DE3024956A1

DE3024956A1 - Waermepumpenanlage

Info

Publication number: DE3024956A1
Application number: DE19803024956
Authority: DE
Inventors: Gerry Niagara Falls Ontario Vandervaart
Original assignee: Kool Fire Ltd
Current assignee: Kool Fire Ltd
Priority date: 1979-07-03
Filing date: 1980-07-02
Publication date: 1981-04-02
Also published as: CA1143959A; NL8003855A; FR2461204B1; GB2059564B; US4311192A; GB2059564A; FR2461204A1

Description

VON KREISLER SCHÖ'NWALD EiSHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING WERNER

-?- PATENTANWÄLTE

Dr.-Ing. von Kreisler 11973

. Dr.-Ing. K. Schönwald, Köln

Anmelder: _Dr_.|_ng_ _K_ _{Wi Bsho}|_d( ^

Gerry Vandervaart ^■/■^""'am'" „ ·. _v~,

Dipl.-Cnem. Alek von Kreisler, Köln

Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln

P 30 24 956.0 DipL-lng. G. Selting, Köln

Dr. H.-K. Werner, Köln

Sch-DB/my 30. Juni 1980

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF

D-5000 KÖLN 1

Wärmepumpenanlage · ·

Die Erfindung bezieht sich auf das Problem des auf niedriger Umgebungstemperatur beruhenden geringen Wirkungsgrades von Wärmepumpensystemen.

Es ist bekannt,daß eine Wärmepumpe im Heizbetrieb bei einem gewissen Wert der Umgebungslufttemperatur einen "Glexchgewichtspunkt" erreicht. Dieser Punkt wird erzielt, wenn das Wärmepumpensystem zusätzliche Wärme benötigt, um die von dem Thermostat angeforderte Innenlufttemperatur aufrechtzuerhalten.

Es sind manche Systeme entwickelt worden, bei denen die Wärmepumpe an diesem "Gleichgewichtspunkt" einfach abgeschaltet und die ganze Wärme anschließend von einem herkömmlicheren Heizsystem, z.B. einem Ofen, zugeführt wird. Andere Systeme verwenden Regeleinrichtungen, bei denen das Wärmepumpensystem noch bis herab zu seiner Grenze der Umgebungstemperatur (z.B. -12,22 C) benutzt wird, während seine Wärmeabgabe unter dem "Gleichgewichtspunkt" zunehmend durch herkömmlichere Mittel, beispielsweise elektrische Widerstandsheizgerate usw. ergänzt wird.

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Telefon: (0221) 131041 ■ Telex: 8882307 dopa d ■ Telegramm: Dompatent Köln

Während solche Systeme auch Frostschutz-Heizvorrichtungen für die Außenschlange (insbesondere zur Verhinderung des "Beschlagens" der Schlange und zur Aufrechterhaltung guter Wärmeübertragung mit der zirkulierenden Umgebungsluft) verwendet haben, ist nicht erkannt worden, daß der Wirkungsgrad eines Wärmepumpensystems unter geringen Umgebungslufttemperaturen künstlich auf einen ausreichend hohen Wert gebracht werden kann, und zwar mit minimaler Wärmeaufnahme, um wirtschaftlich diese Art des "bootstrapping" zu rechtfertigen.

Bei einem herkömmlichen System wird daher - wenn die zum Entzug aus Umgebungsluft verfügbare Wärme einen solchen niedrigen Wert erreicht hat, daß der Wirkungsgrad des Systems verhältnismäßig klein ist der Außenschlange direkt Wärme in derart begrenzter Menge zugeführt, daß 1. der Wirkungsgrad künstlich auf einen viel höheren Wert gebracht wird, und 2. dies mit einer Nettoabnahme der Betriebskosten geschieht.

Es wird ein Heizsystem des Wärmepumpentyps offenbart, bei dem die zur Abweisung der Wärme zur Luftkonditionierung oder zum Absorbieren der Wärme zur Heizung verwendete Außenschlange bei absinkender Leistung des Systems aufgrund niedriger Umgebungslufttemperatur mit Wärme versorgt wird, die unabhängig ist von der Wärme aus der Umgebungsluft. Die auf diese Weise zugeführte Wärmemenge wird geregelt, um den Wirkungsgrad des Systems genügend so zu steigern, daß sich eine beträchtliche Nettoabnahme der Betriebskosten ergibt. Bei einem her-

kömmlichen System wird die Außenluft-Schlangenkühlfläche abgeschaltet, und es wird der Schlange bei mäßiger Umgebungslufttemperatur (z.B. 0 bis +3,33°C für das

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System Zusatzwärme zugeführt und die Zusatzwärme wird in einer Rate zugeleitet, die wenigstens ausreicht/ um den Wirkungsgrad des Systems auf den Wirkungsgrad zu bringen, der sich bei einer viel höheren Umgebungslufttemperatur ergeben würde. Gleichzeitig wird die Temperatur der Außenschlange überwacht und die Zufuhr der Zusatzwärme wird zeitweilig unterbrochen, wenn die Schlangentemperatur
erreicht hat.

gentemperatur einen ausgewählten Wert, z.B. +21,11⁰C

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Teilschaubild eines neuen erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers,und es werden eine Α-Schlange, ein Gebläse, ein zugeordneter Kompressor und ein Gehäuse veranschaulicht,

Fig. 2 einen Schnitt im wesentlichen längs der Linie 2-2 nach Figur 1, und es werden zusätzliche Einzelheiten des Wärmeaustauschers einschließlich einer Wärmequelle, z.B. eines Naturgasbrenners, zur Steigerung der von der Α-Schlange aus der Umgebungsluft absorbierten Wärme veranschaulicht,

Fig. 3 einen Längsschnitt längs der Linie 3-3 der Figur 2, und es werden Einzelheiten des Wärmeaustauschergehäuses einschließlich der Anordnung der Wärmequelle in der Nähe der unteren Teile der Schenkel der A-Schlange veranschaulicht,

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linien 4-4 der Figur 3, und es wird veranschaulicht, wie während des wärmegesteigerten Betriebes des Wärmeaustauschers die Heißluft in den und durch die Absorberrippen sowie um die Schlangen der Α-Schlange aufsteigt,

Fig. 5 eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung einiger Grundzüge dieser Erfindung.

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In Figuren 1 bis 4 ist ein neuer Wärmeaustauscher oder eine wärmegesteigerte Wärmepumpe 10 dargestellt/ die ein Gehäuse 11, bestehend aus einer Vorderwand, einer Rückwand 13, Endwänden 14,15, einer auf einer Betonplatte S aufsitzenden Bodenwand 16 und einer Oberwand oder einem Deckel 17 aufweist. Der Deckel 17 ist vorzugsweise an einen oberen Randteil der Rückwand 13 angelenkt (nicht gezeichnet), so daß bei geöffnetem Deckel 17 (nicht gezeigt) ein geräumiger Zugang von oben zum Inneren des Gehäuses 11 vorhanden ist. Die Endwände 14,15 sind mittels nicht gezeichneter Blechschrauben abnehmbar an den Wänden 12,13 befestigt, so daß die Endwände 14,15 sich leicht abnehmen lassen und die inneren Bauteile des Wärmeaustauschers 10 von außen gut zugänglich sind.

Die Höhe der Wände 12,13 ist kleiner als die Gesamthöhe der Endwände 14,15 (Fig. 1) und die Endwände 14,15 sind bei 20 bzw. 21 ausgeschnitten und zusätzlich mit Leitflächen aufweisenden Lüftungsschlitzen oder öffnungen 22 bzw. 23 (Fig. 1 und 3) versehen, damit die Luft, wie nachfolgend im einzelnen beschrieben wird, gut durch das Gehäuse 11 zirkulieren kann.

Das Gehäuse 11 ist auch durch eine senkrechte Trennwand 27 in zwei Kammern 25, 26 unterteilt, während eine waagerechte Trennwand 28 mit einer Zentralöffnung 29 (Fig.3) die Kammer 26 in einen oberen Kammerteil· 30 und einen unteren Kammerteil 31 (Fig. 3) trennt. Die Konstruktion des Gehäuses 11 und insbesondere die Art, in der es unterteilt ist, vermitteln sowohl eine hochwirksame Luft-Strömung als auch gesteigerte Geräuschdämpfungscharakteristika, wie nachfolgend deutlicher wird. Ferner sind alle elektrischen Bauteile des elektrischen Systems

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(Fig. 5) in der Kammer 25 untergebracht, in der sie unbeeinträchtigt sind durch Feuchtigkeit, Kondensat o.dgl., die in dem oberen Kammerteil 30 der Kammer 26 auftreten. Die exakte Anbringung der verschiedenen Komponenten des elektrischen Stromkreises 40 in der Kammer 25 ist für die Erfindung nicht wesentlich und wurde daher in den Figuren 1 bis 4 nicht dargestellt.

Hauptkomponentendes Wärmeaustauschers 10 sind ein Kompressor 50, eine A-Schlange 60 und Mittel 70, die eine Wärmequelle zur Steigerung der Temperatur der äußeren Umgebungsluft bilden. Zusätzlich zu den letztgenannten Hauptkomponenten enthält der Wärmeaustauscher ein Gebläse 80 und ein Umsteuer/Entspannungsventil 90.

In den Figuren 1,3 und 4 ist die A-Schlange 60 vollständig dargestellt als übliche gestellfreie Konstruktion, die im Querschnitt im wesentlichen umgekehrt V-förmig gestaltet ist (Fig. 4) und aus zwei miteinander verbundenen Schlangen 35 besteht, die durch metallische, wärmeleitfähige Rippen 36 gewunden sind. Ein nicht gezeichneter oberer Endteil der A-Schlange 60 ist mit einer abnehmbaren Metallplatte 37 bedeckt, während die nicht bezeichneten unteren Endteile der A-Schlange 60 auf einer im wesentlichen ringförmigen Kondensatsammelschale 38 aufstehen, die in der Nähe der öffnung 29 der waagerechten Trennwand 28 (Fig. 3 und 4) eine längliche Zentralöffnung 39 aufweist. Die Schlangen 35 der A-Schlange 60 sind mit einem Einlaß/Auslaß 41 (Fig. 3) am unteren Ende jedes Schenkels der A-Schlange 60 und einem Einlaß/Auslaß 42 am oberen Ende jedes Schenkels der A-Schlange versehen. Der Ausdruck "Einlaß/Auslaß" soll lediglich veranschaulichen, daß in Abhängigkeit von der besonderen Betriebsart des Wärmeaustauschers Kühlmittel durch die Schlangen 35 in einer Richtung strömt, in der es aus der

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Leitung 41 austritt, während bei der anderen Betriebsart das Kühlmittel in die Leitung 41 eintreten kann, und das gleiche gilt für die Leitung 42. Der Ausdruck "Einlaß/Auslaß" bezieht sich daher lediglich auf die Strömungsrichtung des Kühlmittels entweder in seiner Flüssig- oder Dampfphase., mit Bezug auf die besondere Betriebsart des Wärmeaustauschers 10, wie nachfolgend näher erläutert wird.

Der Einlaß/Auslaß oder die Leitung 42 ist an den Kompres-1p sor 50 (Fig. 3) angeschlossen und eine Leitung 43 vom Kompressor 50 steht mit einem Wärmeaustauscher innerhalb eines Gebäudes, z.B. eines Hauses, einer Wohnung o.dgl., die zu heizen oder zu kühlen ist, in Verbindung. Der "innere",Wärmeaustauscher oder eine ähnliche wärmebenutzende Vorrichtung ist wie üblich aufgebaut und daher nicht veranschaulicht. Es kann sich unreine einfache Schlange, z.B. die A-Schlange 60 handeln, die jedoch nicht notwendigerweise die gleiche Gestalt haben muß. Die herkömmliche Nutzschlange muß nur von einem Luftstrom durchblasen sein, so daß während des Kühlbetriebes kaltes, flüssiges Kühlmittel Wärme aus der Innenluft absorbiert, was ein Absinken der Innenlufttemperatur zur Folge hat • oder alternativ absorbiert bei Durchgang hochtemperierten Kühldampfes durch die Nutzschlange die durch die Schlange hindurchtretende Innenluft die Warmluft und wird durch sie im Heizbetrieb erwärmt.

Die innere oder Nutzschlange ist mittels einer Einlaß/ Auslaßleitung 44 (Fig. 3) an das ümsteuer/Entspannungsventil 90 angeschlossen, das mit der Einlaß/Auslaßleitung 41 in Verbindung steht. Der Strömungskreis des Kühlmittels in seiner flüssigen oder dampfförmigen oder flüssigen/ dampfförmigen Phase verläuft von der A-Schlange 60 durch die Einlaß/Auslaßleitung 42 zu dem Kompressor 50, dann

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durch die Leitung 4 3 zu dem inneren Nutz-Wärmeaustauscher, anschließend zur Einlaß/Auslaßleitung 44, dem Umsteuer/Entspannungsventil 90 und zurück zum unteren Ende der A-Schlange 60 durch die Einlaß/Auslaßleitung

Zu dem Gebläse 80 gehört ein Gehäuse 51 mit einem Auslaß 52, der in die Kammer 25 öffnet und mit einem Einlaß 53, der in den Kammerteil 26 mündet. Der Ventilator wird von einem herkömmlichen Motor 54 über herkömmliche Scheiben, einen Treibriemen und Wellen angetrieben, die insgesamt mit 55 (Fig. 1 ) bezeichnet sind. Der Motor 54 wird während der Wirkungsweise des Wärmeaustauschers 10 in seinem üblichen Kühl- und Heizbetrieb mit Energie versorgt, jedoch nicht während seines Wärmesteigerungsbetriebes, bei dem Luft durch di'e A-Schlange 60 durch natürliche Konvektionsströme aufsteigt, wie in Figuren 3 und 4 durch die unbezeichneten Pfeile angegeben ist.

Die Wärmequelle 70 zur Steigerung der Umgebungsaußenlufttemperatur ist als Naturgasbrenner 70 dargestellt, der einen Brennerauslaß oder eine Leitung 7T (Fig. 3) aufweist, bestehend aus einem ersten Schenkel 72, der längs einer Seite der öffnung 39 (Fig. 4) verläuft, einem zu diesem quer gerichteten Schenkel 7 3 (Fig. 4) und einem Rückführschenkel 74 (Fig. 4), der in einem nicht gezeichneten Blindende in der Nähe des linken Randes des Schlitzes 39 endet (Fig. 3). Die Schenkel 72 bis 74 des Brenners oder der Leitung 71 haben zahlreiche Öffnungen, aus denen Flammen F austreten, wenn das Naturgas mittels eines üblichen Funkenzünders o.dgl. angezündet wird.

Der Betrieb des Wärmeaustauschers 10 wird nun zunächst unter Bezug auf herkömmliche Kühl- und Heizbetriebsarten und anschließend auf seine neue wärmesteigernde Betriebs-

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art beschrieben.
Heizbetrieb

Bei dem Heizbetrieb des Wärmeaustauschers 10 strömt das Wärmeaustauschmedium (ein kaltes Kühlmittel, z.B. Freon) zunächst unter dem Einfluß des Kompressors 50 in die Einlaßleitung 41 am unteren Ende der A-Schlange 60 und absorbiert allmählich Wärme aus der Umgebungsluft, die in den oberen Gehäuseteil 30 durch die Schlängen in den Einlaß 53 des Gebläses eingesaugt wird und die während der Betätigung der Pumpe von dem Auslaß 52 der Pumpe nach außen in die Kammer 25 gelangt. Diese Luftströmung ist in Fig. 3 durch die gestrichelten Pfeile angedeutet. An dieser Stelle ist die Wärmequelle 70 vollkommen betriebslos und deshalb absorbiert das Wärmeaustauschmedium bei seiner Bewegung durch die Schlangen 35 nach oben Wärme nur aus der Umgebungsluft, die durch die A-Schlange 60 in der beschriebenen Weise hindurchgezogen wird. Der allmähliche Temperaturanstieg des Wärmeaustauschmediums wandelt es in seine Niederdruck-Dampfphase um, die über die Auslaßleitung 42 zu dem Kompressor 50 geführt wird, der den Druck und damit die Temperatur weiter steigert, und die Heißdampfphase des Kühlmittels strömt dann durch die Leitung 43 zu dem inneren Wärmeaustauscher (Wärmeaustauscherschlange) , durch den Luft geblasen wird, die die Wärme des Kühlmittels in Dampfphase absorbiert, das Innere erwärmt und natürlich allmählich das Kühlmittel abkühlt, das zu dem Umsteuer-Entspannungsventil 90 durch die Leitung 44 zurückgeführt wird, die ihrerseits die nun kalte Niederdruck-Dampfphase und/oder Flüssigphase des Wärmeaustauschmediums zum unteren Ende der A-Schlange zurückleitet, woraufhin der Zyklus kontinuierlich wiederholt wird.

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Kühlbetrieb

Zu Kühlzwecken kehrt das Umsteuer-Entspannungsventil 90 die Richtung des Kühlmittelstromes einfach um,und es wird z.B. auf herkömmliche Weise von einem Schaltkreis 40 geregelt, der seinen Thermostat enthält, der wie gewünscht eingestellt werden kann. Auf diese Weise gibt durch die Α-Schlange gepumptes Hochdruck-Heißdampfkühlmittel seine Wärme an die unter dem Einfluß des Gebläses 80 hindurchströmende Luft ab und der Hochdruck-Kühldampf oder die Flüssigphase wird von dem Umsteuer/ Entspannungsventil in eine Gas oder Flüssigphase niedrigeren Druckes umgewandelt, die bei Durchgang durch die Nutzschlange in dem Gebäude die durch die Nutzschlangen hindurchgeblasene Warme aufnimmt oder absorbiert, wodurch die Raum- oder Gebäudeluft gekühlt wird, woraufhin die Dampfphase nun niedrigeren Druckes von der Nutzvorrichtung zum Kompressor zurückgeführt wird.

Wärmesteigernder Betrieb

Bei dieser Betriebsart des Wärmeaustauschers 10 ist das Gebläse 80 außer Betrieb, und die Wirkung und/oder Strömung des Kühlmittels in seiner flüssigen und/oder dampfförmigen Phase ist identisch mit der zum "Heizbetrieb" des Wärmeaustauschers 10 beschriebenen. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß bei der wärmesteigernden Betriebs art des Wärmeaustauschers 10 die Umgebungsaußentemperatur verhältnismäßig niedrig ist, z.B. 0°C oder darunter. Die mit der Gasbrennereinrichtung des elektrischen Schaltkreises 40 der Figur 5 verbundene Thermoscheibe ermittelt eine vorbestimmte Temperatur (O⁰C) und als Antwort hierauf wird 1. d,em Gebläse 80 keine Energie mehr zugeführt, um den Heizbetrieb zu beenden und 2. wird die Wärmequelle 70 oder die Gasbrennereinheit durch Anzünden des Gases

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zur Erzeugung heißer Flammen F betätigt, die unter natürlichen Konvektionsströmen nach oben durch die A-Schlange 60 aufsteigen, wie in Fig. 3 durch die unbezeichneten Pfeile angedeutet ist. Die Flammen F sind extrem klein, jedoch im wesentlichen gleichmäßig über den Boden der A-Schlange 60 verteilt, wie aus den Figuren 3 und 4 ersichtlich ist. Wenn die Wärme von den Flammen F aufsteigt, trifft sie zunächst mit ihrer maximalen Temperatur gegen die kältesten (unteren) Windungen, und das flüssige Wärmeaustauschmedium in diesen strömt natürlich mit dem Kühlmittel durch die Schlangen 35 in Richtung vom unteren Ende der beiden Schenkel der A-Schlange 60 zu ihren oberen Enden. Aufgrund dieser Beziehung sind Beschädigungen der Bodenschlangen 35 und der unteren Rippen 36 praktisch ausgeschlossen, und weil dort der größte Temperaturunterschied zwischen dem Kühlmittel in der untersten Schlange und den Flammen F herrscht, findet ein Hauptanteil der Wärmeabsorption längs des Bodens der A-Schlange 60 statt und nimmt nach oben allmählich ab, weil das flüssige Kühlmittel sich bei seinem Aufstieg in den Schlangen 35 allmählich erwärmt, bis es in seine Dampfphase umgewandelt ist. Im wesentlichen findet beinahe vollständige Wärmeabsorption dann statt, wenn die Dampfphase des Kühlmittels die Leitung 42 der A-Schlange 60 verläßt und ein im wesentlichen wärmefreies Gas (von den Flammen F) entweicht in die Atmosphäre, so daß der Brennvorgang sich 100% annähert. Es ist verständlich, daß die Flammen F nicht die gesamte Wärme erzeugen, die zur Umwandlung des Kühlmittels aus seiner flüssigen Phase in seine Dampfphase erforderlich ist, wenn es durch die Windungen 35 der A-Schlange 60 nach oben strömt, sondern daß vielmehr eine Vermehrung oder Ergänzung der Wärme erfolgt, die das Kühlmittel aus der Umgebungsluft absorbieren kann, selbst wenn letztere verhältnismäßig kalt ist (z.B. O⁰C).

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Es ist deshalb für den Betrieb des Wärmeaustauschers 10 völlig unwesentlich, welche Temperatur die Umgebungsluft hat, sei es O⁰C oder -31,11°C usw.. Alles was der Wärmeaustauscher "weiß", ist, daß ausreichende Wärme von den Flammen F verfügbar ist, die bei Hinzufügung zu der Wärme der Umgebungslufttemperatur eine hohe Temperaturdifferenz zwischen der gesamten Wärmeaufnahme und der Temperatur des Kühlmittels zur Folge hat, woraus sich eine heiße Gas- oder Dampfphase ergibt, die die A-Schlange 60 durch die Auslaßleitung 42 verläßt, um das Hausinnere durch die üblichen vorerwähnten Nutzwärmeaustauscher zu heizen. Deshalb kann der Kompressor 50 in außerordentlich wirksamer Weise die verhältnismäßig hoch erhitzte Niederdruckdampfphase des Kühlmittels verwenden, was bei Fehlen der von der Wärmequelle 70 erzeugten Zusatzwärme völlig unmöglich wäre. Der Wirkungsgrad wird außerdem dadurch gesteigert, daß die A-Schlange 60 etwa zweimal so groß bemessen wird, wie die zu heizende Nutzschlange in dem Gebäude, so daß im wesentlichen die gesamte von den Flammen F in das durch die Schlangen 35 der A-Schlange 60 strömende Kühlmittel induzierte Wärme absorbiert wird, wieder gemeinsam mit der Absorption der Wärme der Umgebungsluft selbst, was einen extrem wirksamen Wärmeübergang und entsprechend niedrige Betriebskosten sowie inneren Gebäudekompfort aufgrund der Hochvolumen/Niedrigtemperatur (etwa +40,56⁰C) innerhalb des Heißluftstromes zur Folge hat. Ein Beispiel des letzteren ist aus der folgenden Tabelle ersichtlich, die die Gesamtkosten für die Heizung eines Dreizimmer-Steinbungalows bei Wärmesteigerungsbetrieb des Wärmeaustauschers 10 an den Niagarafällen, Ontario/Kanada, vom 1. Oktober 1978 bis zum 15. April 1979 wiedergibt. Das Haus wird von fünf Personen bewohnt,und die Tagestemperatur wurde bei +22,22⁰C gehalten, während die Nachttemperatur bei +20⁰C lag. Das Erdgeschoß dieses Bungalows wurde über die ganze Zeit auf

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einer Durchschnittstemperatur von +18,33 C gehalten.

Monat	durchschnittl. Außentemperatui (°C)	Energiekosten Elektr. Gas	-	Gesamt kosten
Oktober	+ 8,33	$ 4.25	$ 8	$ 4.25
November	+ 2,78	$11.57	$19	$20.45
Dezember	- 2,78	$16.31	$25	$36.25
Januar .	- 7,22	$19.73	$23	$44,91
'Februar	-11,11	$18.09	$13.	$41.80
März	+ 1,11	$11.30	$ 6.	$24.53
^!April 1-	15 O,OO	$ 5.73	$97,	$12.61
Gesaitltkosten für den Zeitraum	$86.98		$184,80
.88
.94
18
71
23
88
82 ; I

Es wird angenommen, daß die vorstehende Aufzeichnung einer praktischen Ausführungsform dieser Erfindung sehr deutlich die außerordentliche Wirksamkeit und die Niedrigkostenbeschaffenheit der Erfindung veranschaulicht und natürlich die Fähigkeit der Erfindung zum Betrieb unter äußeren Umgebungslufttemperaturverhältnissen zeigt, die andere Wärmepumpen unwirksam oder die Verwendung zusätzlicher Wärmequellen erforderlich machen würden, z.B. in Heißluftkanäle eingebauter elektrischer Heizschlangen, wie dies von bekannten Wärmepumpenherstellern, wie York, Lennox usw·. durchgeführt wird.

Eine andere ausstehende Angabe der Wirksamkeit der Erfindung wurde in einem anderen Ηβμε erzielt, das mit einem üblichen Gasofen geheizt wurde, wobei die Gaskosten für den Monat Januar 1979 122/71 kanadische Dollar betrugen. Das gleiche Haus wurde durch. Einbau des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers 10 umgerüstet,und sein Betrieb für die gleiche Zeitspanne von einem Monat in wärmesteigerndem Betrieb ergab eine Gasrechnung von 43,80 kanadischen Dollar , und diese Kosten bezogen sich auf den Monat Februar, in dem die niedrigsten Temperaturen

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nicht nur für das Jahr, sondern seit Aufzeichnungen gemacht wurden, herrschten.

Andere und gleichwesentliche praktische Ergebnisse wurden mit der Erfindung erzielt, wie z.B. die erwünschte Ausnutzung der Kondensation, weil diese naturgemäß auftritt, wenn die Wärme der Flammen F die verhältnismäßig kälteren Schlangen 35 und die Rippen 36 der A-Schlange 60 berühren. Die auf diese Weise hervorgerufene Kondensation hat einen Wasserfilm über die Gesamtheit der Schlangen 35 und Rippen 36 zur Folge, und daher wird die Wärme der Flammen F nicht unmittelbar auf die Metallschlangen 35 und die Rippen 36 übertragen, sondern trifft vielmehr auf den Wasserfilm, der seinerseits die Bauteile der A-Schlange 60 schützt. In anderen Worten ausgedrückt, bedeutet dies, daß der Kondensationsfilm oder das Wasser auf den Außenflächen der A-Schlange 60 als ein Wärmeaustauscher dient und die A-Schlange 60 gegen Wärmeschädigungen schützt. Nach einem Sommerbetrieb des Wärmeaustauschers 10 als Kühlaggregat sammelt sich Staub auf der A-Schlange, und diese wird im Winter während des wärmesteigernden Betriebes durch das Kondensat gereinigt, das dauernd an den Schlangen 35 und den Rippen 36 herabrinnt und einen sich dauernd wiederholenden Selbstreinigungszyklus des Wärmeaustauschers 10 durch aufeinanderfolgende Betriebsjahreszeiten bewirkt.

Der Wärmeaustauscher 10 benötigt keinen Abtauzyklus irgendeiner Art, der in der Wärmepumpenindustrie praktisch allgemein üblich ist.

Die gesamten mechanischen und elektrischen Bauteile das Wärmeaustauschers 10 sind außerordentlich einfach, und bei Fehlen irgendeiner Sensorvorrichtung ist der Wärmeaustauscher 10 bei Handbedienung während seiner

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Funktion im wärmesteigernden Betrieb praktisch ausfallsicher, weil die einzigen "arbeitenden" Teile oder Komponenten die Wärmequelle 70 und der Kompressor 50 sind.

Wie vorher erwähnt, ist das im oberen Kammerteil 30 anfallende Kondensat sehr günstig,und gleichermaßen wesentlich ist, daß die Anordnung des Stromkreises (Fig. 5) oder seiner Komponenten in der Kammer 25 eine nachteilige Beeinflußung dieses Schaltkreises durch Kondensat verhindert, wobei natürlich jedes überschüssige Kondensat, das in der Sammelschale 38 aufgefangen wird, aus dem Gehäuse 11 so nach außen abgezogen wird wie aus Fig. 3 ersichtlich.

Aufgrund der Anordnung der Bauteile 50,60, 70 und 80 in den zugehörigen Kammern ist schließlich der Geräuschpegel der Maschine extrem niedrig,und obwohl die in den Zeichnungen dargestellte Anordnung der Teile bevorzugt ist, sind im Rahmen dieser Erfindung Abwandlungen möglich. Zum Beispiel kann das Gebläse 80 in der Kammer 25 unter dem Kompressor 50 vorgesehen sein, um die Wirksamkeit während des Sommer- oder Kühlbetriebes zu erhöhen, indem Luft durch die Luftöffnungen 23 und die nicht bezeichnete öffnung im oberen Teil der Kammer 25 über dem Kompressor 50 und in den unteren Kammerteil 31 eingesaugt wird. Alternativ lassen sich die gleichen Ergebnisse durch einfache Umkehr der Drehrichtung des Ventilatormotors des Gebläses 80 erzielen.

Vom Standpunkt der Installationen für neue Häuser oder neue Gebäude ist bemerkenswert, daß, da der Wärmeaustauscher 10 die einzige für alle Extreme der Heizung und Kühlung erforderliche Einheit ist, jedes neue Haus, Geschäftsgebäude o.dgl. keinen Schornstein, Abzugskanal usw.

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benötigen würde. Obwohl in der bisherigen Beschreibung darauf hingewiesen wurde, daß der Wärmeaustauscher 10 außerhalb eines zu heizenden und/oder zu kühlenden Gebäudes angeordnet ist, kann er auch innerhalb des Gebäudes untergebracht sein, sofern ein geeignetes Kanalnetz zwischen dem Wäremaustauscher 10 und der äußeren Umgebungsluft vorhanden ist. Im letzteren Falle bleibt ein Schornstein, ein Abzug o.dgl. unnötigt, weil die Menge der von den Flammen F abgegebenen Wärme außerordentlich klein und in der Tat kleiner ist als die eines herkömmlichen Heim-Gas-Wäschetrockners, der nach häufigster Rechtsprechung nicht gegen die Atmosphäre entlüftet werden muß. Sollte jedoch ein Codex einer speziellen Rechtsprechung die Abgabe des Gases nach außen erfordern, wäre dies eine einfache und billige Aufgabe, weil im wesentlichen die gesamte Wärme von den Flammen F im wärmesteigernden Betrieb absorbiert wird und daher die gegebenfalls aus dem Gebäudeinneren an die Atmosphäre abzugebenden Gase kalt wären, so daß das Entlüftungskanalnetz entweder keine oder nur extrem geringfügige Wärmeinstallation benötigt.

Figur 5 zeigt in einfacher schematischer Darstellung eine Grundbeziehung dieser Erfindung. Wie gezeigt, enthält eine übliche Wärmepumpenanordnung (im Heizbetrieb) eine Verdampferschlange C1 außerhalb des zu heizenden Raumes, einen Ventilator F1 und einen Motor M1 für diesen,der Umgebungsaußenluft in Wärmeaustauschbeziehung durch oder hinter die Verdampferschlange C1 fördert, um die Verdampfung des Kühlmittels in dieser hervorzurufen, einen Kompressor P zur Rückverwandlung des verdampften Kühlmittels in erwärmte Flüssigphase, die Heizschlange C2 innerhalb des Wärmeführungssystems D, das Entspannungsventil V zur Reduzierung des Druckes der gekühlten Flüssigphase und den angetriebenen Luftventilator F2

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mit seinem Motor M2 zur Luftzirkulierung innerhalb des Pührungssystems und des zu heizenden Innenraumes.

Bekanntlich hängt der Wirkungsgrad des Heizbetriebes eines solchen Systems nichtlinear und umgekehrt von der Außenlufttemperatur ab. .In Abhängigkeit von dem System als Ganzes einschließlich der Art des verwendeten Kühlmittels wird der Wirkungsgrad bei mancher vorbestimmten Außentemperatur so gering, daß sie nicht länger die erforderliche Wärme zuführen kann. Aus diesem und anderen Gründen enthält das Führungssystem D, im allgemeinen elektrische,Zusatzheizvorrichtungen, um die der Außenluft von der Wärmepumpe entzogene Wärme zu ergänzen oder zu ersetzen. Normalerweise werden die Zusatzheizvorrichtungen automatisch immer dann beansprucht, wenn der Innentemperatur-Thermostat anzeigt, daß zu wenig Wärme von der Wärmepumpe zugeführt wird.

In vielen Gebieten fällt die Außenlufttemperatur genügend häufig auf derart niedrige Werte, die den Einsatz der Zusatzheizvorrichtung über längere Zeiträume erforderlieh machen, wodurch die Verbraucherkosten für jede abgegebene BTU entsprechend steigen. Es wäre deshalb •sowohl für den Verbraucher als auch für den Energieversorger sehr vorteilhaft, die Wirksamkeit der Wärmepumpe bei geringen Umgebungstemperaturverhältnissen zu steigern und dadurch die Verwendung von Zusatzheizungen zu vermindern.

Es hat sich überraschend herausgestellt, daß dies dadurch erreichbar ist, daß der Außenluft-Umlaufventilator abgeschaltet und der Verdampferschlange genügend Steigerungswärme zugeführt wird, um den Zyklus durch Gewährleistung der Verdampfung des Kühlmittels in der Schlange C1 zu vervollständigen. Bei der dargestellten

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Anordnung wird dies selbsttätig von dem Außentemperatursensor T1 durchgeführt, der den Schalter S1 steuert.

Wenn im Normalbetrieb der Innenthermostat T2 Wärme anfordert und damit dem üblichen Kontaktgeber S2 Energie zuführt, betätigt die Antriebskraft aus den Leitungen L1, L2 und N den Motor M1 und den Kompressor P sowie über den Schalter S2 den Motor M2. Der normalerweise geöffnete Schalter S2 wird von dem inneren Schlangentemperatursensor T3 geschlossen, wenn der Sonsor T3 feststellt, daß die Temperatur der inneren Schlange C2 eine ausreichende Temperatur (z.B. +48,89 C) erreicht hat, um unangenehme Zugerscheinungen auszuschließen. Wenn der Sensor T1 den Schalter S1 betätigt, wird die Kraftzufuhr zum Motor M1 unterbrochen, um die normale Luftzirkulation hinter der Schlange C1 zu beenden.

Gleichzeitig schaltet der Schalter S1 die Heizvorrichtung H ein, wodurch der Schlange C1 die Steigerungswärme zugeführt wird. Zur Erzielung bester Ergebnisse wird der Sensor T1 eingestellt, um in Abhängigkeit von der Umgebungslufttemperatur,die auf einen Bereich innerhalb etwa O⁰C bis +3,33°C abgesunken ist, auf Steigerungswärme umzuschalten. Unterhalb dieser Schalttemperatur arbeitet das Wärmepumpensystem mit Steigerungswärme auf Veranlassung des Innenthermostats T2 in exakt gleicher Weise wie vorher.

In der Regelung der Heizvorrichtung H ist ein weiterer Schalter S3 vorgesehen, der von dem Temperatursensor T4 zum Abschalten der Heizvorrichtung H gesteuert wird, wenn die Temperatur der Außenschlange einen vorgegebenen Wert, z.B. +21,11⁰C erreicht. Auf diese Weise wird die von der Heizvorrichtung H zugeführte Steigerungswärme auf eine Menge begrenzt, die zur Gewährleistung eines hohen Wirkungsgrades des Wärmepumpensystems gerade ge-

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nügt.

Die Heizvorrichtung H kann natürlich in Abhängigkeit von örtlichen Gegebenheiten jede beliebige Form annehmen. Beispielsweise kann die Heizvorrichtung H in Gebieten, in denen Gasheizung wirtschaftlich ist, aus einer herkömmlichen automatisch zündenden Gasbrennereinrichtung bestehen- Auf jeden Fall wird die Steigerungswärme der Verdampfer- oder Außenschlange in geregelter Menge zugeführt und so eingestellt, daß die Kosten für die hierdurch verbrauchte Energie von der Steigerung des Wirkungsgrades des Warmepumpensystems mehr als ausgeglichen werden. Die beste Senkung der Nettobetriebskosten wird durch Verwendung der wirtschaftlichsten Wärmequelle an der Heizvorrichtung H erzielt. In vielen Gebieten bedeutet dies die Verwendung von Gaswärme, obwohl es überhaupt nicht wesentlich ist, daß die preiswerteste Form verfügbarer Wärmeenergie benutzt wird, um beträchtliche Kosteneinsparungen zu erzielen, die auf der Wärmesteigerungsbetriebsart beruhen. Es ist lediglich wichtig, daß die als Steigerungswärme zugeführte geregelte Wärmemenge weniger kostspielig ist als die Zuführung von Zusatzwärme zu dem System (bei Anwendung des billigsten gangbaren Weges) in der Menge wäre,die dem von dem Wärmepumpensystem aufgrund seiner durch die Steigerungswärme erhöhten Effektivität erreichten Gewinn entspricht. Anders gesagt bedeutet dies, daß die vermehrte Wärmeabgabe des Wärmepumpensystems,die durch seine Leistungszunahme aufgrund der Wärmesteigerung hervorgerufen wird, größer sein muß als die Wärmeaufnahme der Heizvorrichtung H, und dies wird in jedem praktischen Fall leicht erreicht durch Regelung der Energiemenge, die die Heizvorrichtung H verbraucht, um den Wirkungsgrad des Wärme-

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pumpensystems wenigstens auf annähernd optimale Werte anzuheben.

Selbstverständlich hängt ein optimaler Wert von einer Anzahl von Faktoren einschließlich der Innentemperaturanforderung, der Umgebungstemperatur, der Größe oder Kapazität des Wärmepumpensystems und den Wärmeverlusteigenschaften des geheizten Raumes unter den herrschenden Umständen ab. Obwohl das Verfahren auch Verhältnisse einschließen soll, bei denen die Rate der von der Heiz-Vorrichtung H zugeführten Wärme zur Optimierung des Systems unter wechselnden Bedingungen verändert wird, ist ein einfaches und praktisches System das in Figur 5 gezeigte, bei dem die Rate der Wärmeaufnahme der Schlange C1 von der Heizvorrichtung H so bemessen ist, daß die Durchschnittstemperatur der Schlange C1 gut oberhalb der Umgebungslufttemperatur jedoch nicht höher als etwa +21,11° C gehalten wird, wann immer die Umgebungslufttemperatur kleiner ist als der für den Wärmesteigerungsbetrieb eingestellte Wert, z.B. O bis +3,33 °C. Praktisch bedeutet dies, daß die Rate der Aufnahme der Heizvorrichtung H verhältnismäßig niedrig ist, so daß eine wirksame Heizung der Schlange C1 durchgeführt wird und minimale Wärmeverluste an die Umgebungsatmosphäre auftreten.

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L e e r s e 11

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Wärmepumpenanlage, gekennzeichnet durch folgende Kombination:

erste indirekte" Wärmeaustauschmittel (C2) zur Zuführung von Wärme zu einem Innenraum und zweite indirekte Wärmeaustauschmittel (C1) zur Absorption von Wärme aus Umgebungsaußenluft, Kompressormittel (P) zur Förderung von Hochdruck-Kühlmittel zu dem ersten Wärmeaustauschmittel (C2) und hintereinander durch das erste und zweite Wärmeaustauschmittel (C2,C1);Entspannungsventilmittel (V) in dem Kühlmittelstromweg zwischen dem ersten und zweiten Wärmeaustauschmittel (C2,C1) zur plötzlichen Senkung des Druckes des Kühlmittels vor seinem Übergang zu dem zweiten Wärmeaustauschmittel (C1); Luftzirkuliermittel (F1),die Umgebungsluft in Wärmeaustauschbeziehung über das zweite Wärmeaustauschmittel (C1) führen;

Wärmesteigerungsmittel (H) zur Zuführung von Wärme zu dem zweiten Wärmeaustauschmittel (C1), unabhängig von jeder diesem von der Umgebungsluft zugeführten Wärme; und

Steuermittel (T1,S1), die das Luftzirkuliermittel (F1) ausschalten und das Wärmesteigerungsmittel (H) befähigen, in Abhängigkeit von der gewählten Temperatur der Umgebungsluft ,bei der die Umgebungslufttemperatur allein unwirksam ist, einen wirksamen Betrieb des Systems aufrechtzuerhalten .

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2. Wärmepumpenanlage nach Anspruch 1, d a d u· r* c h gekennz eichnet, daß das Steuermittel (T1,S1) auf ümgebungslufttemperaturen im Bereich von

etwa O bis +3,33 ⁰C anspricht.
3. Wärmepumpenanlage nach den Ansprüchen 1 oder 2, d a durch gekennzeichnet, daß das Steuermittel Mittel (T4,S3) zur Steuerung des Wärmesteigerungsmittels (H) zur Begrenzung der Temperatur, auf die das zweite Wärmeaustauschmittel (C1) aufgeheizt wird, enthält.
4. Wärmepumpenanlage., gekennzeichnet d u r c h_

Rohrschlangen (35), durch die ein Wärmeaustauschmedium zirkuliert und die einen Einlaß (41,42) und einen Auslaß (41,42) zum jeweiligen Einlaß oder Auslaß des Wärme austauschmediums in flüssiger oder dampfförmiger Phase aufweisen,

einen Kompressor (50), der in Fluidverbindung mit dem Auslaß (41,42) steht, um die Dampfphase des Wärmeaustauschmediums zu komprimieren,

und durch Mittel (70) zur Erzeugung von Wärme zur Steigerung der Umgebungstemperatur derart, daß auf dem Weg des Wärmeaustauschmediums vom Einlaß (41,42) zum Auslaß (41,42) die Flüssigphase des Wärmeaustauschmediums in seine Dampfphase umgewandelt wird, bei im wesentlichen vollständiger Absorption der Wärme durch das Wärmeaustauschmedium.
5. wärmepumpenanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeerzeuger (70) in der Nähe des Bodens der Schlangen (35) angeordnet ist.

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6. Warmepumpenanlage nach Anspruch 4 oder 5, da durch gekennzeichnet, daß

die Schlangen (35) als A-Schlange (60) gestaltet sind.
7. Wärmepumpenanlage nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet/ daß der Einlaß (41) oberhalb des Auslasses (42) angeordnet ist, und daß der Wärmeerzeuger (70) in der Nähe eines Bodens der Schlangen (35) angeordnet ist.
8. Warmepumpenanlage nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch ge. kenn zeichnet, daß Mittel (80) vorgesehen sind, die Umgebungsluft durch die Schlangen (35) blasen, ^wenn der Wärmeerzeuger (70) ausgeschaltet ist.
9. Warmepumpenanlage nach den Ansprüchen 4 bis 8, gekennzeichnet durch Mittel zum Ausschalten des Wärmeerzeugers (70) und durch Mittel (90) zur Umkehr des Betriebes des Kompressors (50), so daß das Wärmeaustauschmedium von dem Auslaß (42) zum Einlaß (41) durch die Schlangen (35) zirkuliert und durch die Absorption von Wärme aus Umgebungsluft aus der Dampfphase in seine Flüssigphase umgewandelt wird.
10.Warmepumpenanlage nach den Ansprüchen 4 bis 9, gekennzeichnet du rch Mittel zum Ausschalten des Wärmeerzeugers (70) und durch Mittel (80), die bei ausgeschaltetem Wärmeerzeuger (70) Umgebungsluft durch die Schlangen (35) blasen, wobei durch die Absorption der Wärme aus der Umgebungsluft die Flüssigphase des Wärmeaustauschmediums in seine Dampfphase umgewandelt wird.

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11· Wärmepumpenanlage nach den Ansprüchen 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlangen (35) als im wesentlichen umgekehrt V-förmig gestalteter Körper mit Ober- und Unterteilen angeordnet sind, und daß der Wärmeerzeuger (70) im Bereich der Unterteile angeordnet ist, um Wärme entlang den Unterteilen der Schlangen (35) und im wesentlichen nach oben durch die Schlangen (35) zu ihrem Oberteil zu richten.
12.Wärmepumpenanlage nach den Ansprüchen 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlangen (35), der Kompressor (50) und der Wärmeerzeuger (70) in einem Gehäuse (11) untergebracht sind, das eine Trennwand (27) enthält, die zwei Kammern (25, 26) abteilt, daß der Kompressor (50) in einer ersten Kammer (25) angeordnet ist, während die Schlangen (35) und der Wärmeerzeuger (70) sich beide in einer zweiten Kammer (26) befinden, und daß die Schlangen (35) im wesentlichen oberhalb des Wärmeerzeugers (70) vorgesehen sind.
13. Wärmepumpenanlage nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Gebläsemittel (80) in der zweiten Kammer (26), die bei ausgeschaltetem Wärmeerzeuger (70) Umgebungsluft· durch die Schlangen (35) zwischen der ersten und der zweiten Kammer (25,26) zirkulieren.
14. Wärmepumpenanlage mit einer Schlange,durch die ein Wärmeaustauschmedium in Umlauf setzbar ist,und mit einem umkehrbaren Kompressor zur wahlweisen Umkehrung der Strömung des Wärmeaustauschmediums durch die Schlange zur Wahl des Heiz- oder Kühlzyklus der Wärmepumpe, gekennzeichnet durch Mittel (70) zur Erzeugung von Wärme, deren Temperatur über der Umgebungstemperatur um die Schlangen(35) ist, um während des Durchganges des Wärmeaustauschmediums durch die

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Schlangen (35) die Flüssigphase des Wärmeaustauschmediums in seine Dampfphase umzuwandeln, damit anschließend zur Durchführung der gewünschten Erwärmung der Dampfphase die Wärme entzogen werden kann.
15. Wärmepumpenanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeerzeuger (70) angrenzend an einen unteren Endteil der Schlangen (35) angeordnet ist, so daß Konvektionsströme Umgebungsluft durch die Schlangen (35) tragen und aus der Umgebungsluft absorbierte Wärme die absorbierte erzeugte Wärme steigert,' wodurch die Gesamtwärmeabsorption der Schlangen(35) vergrößert wird.
16.Wärmepumpenanlage nach den Ansprüchen 1 bis 15, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Wärmezuführung zu einem Innenraum durch Verdampfung eines Kühlmittels in einer Außenschlange mittels Wärmeentzug aus der Umgebungsluft, Kompression des verdampften Kühlmittels zur Erzeugung einer Strömung erwärmten flüssigen Kühlmittels, Entzug der Wärme aus dem erwärmten flüssigen Kühlmittel und Rückführung des Kühlmittels, dem die Wärme entzogen wurde zur Verdampfung ,

b) Fortsetzung der Erwärmung wie in Schritt a), bis die Umgebungslufttemperatur auf einen derart niedrigen Wert sinkt, daß die Menge der zugeführten Wärme sich der Menge der angeforderten Wärme annähert,

c) Energieverbrauch als Antwort auf den geringen Wert der Umgebungslufttemperatur zur Zuführung von Wärme zu der Außenschlange, und

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d) Steuerung der in Schritt c) verbrauchten Energiemenge zur Aufrechterhaltung der Durchschnittstemperatur der Außenschlange auf einen Wert, der beträchtlich höher als die Umgebungslufttemperatur ist, um bei Erreichung einer Nettosenkung der Betriebskosten für das System den Wirkungsgrad der Wärmepumpe künstlich zu steigern.
17.Wärmepumpenanlage nach Anspruch 16, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Steuerung nach Schritt d) die Temperatur der Außenschlange überwacht wird.
18.Wärmepumpenanlage nach den Ansprüchen 16 und 17, gekennzeichnet durch folgende Schritte

a) Zirkulieren eines Wärmeaustauschmediums durch eine Schlange,

b) Induzieren von Wärme über der Umgebungstemperatur an der Schlange zur Umwandlung einer Flüssigphase des Wärmeaustauschmediums durch Wärmeabsorption in seine Dampfphase,

c) Führung der Dampfphase des Wärmeaustauschmediums zu einer Wärmeübertragungszone,

d) Wärmeentzug aus der< Dampfphase des Wärmeaustauschmediums an der Wärmeübertragungszone,

e) Rückführung des Wärmeaustauschmediums von der Wärmeübertragungszone zu der Schlange, und

f) kontinuierliche Wiederholung der Schritte a) bis c).

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