DE3002387A1

DE3002387A1 - Verfahren zur verbesserten waermerueckgewinnung in einem bi- oder mehrvalenten warmwasser-heizugssystem

Info

Publication number: DE3002387A1
Application number: DE19803002387
Authority: DE
Inventors: Friedrich 6142 Bensheim-Auerbach Schaeff
Original assignee: Karl Schaeff GmbH and Co Maschinenfabrik
Current assignee: Karl Schaeff GmbH and Co Maschinenfabrik
Priority date: 1980-01-24
Filing date: 1980-01-24
Publication date: 1981-08-20

Description

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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

-. Wilfrid RÄEGK

PATENTANWALT
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Karl Schaeff GmbH & Co.

Maschinenfabrik, Langenburg = Sch 232

Ansprüche

/ 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 wird_o

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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).

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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.

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