DE3013518A1

DE3013518A1 - Waermepumpe oder kaeltemaschine

Info

Publication number: DE3013518A1
Application number: DE19803013518
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Ing. 8200 Rosenheim Müller
Original assignee: MITEC MODERNE INDUSTRIETECHNIK GmbH
Current assignee: MITEC MODERNE INDUSTRIETECHNIK GmbH
Priority date: 1980-04-08
Filing date: 1980-04-08
Publication date: 1981-10-15
Also published as: NL8101653A; ATA129381A; SE8101696L; AT375173B; CH656210A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpe oder Kältemaschine für den Einsatz in der Wärme-und/oder Kältetechnik zur Verwendung auf den Gebieten Heizung, Kühlung,Wärmerückgewinnung und /oder Klimatisierung in Verbindung niit der Anhebung oder Absenkung der Temperaturen von gasförmigen,flüssigen oder festen Medien.

Solche Wärmepumpen sind in den vielfältigsten Ausführungsformen bekannt.So ist beispielsweise aus der DT-Offenlegungsschrift 25 2o 226 eine mehrstufige Wärmepumpe bekanntgeworden,bei der zwei oder mehrere Wärmepumpen hintereinander geschaltet sind,so daß der Kondensator einer Stufe seine Wärme an den Verdampfer der nächsten Stufe abgibt. Es handelt sich hier um ein Prinzip,bei dem höhere Temperaturen erreicht werden sollen.Mit einer derartigen Einrichtung ist es nicht möglich,die Leistungsziffer zu verbessern.

Durch die Dt-Offenlegungsschrift 26 06 o53 ist eine Ausbildung bekanntgeworden,bei der mittels einer Wärmepumpe die Abwärme von Kühlanlagen genutzt werden soll.Hierzu werden Verajampfereinheiten der Wärmepumpe kältemittelseitig parallel miteinander geschaltet und zwar jeweils soviel Verdanipfereinheiten wie nutzbare Kühlanlagen vorhanden sind.Die Kondensationswärme der Kühlanlagen wird also in diesem Falle ebenfalls zur Verdampfung des Kältemittels der Wärmepumpe verwendet.

Die derzeit bekannten Wärmepumpensysteme lehnen sich alle an die einfachen Prinzipien der überlieferten Heizungstechnik an.Das Ergebnis ist eine dem Stand der Technik entsprechende pauschalisierte Konstruktions-und Einsatzstrategie bezüglich Wärmepumpen,ohne daß die Möglichkeit zur Optimierung beziehungsweise Anpassung der Wärmebereitstellung an die unterschiedlichen Gegebenheiten von Seiten der Wärmequellen unq der Wärmesenken besteht.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpe oder Kältemaschine der eingangs genannten art zu schaffen,die eine differenzierte Abstimmung der thermodynamischen Vorgänge in den Kältekreisen auf die Erfordernisse der Wärmequellen-und Wärmesenken-Seite bezüglich Leistungen und Temperaturen in ihren zeitlichen Verläufen ermöglicht,wobei gleichzeitig mehrere Temperaturniveaus gefahren werden können.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen vorgeschlagenen Maßnahmen in +berraschend einfacher und zuverlässiger Weise gelöst.Allein schon die Aufgabenstellung ist durch den Stand der Technik nicht nahegelegt und weist nunmehr einen praktikablen,einfachen und optimierenden Weg zur Serienherstellung von Wärmepumpen mit hohen Leistungsziffern.

Die Erfindung ist an Ausführungsbeispielen beschrieben und erläutert sowie skizzenmäßig in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen :

Fig.l eine Schemaskizze eines Ausführungsbeispiels einer Wärmepumpe oder Kältemaschine in ihrem generellen Aufbau gemäß der Erfindung mit einer gewählten Anzahl von fünf Modulen,

Fig.2 eine Schemaskizze eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung,wobei verschiedene Module zur Erfüllung verschiedener Aufgaben auf der Wärmesenkenseite erfüllen.

Gemäß dem in Fig.l dargestellten Aufbau einer Wärmepumpe oder Kältemaschine setzt sich diese aus mehreren Modulen (Io bis loe) zusammen,wobei jedes Modul einen in sich ge-

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schlossenen Kältekreis aufweist,der aus den wesentlichen Bauteilen wie Verdampfer (11),Verdichter mit Antrieb (12) Kondensator (13) und Expansionsventil (14) besteht,während die Wärmequellenseite (15) und /oder die Wärmesenkenseite (16)zu einem oder mehreren Kreisen zusammenschaltbar sind.Nachfolgend werden beide Seiten als "sekundärseitig" definiert.Im Betriebszustand ergeben sich die Temperaturänderungen in Abschnitten entsprechend der Anzahl der sekundärseitig pro Wärmeträgerkreis in Reihe geschalteten Modlue Io - loe.Damit ist gegenüber dem Stand der Technik ein völlig anderes Prinzip gestaltet,das nicht nur günstigere thermodynamische Verhältnisse schafft,sondern insbe sondere eine differenzierte Regelung der Leistungs-und Temperatur-Bereitstellung in ihrem zeitlichen Verlauf ermöglicht.Die Module lo-loe sind sekundärseitig so ausgeführt, daß die Wärmetauschern, 13 durch Rohrkrümmer, Schläuche oder Kanäle in einfacher Weise den einsatzmäßigen Erfordernissen entsprechend verschaltet werden können.

Hierbei können die Module lo-loe ohne Eingriff in die Kältekreise übereinander oder nebeneinander anflanschbar und austauschbar angeordnet werden und sind entsprechend ausgestaltet.In einem speziellen Ausführungsbeispiel, wie es die Fig.2 schematisch zeigt,ist jedes einzelne Modul 100 bzw. Io durch aufsteckbare Isolier formschalen zu quaderartigen Formkörpern ausgebildet.In weiterer Ausgestaltung wird vorgeschlagen,daß die Module 10 - IQe in ihrer Gesamtheit einen geschlossenen Baukörper bilden.

Wie nun die Fig.2 zeigt,übernimmt beispielsweise das oberste Modul 100 bei der Versorgung eines Einfamilienhauses allein die Brauchwassererwärmung und zwar zu den Niedertarifzeiten, also unter Ausnutzung der Energieüberangebotszeiten.Die

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restlichen Module looa bis looe versorgen das Gebäude mit Heizwärme,wovon das Modul 100a wieder speziell für beispielsweise die Fußbodenheizung in Bad und Eingangsvorraum eingesetzt wird und die Module 100b bis lOOe die Radiatorenheizung übernehmen.

Für die in dem Beispiel angenommene Abrabeitung einer Wärmequelle von 26 C auf 8° C ergeben sich für den Nennbetrieb -d.h. alle Stufen voll in Betrieb - die in der Fig.2 eingetragenen TemperaturenFür diesen Betriebsfall ergibt sich für die beschriebene Wärmepumpe gemäß der Erfindung eine Carnot'sche Leistungsziffer von 6,8.Dagegen weisen die günstigsten Anordnungen nach dem Stand der Technik bei der Abarbeitung der Wärmequelle mit einem Kältekreis eine Carnot'sche Leistungsziffer von 5,1 auf.Damit erbringt die vorgeschlagene Wärmepumpe oder Kältmaschine eine 33 prozentige Verbesserung.Dieses Beispiel zeigt die Vorteile der Erfindung in Verbindung mit relativ hohen Temperaturspreizungen auf den Sekundärseiten.

Als weiteres Beispiel für die Vorteilhaftigkeit der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik,sei diese mit einer herkömmlichen Grundwasser-Wärmepumpe zur Raumbeheizung über ein Fußboden-Heizungssystem verglichen. Bei einer Abarbeitung des Grundwassers von 10 C auf 4°C und heiznetztemperaturen von 35/30⁰C ergibt sich für die herkömmliche Wärmepumpe eine Verdampfungstemperatur von - 1 C ,eine Kondensationstemperatur von 4o°C und somit eine Carnot'sche Leistungsziffer von 7,5.

Für die nach der Erfindung vorgeschlagene Wärmepumpe mit beispielsweise sechs Modulen jeweils gleicher Leistung er ben eich für die einzelnen Module der Reihe nach Verdampfer-

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temperaturen von 4,3,2,1,0 und -1 C sowie Kondensationstemperaturen von 41,40,39,38,37 und 36°C.Dies bedeutet, eine mittlere Verdampfungstemperatur von 1,5 C,eine mittlere Kondensationstemperatur von 38,5 C und somit eine Carnot'sche Leistungsziffer von 8,4,also eine Verbesserung um 12 SS.

Diese Beispiele zeigen die energetischen Vorteile der Erfindung bei Nennbetrieb.Durch die Anpassungsfähigkeit der nach den vorgeschlagenen Maßnahmen gestalteten Wärmepumpe an die peripheren Erfordernisse inklusive der mindestens stufenweise gegebenen Leistungsregelung ist insbesondere auch eine Verbesserung der Arbeitsziffer - d.h. der über das ganze Jahr hinweg gemittelten Leistungsziffer - gegeben.

Außerdem wird die Möglichkeit eröffnet,mehrere voneinander unabhängige und in ihrer Art und Temperatur verschiedene Wärmequellen oder Wärmesenken in einer einzigen Anordnung zu berücksichtigen bzw. einzusetzen.Als Beispiel sei hier für einen landwirtschaftlichen Betrieb die Wärmerückgewinnung aus Milch,Mist,Silo und Heulager zum Zweck der Gebrauchwassererwärmung,Raum-und Gewächshausbeheizung etc. genannt.

Fertigungstechnisch ergibt sich durch die vorgeschlagenen Maßnahmen eine weitgehend vereinheitlichte Modulfertigung in wenig Leistungsstufen,aber großen Stückzahlen.Wenn außerdem der konstruktive Aufbau der Wärmetauscher eine Verwendung sowohl als Kondensator als auch als Verdampfer erlaubt,verdoppeln sich die Fertigungsstückzahlen ,was beispielsweise zu einer erheblich günstigeren Ausnutzung des Maschinen-und Vorrichtungsparkes führt.

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Die Versorgungssicherheit einer Wärmequelle oder Kältemaschine gemäß der Erfindung ist gegenüber den Maschinen nach dem Stand der Technik wesentlich gesteigert,denn der Ausfall eines Kältekreisbauteils berührt die Funktionstüchtigkeit der restlichen Module nicht.Das defekte Modul kann von kältetechnisch ungeschultem Personal in einfacher Weise,lediglich durch Lösen der sekundärseitigen Verschaltungen gegen ein neues Modul ausgetauscht werden.Dies hat zusätzlich noch den Vorteil,daß Eingriffe in den Kältekreis ausschließlich in fachkundigen Werkstätten erfolgen können, in denen auch die erforderlichen Einrichtungen zum Frigen-Recycling vorhanden sind und damit den Erfordernissen des Umweltschutzes weitgehend entgegenkommt.

Die Erfindung verbessert also gegenüber den Anordnungen des Standes der Technik sowohl thermodynamisch und energetisch die Betriebsweise,als auch sehr erheblich die ι Fertigungstechnik,Transport,Installation und Versorgungssicherheit.

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Claims

Patentansprüche

Wärmepumpe oder Kältemaschine für den Einsatz in der Wärme-und/oder Kältetechnik zur Verwendung auf den Gebieten Heizung,Kühlung,Wärmerückgewinnung und /oder Klimatisierung in Verbindung mit der Anhebung oder Absenkung der Temperaturen von gasförmigen,flüssigen oder festen Medien,dadurch gekennzeichnet ,daß die Wärmepumpe oder Kältemaschine aus mehreren Modulen (lo,1Oe,loo-looe) gleicher oder unterschiedlicher Leistungsfähigkeit aufgebaut ist,wobei jedes Modul die wesentlichen und an sich bekannten Bauteile: Verdampfer(J. ^Ί ^Ν Verdichter mit Antrieb (12),Kondensator (13) und Expansionsventil (14) enthält und damit einen in sich geschlossenen Kältkreis aufweist,während die Wärmequellen-Seite (15) und/oder die Wärmesenken-Seite (16) der Wärmepumpe oder Kältemaschine je zu einem Kreis oder mehreren Kreisen derart geschaltet sind,daß sich im Betrieb die Temperaturänderungen der Wärmeträger auf einer der beiden Seiten (15,16) oder auf beiden Seiten in einer Zahl von Abschnitten gemäß der Anzahl der auf der jeweiligen Seite (15,16) pro Wärmeträger in Reihe geschalteten Module (lo-loe) ergeben.

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2. Wärmepumpe nach Anspruch 1 ,dadurch gekennzeichnet ,daß pro Seite (15,16) eine Art dder mehrere Arten von Wärmeträgern Verwendung finden und pro Seite (15,16) ein Temperaturniveau oder mehrere Temperaturniveaus gleichzeitig oder zeitlich getrennt betriebsmäßig ab gesenkt oder angehoben werden .
3. Wärmepumpe nach den Ansprüchen 1 und 2 ,dadurch gekennzeichnet ,daß'die Wärmetauscher (11,13) einen identischen Aufbau aufweisen.
4. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ,dadurch gekennzeichnet ,daß in den eirizelnen Modulen(lo-loe) eine Art oder unterschiedliche Arten vdn Kältemitteln und/ oder Mischungen von Kältemitteln unterschiedlicher Kompressibilität Verwendung finden.
5. Wärmepumpe nach einem oder mehreren des¹ Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet ,dstß die Module (Io -loe) ohne Eingriff in die Kältekreise gegenseitig übereinander oder nebeneinander anflanschbar und austauschbar ausgestaltet sind.
6. Wärmepumpe nach einem oder mehreren dei' Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet ,d?lß die Module (lo-loe) durch Isolierfarmschalen (100) oder dul'ch Ausschäumen in Formen zu quaderähnlichen Körpern gestdltet sind.
7.Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet ,dilß die Module zu einer geschlossenen Baueinheit zusammengefaßt sind.
8. Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet ,daß die Wärme-und/oder die Kälteleistung durch Zu-oder Wegschaltung von einem oder mehreren der Module (lo-loe) beziehungsweise der zugehörigen Verdichterantr ieiot S+u f e<i Wä»se regelbar ist.

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9. Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet ,daß die Leistungsregelung eines Moduls (Io - loe) durch die Regulierung der Drehzahl des zugehörigen Verdichterantriebs erfolgt,wobei eine bestimmte Drehzahl jeweils einem Modul oder gleichzeitig mehreren Modulen zugeordnet ist.
10. Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet ,daß einem oder mehreren der Module (lo-loe) Rundsteuerungen,Schaltuhren oder sonstige Schalteinrichtungen (17) zugeordnet sind,die die Leistungsbereitstellung ganz oder teilweise auf günstige Tarifzeiten schalten.
11. Wärmepumpe pach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet ,daß einem oder mehreren der Module (lo-loe) Schalt-und/oder Steuereinrichtungen (17) zugeordnet sind,die die Leistungsbereitstellung nach Zeit und Maß an den jeweiligen Bedarf anpassen.
12. Wärmepumpe pach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet ,daß jedem Modul (lo-loe) ein bestimmter Verdampfungstemperatur-Bereich und/oder ein bestimmter |<ondensationstemperatur-Bereich zugeordnet ist, wobei in dem jeweiligen Bereich eine Anpassung der spezifischen Verdichtungsarbeit an das Wirkungsgradoptimum des motorischen Antriebs eroflgt.
13. Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet ,daß die den einzelnen Modulen zugeordneten Schalt-,Steuer- und Regelungseinrichtungen (17) in einer zentralen Baueinheit zusammengefaßt sind.

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