motorbelastung
durch die Strömungsbremse 12 vor.
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Neben diesen beiden Grenzfällen ist es jedoch auch möglich, mit dem
Motor sowohl den Kompressor als auch die Strömungstr ,nse gleichzeiLtg zu betreiben,
d. h. den Motor z! itzlich zu der vom Kompressor abgenommenen Leistung zu belasten.
Maßgebend für den Betriebspunkt, an dem der Kompressor vom Motor abgekuppelt wird,
ist die Auslegung bzw. die maximal zulässige Drehzahl des Kompressors.
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Anstelle der vorstehend beschriebenen Strömungsbremse kann gemäß anspruch
3 und Figur 4 zur zusätzlichen oder alleinigen Motorbelastung mit dem Verbrennungsmotor
1 ein elektrischer Generator 17 verbunden werden, der eine Widerstandsheizung 18
speist, welcne analog wie die Strömungsbremse 12 im eizflüssigkeitsvorlauf angeordnet
ist. Für die Betriebs- und
Wirkungsweise dieser Ausführungsform
des Erfindungsgegenstandes gelten die in Verbindung mit Figur 2 und 3 gemachter
Ausführungen sinngemäß. Da die Ausbildung von elektrischen Generatoren und Widerstandsheizungen
bekannt ist, werden diese Anlagenteile hier nicht näher beschrieben.
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Wie Figur 2 zeigt, kann durch die erfindungsgemäßen Maßnaltrnen die
Heizieistung der Anordnung bei tiefen Temperaturen r.çesenlich erhöht werden. Man
wird den Betriebspunkt A, bei der die Einschaltung der zusätzlichen Belastung des
Motors bzw.
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die Umschaltung des Motors auf alleinigen Antrieb der Strömungsbremse
bzw. des Generators erfolgt, so wählen, daß er zumindest ungefähr zusammenfällt
mit dem Schnittpunkt der Kurven b und c. Die Möglichkeit der Abschaltung des Klimakompressors
bei diesen tiefen Temperaturen ist insofern besonders vorteilhaft, als bei Vereisungsgefahr
des Verdampfers der Wärmeentzug aus der Außenluft ohnehin erschwert zird u;-durch
den eigentlichen Wärmepumpenbetrieb, d. h. den Weiterbetrieb des Kompressors, der
Wirkungsgrad der gesamten Anordnung allenfalls noch geringfügig verbessert werden
kann.
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Verständlicherweise bedingt der Betrieb mit zusätzlicher bzw höherer
Last als der des Kompressors einen zusätzlichen Bedarf des Motors an Brennstoff.
Da aber Betriebszustände, die die Einschaltung der zusätzlichen bzw. höheren Last
erfordern.
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relativ selten und kurzzeitig auftreten, ist dieser Mehrvebrauch an
Brennstoff gegenüber dem reinen Wärmepumpenbetrieb praktisch vernachlässigbar. Der
Mehrverbrauch an Brennstoff schlägt umso weniger zu Buche, als die Anordnung wärmepum?e>-seitig,
d. h. bezüglich der Auswahl des Kompressors, nicht für den Betrieb bei tiefen Außentemperaturen
ausgelegt zu werden braucht und auf ein bivalentes Heizsystem verzichtet werden
kann. Außerdem bietet die Verwendung der erfindungs-
gemäßen Strömungsbremse
bzw. der vom Generator gespeisten Widerstandsheizung den Vorteil, daß die Motorleistung
unmittelbar bzw. mittelbar ollne wesentliche Energieverluste in Wärmeenergie umgewandelt
und in einem weiteren, letzten Wärmetauscher an das IJeizwasser abgegeben wird,
in welchem dieses auf die bei sehr niedrigen Außentemperaturen erforderliche hohe
Vor]auftemperatur erhitzt wird.
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Die Vorteile der bekannten verbrennungsmotorisch betriebenen Wärmepumpen,
die darin bestehen, daß ihre Heizleistung einem abnehmenden Wärmebedar f (bei steigenden
Außenlufttemperaturen) durch Verringerung der Motor- und Kompressordrehzahl ohne
Einsatz aufwendiger Regeleinrichtungen leicht angepaßt werden kann, gelten für die
erfindungsgemäße Wärmepumpenanordnung auch für relativ niedrigc Außentemperaturen:
Auch die in Figur 2 durch Linie b gekennzeichnete Heizleistung kann durch Regelung
der IJ\otordrehzahl dem jeweiligen Heizbedarf angepaßt werden. Eine Veränderung
der Motordrehzahl hat im iibrigen auch bei Koppelung des Motors mit einem elektrischen
Generator, der eine Winderstandsheizung speist, keine negativen Auswirkunge, da
eine Veränderung der im Generator erzeugten Stromfrequenz für den Betrieb der Widerstandsheizung
unerheblich ist.
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Die erfindungsgemäße Wärmepumpenanordnung bietet auch die Möglichkeit,
Motoren mit relativ engem Drehzahlbereich zu verwenden und die Wärmeleistung der
Anordnung vorzugsweise durch die Motorbelastung - allein durch den Kompressor und
die Vorrichtung zur Umwandlung der mechanischen Energie in Wärmeenergie oder allein
durch die zuletzt genannte Vorrichtung - zu regeln.
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Als Wärmequelle kann statt der Außenluft auch eine Flüssig-]eit, beispielsweise
Grund- oder Abwasser, dienen. Wenn auch die Temperatur dieser Wärmequelle weitgehend
konstant sein mag, kann die Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen auch
in
diesem Fall vorteilhaft sein, weil beispielsweise b-i einer Verringerung der verfügbaren
Wassermenge der Motor mit shr hohen Drehzahlen betrieben werden kann, ohne daß ein
für diese Drehzahlwerte dimensionierter Kompressor vorgesehen sein muß.
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Eine im Rahmen der Erfindung verwendbare Strömungsbremse ist im Prospekt
L 3051 Hydraulische Leistungsbremse" der Firma Schenck beschrieben. Eine Ströinungsbremse
hat den bosonleren Vorteil, relativ sehr kleine Abmessungen zu besitzen.
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L e e r s e i t e