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Verfahren und Anordnung zur periodischen Speicherung
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und Freigabe von Wärme 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.
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Es sind Latentwärmespeicher bekannt, die als Steingut- oder 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.
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Wünschbar wäre ein Wärmespeicher, insbesondere zur Speicherung von
Sonnenwärme und/oder elektrisch erzeugter Wärme, z. B. als Nachtspeicherheizung.
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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.
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Schliesslich sollte auch das Problem der proportional zur Speicherzeit
zunehmenden Wärmeverluste konventioneller Wärmespeicher vermieden werden können.
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Nun sind Stoffpaare bekannt, die im Temperaturbereich von etwa 0 -
1000 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.
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Zu den erwähnten Stoffen gehören die Halogenide der Alkali-und Erdalkalimetalle
mit Ammoniak, Methylamin, Aethylamin, usw.
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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.
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Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, 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 Entspeicherungsphase das Kondensat im Kondensator-Verdampferteil
verdampft wird und unter Freigabe von Reaktionswärme im Austreiber-Absorberteil
wieder an die feste Komponente gebunden wird.
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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.
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Die freigegebene Wärme kann direkt als Nutzwärme für eine Raumheizung
oder die Gebrauchswassererwärmung verwendet werden.
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Sie kann aber auch in die nächste Stufe einer aus mehreren Stufen
bestehenden Wärmepumpenanordnung abgegeben werden. Damit ist es möglich, das Temperaturniveau
der Nutzwärme weiter zu erhöhen.
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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.
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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 Punkt ion 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.
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in der Heizphase arbeiten.
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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: 2 6CH3NH2 + 9A = CaC12.2Cll3N112 + 4CII
Nll Das bei der Austreibung freigesetzte gasförmige Methylamin 4CH3NH2 (Komponente
A1) strömt in den Kondensator-Verdampferteil 3, wo es kondensiert wird, währenddem
das feste Substrat (Komponente A2) im Austreiber-Absorberteil 2 zurückbleibt.
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Die bei der Kondensation des Methylamins A1 frei werdende Kondensationswärme
q. wird mittels des Wärmeaustauschers 6 1 an die Umgebung, beispielsweise an die
Aussenluft L, abgegeben.
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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 Wärmeaustauscer 8, erfolgen.
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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 1 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 450 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
'O C als für alle Wärmeübergänge realisierbar betrachtet. Diese Verhältnisse sind
im Druck-/Temperaturdiagramm log p - 1/T (Fig. 2) dargestellt, wobei mit A die Spannungskurve
des Arbeitsmittels, mit A1 die Spannungskurve des Methylamins und mit A und Alc
die entsprechenden Austreibungs- bzw. Kondensaa tionspunkte bezeichnet sind. Das
Methylamin A1 wird bei 400 C freigesetzt und kondensiert bei 100 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.
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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.
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Da das Molekulargewicht des gesättigten Arbeitsmittels 296, dasjenige
des Methylamins 31 ist, beträgt der Gewichtsverlust bei der Austreibung: = = 4 .
31 / 29() = 41, ° Bezogen auf 1 kg Gesamtgewicht des gesättigten Arbeitsmittels
sei die bei der Austreibung gebundene Sonnenenergie (242 kcal) als 1 5 definiert.
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Die Kondensationswärme qC des Methylamins beträgt 201,6 kcal/ kg bei
100 C. Die bei der Kondensation des Methylamins an die Umgebung abgegebene Wärmemenge
beträgt:
Bezogen auf die ursprünglich gebundene Sonnenwärme werden somit 34,9 % an die Aussenluft
abgegeben und der Rest chemisch gebunden.
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Der Einspeicherungsvorgang erfolgt weitgehend selbstregelnd und wird
ausgelöst, sobald Wärme für die Austreibung des Methylamins dem Wärmetransformator
zugeführt wird.
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Wie aus dem log p - l/T-Diagramm der Fig. 2 hervorgeht, entspricht
den Temperaturen der Austreibung (400 C) und der Kondensation (100 C) ein Prozessdruck
von 2 bar.
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Gegenüber der direkten Verwendung der Sonnenwärme, beispielsweise
für Heizzwecke, geht bei der Speicherung etwa Y3 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.
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Zur Entspeicherung der chemisch gebundenen Wärme wird das sich im
Kondensator-Verdampferteil 3 befindliche Methylamin-Kondensat verdampft. Das gasförmige
Methylamin A1 gelangt dann in den Austreiber-Absorberteil 2, wo es sich wieder mit
dem Absorber A2 verbindet, wobei durch die exotherme Reaktion Nutzwärme frei wird.
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Der Entspeicherungsvorgang ist im log p - 1/T-Diagramm der Fig. 3
aufgezeichnet.
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Um Nutzwärme, beispielsweise von 530 C, zu erhalten, wird der Transformationsprozess
bei einem Druck von 5,4 bar in umgekehrter Richtung durchgeführt. Falls Sonnenenergie
für die Verdampf-ung des flüssigen Methylamins zur Verfügung steht, kann diese bei
470 C dazu verwendet werden. Anderenfalls wird -ein Teil der Reaktionswärme oder
Wärme aus dem Zusatzspeicher 10 für die Verdampfung gebraucht. Das Methylaminkondensat
verdampft bei 370 G (Punkt A1v) und die Absorption findet bei 58° C (Punkt Ab) statt.
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Unter der Annahme, dass die Verdampfungswärme vom Absorptionsprozess
gedeckt wird, verbleibt die Wärmemenge:
Diese Wärmemenge kann beispielsweise direkt für Heizzwecke oder für die Warmwasseraufbereitung
gebraucht werden.
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Von der ursprünglich bei einer Temperatur von 450 C aufgefange nen
Sonnenenergie stehen damit noch etwa 65 % für die Benützung zur Verfügung, wobei
durch den Wärmepumpeneffekt eine Erhöhung der Temperatur auf das wertvollere Niveau
von 530 C erzielt worden ist.
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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 Alehrpumpenanordnung
dienen.
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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.
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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.
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Während im ersten Wärmetransformator 1 nach wie vor Methylamin-Calciumchlorid
(Arbeitsmittel A) verwendet wird, ist in den beiden anderen Wärmetrasnformatoren
31, 41 Methylamin-Lithiumchlorid (Arbeitsmittel B) geladen.
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In der Funktion der mehrstufigen Wärmepumpenanordnung können drei
verschiedene Arbeitsphasen unterschieden werden: eine Speicher-, eine Austausch-
und eine Heiz- bzw. eine Kühlphase.
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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.
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Zur Freisetzung der Wärme im Wärmetransformator 1 kann, sofern während
der Austauschphase die Sonne scheint, deren Wärme über den Kollektor 4 und über
den Wärmeaustauscherkreislauf 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.
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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.
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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-Verdampferteil33 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 Kondensator-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 Uebergangszeit 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.
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In bezug auf die Wärmebilanz und den Wirkungsgrad der mehrstufigen
Wärmepumpenanordnung wird auf die log p - l/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 370 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 LiGl.3CH3NH2
(Arbeitsmittel B) des Wärmetransformators 31 verwendet. Das ausgetriebene Methylamin
kondensiert wieder bei 100 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 530 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 A1 identisch mit
der Spannungskurve B1. Zwischen den beiden Arbeitsmitteln A und B zirkuliert in
dieser Phase ein Wärmezwischenträger. Die verfügbare Temperaturdifferenz von O C
genügt für die Wärmeübergabe. Das Molekulargewicht des Arbeitsmittels B ist 134.
Der Gewichtsverlust des Stoffes B ist also: gB = 31 / 134 = 23,1 t
Die
entsprechende reversible chemische Reaktion ist:
Für die Austreibung von 1 Molekül Methylamin aus dem Stoff B werden qB = 84,1 kcal/kg
Wärme benötigt.
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d Das Gewichtsverhältnis der am Wärmeaustausch beteiligten Mengen
der beiden Stoffe A und B ergibt sich aus dem Verhältnis der ausgetauschten Wärmemengen:
von B zu A Durch die Kondensation des ausgetriebenen Methylamins wird in dieser
Phase die folgende Wärmemenge an die Umgebung abgegeben:
was 36 t entspricht.
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In der Heizphase schliesslich wird das bei 370 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:
was 29 % der ursprünglich abgespeicherten Sonnenwärme entspricht. Mit dieser Wärme
kann Heizungs- und Gebrauchswarmwasser auf etwa 710 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.
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Zur Illustation des Wärmeflusses sei auf die Fig. 9 hingewiesen.
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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.
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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:
= (242 - 84,5 - 87,2 + 87,5) / (242 + 87,2) = 47,8 Oa
Dabei wird
angenommen: c v 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 T die Speichertemperatur, 5 T die Aussentemperatur und Y
den Arbeitsbereich.
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a 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
bedingen die hinreichende Unterkühlung des Absorbates. Das tatsächliche 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-Verdampfungstemperatur T gewählt.
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v 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.
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Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die beschriebene Wärmepumpenanordnung
als Sonnenwärmespeicher und Wärmetransformator in Ergänzung zu einer gewöhnlichen
Oelheizung zum Energiesparen ohne jede Aenderung 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 t Wirkungsgrad mit der Wärmepumpenanordnung auf 70 - 750 C transformiert
und genutzt werden. Nach Verbrauch der gespeicherten Sonnenenergie muss die Oelheizung
in Aktion treten. Wird die Wärmepumpenanordnung zusätzlich mit elektrischem Nachtstrom
geheizt, so ist auch die vollständige Ablösung der Oelheizung möglich. Ob und wann
die Ablösung der Oelheizung aktuell wird, hängt von der Entwicklung des Preises
für Heizöl und Nachtstrom ab.
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Pro Transformationsstufe geht etwas mehr als Y3 der gesammelten Sonnenwärme
verloren. In der Sommerzeit reicht für die Gebrauchswarmwasserzubereitung die einstufige
Transformation aus. In diesem Fall sind die Transformationsverluste entsprechend
niedriger.
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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 Vqraussetzung für die Wärmetransformation ist weniger die absolute
Temperatur der gesammelten Sonnenwärme als das Vorhandensein eines hinreichenden
Temperaturgefälles zur Umgebung.
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In bezug auf den konstruktiven Aufbau und die Leitungsführung bei
einem einzelnen Wärmetransformator wird nun auf die Fig.
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12 - 16 hingewiesen.
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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.
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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 1200 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 Durchströmung ist aus der Fig. 16 ersichtlich.
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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 1200 versetzt angeordnet, so dass hier das Heizwasser
vom Rohr 59 zum Rohr 61 hinüberströmt. Das Rohr 61 führt zum Austritt A.
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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.
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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.
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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.
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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 1200 verdreht, so dass
das Heizwasser dadurch vom Rohr 72 zum Rohr 74 und damit zum Austritt A strömt.
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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.
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An den Absorbatbehälter dnd den oberen Teil des Absorberbehälters.
sind die Leitungen 77, 78 und 79 angeschlossen. An die Leitung 72 ist ein Druckmessorgan
und ein Ueberdruckventil angeschlossen, welch letzteres bei eventueller Ueberhitzung
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.
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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.
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Anhand der Fig. 17 wird nun eine Anwendung der Erfindung beschrieben,
bei welcher zwei einstufige Wärmepumpenanordnungen 80', 80" derart miteinander gekoppelt
sind, dass al-ternativ 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.
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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.
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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.
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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.
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Die Betriebsweise des Doppel systems 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.
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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.
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b) Nachtbetrieb im Sommer Der Gebrauchswarmwasserboiler 83 wird hauptsächlich
nachts geladen, kann aber jederzeit auch am Tage nachgeladen werden.
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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 97'1 und 105 zur Pumpe 89 zurückgeführt
wird.
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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.
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c) Tagesbetrieb in der Uebergangszeit 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.
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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 Heiztrieb 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.
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Das im Austreiber-Absorber erwärmte Wasser strömt dann über die Ventile
97" und 105 in den Heizwasserkreislauf zurück.
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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.
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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 Uebergangszeit), so wird diese Wärme mit Priorität
zur Absorbatverdampfung verwendet.
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d) Nachtbetrieb in der Uebergangszeit 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' uEnd 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.
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Von hier gelangt es über die Rückschlagsklappe 106, das Ventil 98
und das Bypass-Regelventil 90' wieder zum Absorbatbehälter.
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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 I02 zum Boiler 83 drückt, von wo es über das Ventil 103 zur
Saugseite der Pumpe gelangt. Dieser Ladevorgang geschieht alternativ zur Aufladung
des Wärmetransformators.
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e) Nachtbetrieb im Winter Soweit Sonnenwärme gesammelt werden kann,
wird die Wärmepumpenanordnung auch im Winter gleich wie in der Uebergangszeit, 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.
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Die beiden Speichersystem 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.
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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.
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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.
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- Ein aufgeladener Wärmetransformator kann die chemisch gebundene
Wärme über beliebig lange Zeiträume in kaltem Zustand,
d. h. auf
Umgebungstemperatur, speichern. Während der Freisetzung der Wärme entspricht die
Speichertemperatur der normalen Warmwasserboilertemperatur. Dementsprechend sind
die Isolationskosten und die Wärmeverluste niedrig.
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Die Speicherung mit wärmetransformierenden Eigenschaften beansprucht
etwa Y4 des Volumens und Y3 des Gewichtes eines konventionellen Warmwasserspeichers
für Sonnenwärme, unter Annahme einer Temperaturspreizung des Wassers von 170 C.
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Dadurch werden beträchtliche Volumeneinsparungen erzielt.
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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.
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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 1500 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.
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Pür das Funktionieren der Wärmepumpenanordnung allein wird keine Fremdenergie
benötigt. Wie jedes Sonnenwärme-Heizsystem, muss aber die Wärmepumpenanordnung für
die Ueberbrückung 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.
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Gegenüber der Ergänzung eines Sonnenenergie-Heizsystems mit einer
herkömmlichen Wärmepumpe ohne Speicherung liegt der Vorteil im Verbrauch von Nachtstrom.
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Langfristig gesehen, spielen auch energiepolitische Aspekte eine Rolle,
da in Zukunft ein erheblicher Teil der elektrischen Energie durch Kernkraftwerke
geliefert wird.
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Es ist bekannt, dass Kernkraftwerke mit Vorteil Grundlast fahren sollten.
In Schwachlastzeiten kann die überschüssige Energie zum Pumpen in Pumpspeicherwerken
genutzt werden.
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Die Fahrweise der Kernkraftwerke trägt auch dazu bei3 dass der Nachtstrom
billiger ist als der Tages- oder Spitzenstrom. Mit zunehmendem Anteil der Kernkraftwerke
an der Energieversorgung wird dies noch ausgeprägter.
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Die Möglichkeit des Baus zentraler Energiespeicher, d. h.
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Pumpspeicherwerke, ist geographisch begrenzt und erfordert grosse
Investitionen. Die gespeicherte Energie wird zur Deckung des Spitzenbedarfes freigesetzt,
so dass die ungleichmässige Belastung des Verteilnetzes bestehen bleibt.
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Günstiger wäre die dezentrale Speicherung der Energie, da dadurch
auch die gleichmässige Belastung der Verteilanlagen erreicht werden könnte.
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Haushalt und Gewerbe benötigen heute in den Industrieländern nahezu
die Hälfte er zur Verfügung stehenden Primärenergie.
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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 Umgebungsluft als Wärmequelle ab, so ist die einzige,
überall zugängliche Wärmequelle vor Ort des Verbrau ches die Sonnenstrahlung. Ihre
direkte Nutzung ist allerdings wegen der meteorologischen Schwankungen und der damit
verbundenen, ungleichmässigen Verfügbarkeit ohne Lösung der kurz- und mittelfristigen
Speicherung begrenzt.
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Die kombinierte Verwendung des billigen Nachtstromes und der Sonnenenergie
zur Deckung des Haushaltswärmebedarfes wird nun durch die vorliegende Erfindung
gewährleistet.
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Damit bietet sie eine echte Alternative zum Heizöl. Der zu erwartende
Beitrag der Sonnenenergie an die Energieversorgung wird auf etwa 2 - 5 t geschätzt.
Mit dem Einsatz der Wärmepumpenanordnung kann dieser Wert erheblich steigen.
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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.
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Die energiepolitischen Hauptvorteile der Wärmepumpenanordnung zur
kombinierten Nutzung der Sonnenenergie und des Nacht stromes 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 Oel gedeckt werden und etwa 50 - 60 % des Gesamtenergieverbrauchs ausmachen,
sind die Vorteile der beschriebenen Wärmepumpenanordnung augenfällig.