DE3002387A1 - Verfahren zur verbesserten waermerueckgewinnung in einem bi- oder mehrvalenten warmwasser-heizugssystem - Google Patents
Verfahren zur verbesserten waermerueckgewinnung in einem bi- oder mehrvalenten warmwasser-heizugssystemInfo
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Description
DiPL -
PATENTANWALT 7 STUTTGART 1, MOSERSTRASSE 8 · TELEFON (0711) 244003
Karl Schaeff GmbH & Co.
Maschinenfabrik, Langenburg - Sch 232 -
Verfahren zur verbesserten Wärmerückgewinnung in einem bi- oder mehrvalenten
Warmwasser-Heizungssystem
Die Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Wärmerückgewinnung
in einem Warmwasser-Heizungssystem, vorzugsweise zum Beheizen von Wohnhäusern, bei dem eine
Wärmepumpe sowie ein Zusatzheizkessel Anwendung finden.
Mit einer Luft/Wasser-Wärmepumpe wird der Umgebungsluft Wärme entzogen und auf ein höheres Temperaturniveau
gepumpt. Wärmepumpen arbeiten mit einem Verdichter und einem Kältemittel und entsprechen in ihrer Arbeitsweise
derjenigen einer hergebrachten Linde-Eismaschine, üblicherweise wird der Verdichter einer Wärmepumpe von
einem Elektromotor angetrieben. Vorzugsweise wird der Elektromotor in den Verdichter eingebaut, so daß der
Kühlmittel-Kreislauf im Hinblick auf die Empfindlichkeit und Giftigkeit des Kühlmittels hermetisch abgeschlossen
werden kann. Mit einer Wärmepumpe läßt sich eine Heizungsanlage wirtschaftlich allerdings nur bis zu einer
Vorlauftemperatür von ca. 6o° betreiben.
Demgegenüber sind die mit öl, Gas oder Kohle betriebenen
üblichen. Heizungsanlagen für höhere Vorlauftemperaturen
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von ca. 8o°.- 9o° C ausgelegt. Um nun an solch eine Heizungsanlage
eine Wärmepumpe anzuschließen, muß die von der Wärme=
pumpe abgegebene Temperatur noch weiter angehoben werden„
Von den dazu bekannten Methoden besteht die wirtschaftlichste darin, daß man den Verdichter der Wärmepumpe durch einen
Diesel- oder Gasmotor antreibt und die Abwärme dieses Verbrennungsmotors zur Erhöhung der von der Wärmepumpe gelieferten
Temperatur ausnutzt. Zu diesem Zweck wird der von der Wärmepumpe erzeugte Wärmestrom über den Kühlmantel
des Verbrennungsmotors sowie über einen Abgasv/ärmetauscher
geführt, womit das Warmwasser der Heizungsanlage auf Vorlauftemperaturen
von ca. 8o° - 9o° C gebracht werden kann»
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
anzugeben, um in einer bi- oder mehrvalenten Warmwasser= Heizungsanlage, die eine Luft/Wasser-Wärmepumpe und einen
Zusatzheizkessel umfaßt, die Ausnutzung der verfügbaren Wärmemengen sowie den Gesamtwirkungsgrad einer solchen
Anlage zu verbessern. Nach dem Grundprinzip der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst* daß die Temperatur
der Umgebungsluft vor der Zuführung zum Verdampfer der
Wärmepumpe durch die Abgase der Zusatzheizung und/oder eines den Verdichter der Wärmepumpe antreibenden Verbrennungsmotors
erhöht wird.
Wärmepumpen, die der Umgebungsluft Wärme entziehen,, lassen sich wirtschaftlich nur bis zu einer Lufttemperatur von
etwa 3° C betreiben, denn bei niedrigerer Lufttemperatur vereisen die Verdampfer, so daß unter diesen Bedingungen
dann auf eine konventionelle Heizung (öl- oder gasbefeuerter Kessel) oder auch auf andere Wärmeerzeugungsaggregate
umgeschaltet werden muß. Erfindungsgemäß wird das Vereisen des Verdampfers dadurch verzögert daß man c'.ie Temperatur
■/·
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der Umgebungsluft vor der Zuführung zum Verdampfer durch
die Abgase der Zusatzheizung erhöht oder, wenn die Wärmepumpe durch einen Verbrennungsmotor angetrieben wird,
dessen Abgase für den gleichen Zweck verwendet, deren Restwärmeinhalt bisher nicht ausgenutzt worden ist.
Wenn im Fall einer durch einen Verbrennungsmotor angetriebenen Wärmepumpe z. B. bei niedrigen Außentemperaturen
oder erhöhtem Wärmebedarf der Heizungsanlage gleichzeitig der Zusatzheizkessel betrieben wird, können sowohl
die Abgase des Verbrennungsmotors als auch die des Zusatzheizkessels gemeinsam zur Temperaturerhöhung der
Ansaugluft der Wärmepumpe benutzt werden, was zu einer erheblichen Steigerung des Gesamtwirkungsgrades der
Heizungsanlage beiträgt.
Zweckmäßigerweise werden die Abgase des Verbrennungsmotors
in einer ersten Wärmerückgewinnungsstufe zur Temperaturerhöhung des Warmwassers und in einer zweiten
Wärmerückgewinnungsstufe zur Temperaturerhöhung der dem Verdampfer zugeführten ümgebungsluft ausgenutzt. Da
die Abgase des Verbrennungsmotors Temperaturen von 4oo° C und darüber besitzen und nicht wie bei einem öl-
oder kohlebetriebenen Zusatzheizkessel den größten Anteil ihrer Wärme an den Warmwasserkreislauf abgegeben
haben, ist es sinnvoll, die Abgase des Verbrennungsmotors primär in einem Wärmetauscher z. B. unter Einbeziehung
des Kühlmantels unmittelbar zur Erhöhung der Warmwassertemperatur zu verwenden, bevor die weiter
abgekühlten Abgase die dem Verdampfer zugeführten Luftstrom erwärmen.
Die Wärmeübertragung auf die dem Verdampfer der Wärmepumpe zugeführte ümgebungsluft kann entweder dadurch
erfeigen - daß man mit den Abgasen einen Wärmetauscher
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beaufschlagt oder daß die Umgebungsluft durch Vermischung
mit den Abgasen unmittelbar vor dem Verdampfer erwärmt wird. Durch diese Temperaturerhöhung der dem
Verdampfer zugeführten Luft setzt die Vereisung erst bei Außenlufttemperaturen zvtisehen - 5 und -7 C ein.
Je nach dem klimatischen Einsatzort der Heizanlage kann dadurch gegebenenfalls vollständig auf eine Zusatzheizung
verzichtet werden oder diese braucht nur noch an wenigen sehr kalten Tagen eingeschaltet zu werden,
Bei einer Warmwasser-Heizungsanlage zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer elektrisch angetriebenen
Wärmepumpe und einem Zusatzheizkessel kann der im Ansaugbereich eines Gebläses vor dem Verdampfer
der Wärmepumpe angeordnete Wärmetauscher an die Abgasleitung des Zusatzheizkessels angeschlossen sein.
Bei einer Warmwasser-Heizungsanlage mit einer über einen Elektromotor und Verbrennungsmotor angetriebenen Wärmepumpe
sind dann in der Abgasleitung des Verbrennungsmotors hintereinander ein an den Warmwasserkreislauf der
Heizungsanlage angeschlossener Wärmetauscher und im Ansaugbereich eines Gebläses vor dem Verdampfer der Wärmepumpe
ein weiterer Wärmetauscher angeordnete Der zweite Wärmetauscher kann zusätzlich auch durch die Abgase
der Zusatzheizung beaufschlagt werden„
Bis herunter zu einer Außentemperatur von etwa 6 - 7 ·C
kann es wirtschaftlich sein, den Verdichter mit einem Elektromotor zu betreiben, da der Wärmebedarf klein ist
und die Wärmepumpe mit einer großen Leistungsziffer laufen kann. Bei niedrigeren Außentemperaturen und größerem
Wärmebedarf erfolgt der Antrieb des Verdichters durch
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den Verbrennungsmotor. Die Anordnung kann dabei so getroffen sein, daß !zwischen Verbrennungsmotor und Verdichter eine
gesteuerte Kupplung vorgesehen ist, die nach Erreichen einer Nenndrehzahl des des Verdichters einrückt und den
Verbrennungsmotor startet. Nach Hochlaufen des Verbrennungsmotors wird der Elektromotor vom Netz getrennt. Um auch
die Wärmeverluste des Elektromotors zu nutzen, kann dieser wassergekühlt und mit in den Heizungskreislauf eingeschlossen
werden.
Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird die
Kraftübertragung zwischen Verbrennungsmotor und Verdichter auf elektrischem Weg durchgeführt. Dies erhöht
die Betriebssicherheit und verbessert das Ansprechverhalten der Heizungsanlage.
Zu diesem Zweck kann dem Verbrennungsmotor ein als Asynchron-Drehstrommotor ausgeführter Starter zugeordnet
sein, der bei Erreichen der Nenndrehzahl des Verbrennungsmotors von diesem übersynchron angetrieben und als Stromquelle
an einen elektrischen Verdichterantrieb angeschlossen ist. Demnach wird der Verbrennungsmotor durch einen
Drehstrommotor (Kurzschlußläufer) mittels einer üblichen Temperatursteuerung der Heizungsanlage gestartet und
dabei zunächst vom Stromnetz betrieben. Nachdem der Verbrennungsmotor hochgelaufen ist, treibt er nun seinerseits
den Drehstrommotor mit übersynchroner Drehzahl an, so daß dieser als Generator arbeitet und Strom liefert.
Diese elektrische Kraftübertragung hat verschiedene Vorteile, die darin bestehen, daß der Verbrennungsmotor
ohne Belastung durch den Verdichter leer anlaufen kann,
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daß ein Verdichter mit integriertem Elektromotor für einen hermetisch geschlossenen Kältemittelkreislauf eingesetzt
werden kann, der keiner Wartung und Nachfüllung von Kältemittel bedarf, und daß bei höheren Außentemperaturen der
Verdichter direkt aus dem Stromnetz betrieben werden kann. Selbstverständlich können auch hier die Wärmeverluste
des Starter-Motors aufgefangen werden, indem man diesen Motor mit einer Wasserkühlung versieht, die mit in den
Heizungskreislauf eingeschlossen ist,
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen, jeweils
schematisch,
Fig. 1 eine Heizungsanlage mit Vorwärmung der
dem Verdampfer der Wärmepumpe zugeführten Umgebungsluft durch die Abgase eines Zusatzheizkessels
,
Fig. 2 eine Heizungsanlage mit Verbrennungsmotorantrieb für die Wärmepumpe und mehrfacher
Ausnutzung der Abgase des Verbrennungsmotors und
Fig. 3 eine ähnliche Heizungsanlage wie in Fig 2, jedoch mit elektrischer Kraftübertragung
zwischen Verbrennungsmotor und Verdichter der Wärmepumpe.
Entsprechend Fig. 1 enthält eine Warmwasserheizungsanlage eine Luft/Wasser-Wärmepumpe, bestehend aus einem Verdichter
1o, einem Kondensator 12 und einem Verdampfer 14,
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die in einem Kühlmittelkreislauf hintereinander angeordnet sind. Vom Verdichter 1o über die Leitung 16 angesaugtes,
gasförmiges Kühlmittel wird verdichtet und über die Auslaßleitung 18 dem Kondensator 12 zugeführt, indem sich
das auf erhöhtem Energieniveau befindliche gasförmige Kühlmittel verflüssigt, über die Anschlußleitung 2o strömt
das flüssige Kühlmittel bis zu einer Entspannungsdüse 22, um sich im Verdampfer 14 durch Entspannung auf Temperaturen
von beispielsweise ~2o° C und darunter abzukühlen. Um an dieser Stelle der Umgebungsluft Wärme zu entziehen, ist
der Verdampfer 14 als Wärmetauscher ausgeführt und beispielsweise
in einem Strömungskanal 24 angeordnet, durch den von einem Gebläse 26 erhebliche Mengen von Umgebungsluft hindurchgeblasen werden. Die hierbei der Umgebungsluft entnommene Energie wird im Anschluß an die Verdichtung
im Kondensator 12 in Form von Kondensationswärme an das
Heizungsnetz abgegeben.
Im Heizungsnetz liegt in einer Vorlaufleitung 28 vor den
Verbrauchern (Heizkörpern) 3o eine Umwälzpumpe 32, die das im Kondensator 12 erwärmte Heizwasser über eine an
den Kühlmantel 34 des Verdichters angeschlossene Leitung und ein nachgeschaltetes Dreiwegeventil 38 ansaugt, worauf
das Warmwasser nach Durchströmung der Verbraucher 3o über die Rücklaufleitung 4o wieder dem Kondensator 12
zuläuft.
Da mit Hilfe der beschriebenen Wärmepumpe bestenfalls eine Vorlauftemperatur von ca. 6o° erreicht wird, muß
bei kalter Witterung zur Nachwärmung des Heizwassers ein Zusatzheizkessel 42 eingeschaltet werden, der mit
Gas, öl oder Kohle betrieben und durch einen Thermostaten, beispielsweise einen Außenthermostat, abhängig von der
Außenlufttemperatur, gesteuert werden kann.
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Die in den Rauchgasen des Zusatzheizkessels 42 enthaltene Energie wird in einem Wärmetauscher 44 an die Umgebungsluft abgegeben, wozu der Wärmetauscher 44 an die Rauchgasleitung
46 des Kessels 42 angeschlossen und im Bereich des Ansaugkanals 24 des Gebläses 26 angeordnet ist,, Der
Wärmetauscher 44 kann in an sich bekannter Weise aus Rippenrohren oder aus anderen, für solche Wärmetauscher
bekannten Anordnungen bestehen. Alternativ können die Abgase des Zusatzheizkessels auch ohne Wärmetauscher
direkt in den Strom der vom Gebläse 26 angesaugten Umgebungsluft eingeführt werden, was bei einem gasbeheizten
Nachwärmkessel 42 keine Probleme aufwirft» - Der Verdichter
1o der Wärmepumpe wird entsprechend FIg0 1 von einem
Elektromotor angetrieben, der von einem Raum- oder Außenthermostat aus gesteuert wird.
Bei einer ähnlichen Warmwasser-Heizanlage gemäß Fig„ 2
ist für den Antrieb des Verdichters 1o ein ^Elektromotor
und ein Verbrennungsmotor 5o (Diesel- oder Gasmotor) vorgesehen. Auf der Verdichterwelle 52 sitzt eine Riemenscheibe
54, die über Treibriemen 56 an einen Elektromotor 5 angeschlossen ist, so daß bei einem über einen Raum- oder
Außenthermostaten ermittelten Wärmebedarf die..Wärmepumpe
mit Hilfe des Elektromotors 58 betrieben werden kann.
Bei Temperaturen unter etwa 6° C, also bei erhöhtem Wärmebedarf, wird der Verdichter durch den Verbrennungsmotor
5o angetrieben. Dazu wird eine zwischen der Riemenscheibe 54 und einem auf der Motorwelle sitzenden
Schwungrad 62 angeordnete Kupplung 64 eingerückt. Wenn der Motor 5o seine Nenndrehzahl erreicht hat, wird der
Starter-Elektromotor 58 abgeschaltet.
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Der Warmwasserkreislauf der Heizungsanlage gemäß Fig. 2 entspricht demjenigen nach Fig. 1 mit der Ausnahme, daß
die Verbindungsleitung 64 zwischen dem Kühlmantel 34 des
Verdichters und dem Dreiwege-Mischventil 38 über einen Wärmetauscher 66 und den Kühlmantel 68 des Verbrennungsmotors
geführt ist. Der Wärmetauscher 66 bildet eine erste Wärmerückgewinnungsstufe für die in den ca. 4oo° C
heißen Motorabgasen enthaltene beträchtliche Wärmemenge, die das Temperaturniveau des im Kondensator 12 der
Wärmepumpe erwärmten Wassers bis auf eine brauchbare Vorlauftemperatur anhebt.
In der Abgasleitung 46 des Verbrennungsmotors 5o ist weiter stromab, wie zuvor, im Ansaugkanal des Verdampfers
ein Wärmetauscher 44 als zweite Wärmerückgewinnungsstufe angeordnet, um die dem Verdampfer zugeführte Umgebungsluft zu erwärmen und dessen Vereisung zu verhindern.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 entsprechen der Warmwasserkreislauf der Heizungsanlage und die Wärmerückgewinnung
der Abgase des den Verdichter antreibenden Verbrennungsmotors weitgehend denjenigen nach Fig. 2.
Im Unterschied zu der Anlage nach Fig. 2 erfolgt jedoch die Kraftübertragung zwischen Verbrennungsmotor 5o
und Verdichter 1o auf elektrischem Weg. Der Verdichter 1o
ist wie in Fig. 1 in einem vorzugsweise hermetisch geschlossenen Kühlmittelkreislauf durch einen Elektromotor
angetrieben, der bei über einen Thermostaten gemeldeten Wärmebedarf der Heizungsanlage mit Netzstrom betrieben
wird. Liegt ein erhöhter Wärmebedarf vor, wird über einen Elektromotor 7o, der über eine Treibriemenverbindung 72
mit dem Motor 5o gekuppelt ist, der Verbrennungsmotor angelassen. Der Motor 7o ist als Drehstrom-Asynchronmotor
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so ausgeführt, daß er den Verbrennungsmotor 5o zunächst startet und dann, nachdem der Verbrennungsmotor 5o seine
Nenndrehzahl erreicht hat, übersynchron umläuft und dadurch
als Generator wirkt. Sobald die vom Startermotor 7o erzeugte, ins Netz gelieferte Spannung einen bestimmten
Wert erreicht, sorgt eine Relaisschaltung dafür, daß der Elektromotor 39 des Verdichters 1o vom Netz abgeschaltet
und nunmehr von dem als Generator wirkenden Startermotor gespeist wird.
Auf diese Weise kann auch bei einem Defekt oder bei Wartungsarbeiten am Verbrennungsmotor die Wärmepumpe weiterhin
einsatzbereit gehalten werden, da der Verdichter dann ständig vom Stromnetz aus betrieben·..wird. Als weiterer
Vorteil kann der Verbrennungsmotor bei Stromausfall auch von Hand gestartet werden und als Notstromerzeuger dienen«
Um auch die Wärmeverluste des Startermotors 7o auszunutzen,
ist dieser mit einem Wasserkühlmantel 76 versehen, der in den Heizkreislauf und beim Ausführungsbeispiel nach FIg0
in die zum Kondensator 12 führende Rücklaufleitung 4o eingeschlossen ist.
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Claims (9)
- -. Wilfrid RÄEGKPATENTANWALT
7 STUTTGART 1, MOSERSTRASSE 8 · TELEFON (0711) 244003Karl Schaeff GmbH & Co.Maschinenfabrik, Langenburg = Sch 232Ansprüche/ 1 .!verfahren zur verbesserten Wärmerückgei^innung in einer bi- oder mehrvalenten Warmwasser-Heizungsanlage mit einer Luft/Wasser-Wärmepumpe und einem öl*= oder gasbetriebenen Zusatzheizkessel e
dadurch gekennzeichnet,daß die Temperatur der Umgebungsluft vor der Zu= führung zum Verdampfer der Wärmepumpe durch die Abgase der Zusatzheizung und/oder eines den Verdichter der Wärmepumpe antreibenden Verbrennungsmotors erhöht wird. - 2. Verfahren nach Anspruch 1 „ dadurch gekennzeichnet„ daß die Abgase des Verbrennungsmotors in einer ersten Wärmerückgewinnungsstufe zur Temperaturerhöhung des Warmwassers und in einer zweiten Wärmerückgewinnungsstufe zur Temperaturerhöhung der dem Verdampfer zugeführten Umgebungsluft ausgenutzt werden0
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Verdampfer der Wärmepumpe zugeführte Umgebungsluft durch einen mit den Abgasen beaufschlagten Wärmetauscher erwärmt wirdo130 034/00233QQ2387Sch 232
- 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Verdampfer der Wärmepumpe zugeführte Umgebungsluft durch Vermischung mit den Abgasen unmittelbar vor dem Verdampfer erwärmt wird.
- 5. Warmwasser-Heizungsanlage zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einer elektrisch angetriebenen Wärmepumpe und einem öl- oder gasbetriebenen Zusatzheizkessel, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Ansaugbereich (24) eines Gebläses (26) vor dem Verdampfer (14) der Wärmepumpe angeordneter Wärmetauscher (44) an die Abgasleitung (46) des Zusatzheizkessels (42) angeschlossen ist.
- 6. Warmwasser-Heizungsanlage zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem öl- oder gasbetriebenen Zusatzheizkessel und einer mittels eines Elektromotors und eines Verbrennungsmotors angetriebenen Wärmepumpe, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasleitung (46) des Verbrennungsmotors (5o) hintereinander ein an den Warmwasserkreislauf des Heizungssystems angeschlossener Wärmetauscher K66) einer ersten Wärmerückgewinnungsstufe und im Ansaugbereich eines Gebläses (26) vor dem Verdampfer (14) der Wärmepumpe befindlicher weiterer Wärmetauscher (44) einer zweiten Wärmerückgewinnungsstufe angeordnet sind.
- 7. Warmwasser-Heizungsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Verbrennungsmotor (5o) und Verdichter (1o) eine Kupplung (6o) vorgesehen ist, die wahlweise einen Betrieb des Verdichters mit Elektromotor oder Verbrennungsmotor erlaubt (Fig. 2).130034/0023 -/-- ·- 30Q2387Sch 232
- 8. Warmwasser-Heizungsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftübertragung zwischen Verbrennungsmotor (5o) und Verdichter (1o) elektrisch erfolgt.
- 9. Warmwasser-Heizungsanlage nach Anspruch B, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verbrennungsmotor *(5o) ein als asynchroner Drehstrommotor (7o) ausgeführter Starter zugeordnet ist, der bei Erreichen der Nenndrehzahl des Verbrennungsmotors übersynchron angetrieben und als Stromquelle an einen elektrischen Verdichterantrieb (39) angeschlossen ist (Fig„ 3)„1o. Warmwasser-Heizungsanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Verdichterantrieb (39) alternativ vom Stromnetz aus betreibbar ist.130 034/002 3
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19803002387 DE3002387A1 (de) | 1980-01-24 | 1980-01-24 | Verfahren zur verbesserten waermerueckgewinnung in einem bi- oder mehrvalenten warmwasser-heizugssystem |
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---|---|---|---|
DE19803002387 DE3002387A1 (de) | 1980-01-24 | 1980-01-24 | Verfahren zur verbesserten waermerueckgewinnung in einem bi- oder mehrvalenten warmwasser-heizugssystem |
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DE3002387A1 true DE3002387A1 (de) | 1981-08-20 |
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ID=6092779
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19803002387 Ceased DE3002387A1 (de) | 1980-01-24 | 1980-01-24 | Verfahren zur verbesserten waermerueckgewinnung in einem bi- oder mehrvalenten warmwasser-heizugssystem |
Country Status (1)
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DE (1) | DE3002387A1 (de) |
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1980
- 1980-01-24 DE DE19803002387 patent/DE3002387A1/de not_active Ceased
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8131 | Rejection |