DE3032953A1

DE3032953A1 - Waermepumpanlage

Info

Publication number: DE3032953A1
Application number: DE19803032953
Authority: DE
Inventors: Werner Stockerau Niederösterreich Putz; Willi Saint-Aubin Schrag
Original assignee: Pumpenfabrik Ernst Vogel GmbH
Current assignee: Xylem Water Solutions Austria GmbH
Priority date: 1979-09-14
Filing date: 1980-09-02
Publication date: 1981-04-02

Description

TPNTANWA ng- G. HEBAU

8V00 AUGS

8900 Augsburg 22, 1.9-1980

Pumpenfabrik Ernst Vogel Prager Straße 6 Stockerau (Niederösterreich)

Wärmepumpenanlage

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Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanlage mit einem Kompressor , einem Kondensator , einem Expansionsventil und einem Verdampfer , durch welche Elemente, die im geschlossenen Kreislauf angeordnet sind, mittels des Kompressors ein Kältemittel förderbar ist, sowie mit einem einen Wärmeträger enthaltenen Pufferspeicher.

Wärmepumpenanlagen gewinnen in der Zeit spürbarer Energieverknappung und -Verteuerung immer mehr an Bedeutung, da es durch ihren Einsatz möglich ist, die vorhandene Primärenergie , zumindest bei der Gewinnung von Niedertemperaturwärme, z.B. für die Bereitung von Warmwasser für Heiz- und Nutzzwecke, besser auszunützen. Dieser Umstand gewinnt vor allem deshalb an Bedeutung, weil die direkte Ausnutzung von Sonnenenergie oftmals gerade dann nicht möglich ist, wenn erhöhter Bedarf an Energie besteht.

Der verstärkte Einsatz von Wärmepumpenanlagen wird erst möglich sein, wenn einerseits die bisher gegenüber herkömmlichen Heizsystemen höheren Investitionskosten vermindert wurden und andererseits die Scheu auch der Fachleute auf dem Installationssektor vor diesem für die Wärmeerzeugung neuen Grundprinzip abgebaut wurde.

Es ist bekannt, die Grundelemente einer Wärmepumpe, nämlich den Kompressor, das Expansionsventil.und die zwei Wärmetauscher

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für die Energieübertragung in und aus dem Kältemittelkreis - den Verdampfer und den Kondensator - zu einer kompakten Einheit zusammenzubauen und in einem gemeinsamen Gehäuse anzuordnen. Gegebenenfalls sind auch die elektrischen Schalt-, Anzeige- und Bedienungselemente in diesem Gehäuse vorgesehen. Bei dieser Ausführung sind vielfach die beiden Wärmetauscher als koaxial ineinander angeordnete Rohre ausgebildet , was - da eben zwei Wärmetauscher vorgesehen sind bei deren üblicher Ausführung in Kupfer erhebliche Kosten verursacht.

Da der Kompressor;- als Kolbenverdichter gegen denjenigen Druck arbeitet , der sich im Kältemittelkreislauf durch die Temperaturverhältinisse einstellt und _:keinen bauartgegebenen Maximaldruck hat,- muß er vor überlastung geschützt werden, da bei fehlender Wärmeabfuhr im Kondensator infolge mangelnder Zirkulation die Kältemitteltemperatur und damit auch der Druck zu hoch ansteigen wurden. Als Schutzmaßnahme ist entweder die überwachung der Temperatur und der Strömung oder direkt des Druckes mittels eines Druckschalters (Pressostat)möglich.

Bei der Anlagenplanung, das heißt bei sinnvoller Anpassung der Pumpe als Wärmespender an das Wärmeverteilsystem stellt sich in den meisten Fällen heraus, daß zu Zeiten, in denen der Wärmebedarf unter der Wärmeerzeugung liegt - das sind bie zu 9555 der Betriebszeit.- das Wärmeverteilsystern, beispielsweise da das Warmwasser aus dem Vorlauf direkt in den Rücklauf geführt wir4, die erzeugte Wärme nicht aufnehmen kann» wodurch die Wärme-

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pumpe infolge der geringen Menge an bewegtem Wasser vom Thermostat laufend ein- und ausgeschaltet wird. Dies ist aber insoferne nachteilig, als eine erhöhte Schalthäufigkeit die Lebensdauer des Kompressors der Wärmepumpe erheblich reduziert. Zudem verursacht die oftmalige Einschaltung des Kompressors einen wesentlichen Energieverlust. Dieser Umstand tritt in gleicher Weise bei elektrisch-, gas- oder ölbetriebenen Wärmepumpen auf.

Um diese zumindest zeitweilig erhöhte Schalthäufigkeit zu vermeiden, ist es bekannt, in der Anlage als Bindeglied zwischen Wärmepumpe und Wärmeverteilsystem einen Pufferspeicher anzuordnen, der üblicherweise durch eine eigene Zirkulationspumpe gespeist wird und der die Wärme ir Form von heißem Wasser an die verschiedenen Verbraucher abgibt, tine übliche Dimensionierung des Pufferspeichers ergibt bei einer Schaltdifferenz des Steuerthermostaten von 2 bis 6 K bei gänzlich fehlender Wärmeentnahme eine Häufigkeit von 5 bis 10 Schaltungen je Stunde. Damit läßt sich zwar in der Praxis eine in Bezug auf Lebensdauer und Energiebilanz vertretbare Schalthäufigkeit erzielen. Allerdings wird neben einem erhöhten"Investitionsaufwand für den Pufferspeicher mit einer Wärmeisolierung und einer Zirkulationspumpe ein höherer Montageaufwand und ein größerer Platzbedarf der Anlage bedingt.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zu Grunde, diese Nachteile der bekannten Anlagen zu vermeiden und damit eine wesentlich verstärkte Anwendung derartiger energiesparender und damit

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zeitgemäßer Anlagen zu ermöglichen. Dies wird erfindungsge- maß dadurch erzielt, daß das vom Kältemittel durchströmte
Leitungssystem des Kondensators im Innenraum des Pufferspeiehers angeordnet ist, wodurch vom Kältemittel geförderte Wärme direkt an den Wärmeträger abgegeben wird.

Vorzugsweise ist das Leitungssystem des Kondensators als
Rohrschlange ausgebildet. Weiters kann der Verdampfer als Hohlkörper ausgebildet sein, der unter Zwischenlage einer Isolierung den Pufferspeicher umschließt. Dabei können der Pufferspeicher als Kreiszylinder und der Verdampfer als Kreishohlzylinder ausgebildet sein.

Vorzugsweise ist weiters der Verdampfer durch koaxial ineinander angeordnete.Rohre gebildet, die einen Hohlkörper bilden. Schließlich können der vom Verdampfer umschlossene Pufferspeicher, der Kompressor und das Expansionsventil, gegebenenfalls mit Schalt-, Anzeige-und Steuerelementen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein und kann im Pufferspeicher ein Thermostat angeordnet sein. Zudem ist vorzugsweise im Pufferspeicher eine weitere Rohrschlage vorgesehen, die zur Gewinnung von Wärme für weitere vom Zirkulationskreis unabhängige Verbraucher dient.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Es zeigen:

Pig.l ein Blockschaltbild der Elemente einer Wärmepumpenanlage ,

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Fig.2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pufferspeichers und

Fig.3 einen Pufferspeicher gemäß Fig.2, der mit einem zusätzlichen Wärmetauscher ausgebildet ist.

In Fig.l sind ein Kompressor 1, durch den das Kältemittel verdichtet und dabei stark erhitzt wird, ein Kondensator 2, der als Wärmetauscher die Wärme nach außen abgibt, ein Expansionsventil 3_S das den Druck reduziert und ein Verdampfer 4, in dem als Wärmetauscher dem Kältemittel Wärme zugeführt wird, dargestellt. Die strichlierten Pfeile deuten die Richtung des Wärmeflusses an.

Die im Kondensator 2 abgegebene Wärme,· wird in einem Kreislauf, bestehend aus dem Kondensator 2, einer Speicherladepumpe 5 und einem Pufferspeicher 6 an diesen abgegeben und steht als heißes Wasser zur Verfügung, das bei Bedarf durch Zirkulationspumpen 7 Wärmeverteilsystemen, wie einer Heizung 8 bzw. einem Warmwasserboiler 9, zugeführt werden kann. Ein Thermostat 10 steuert die Betriebsweise des Kompressors 1, um im Pufferspeicher 6 ein konstantes Temperaturniveau aufrecht zu erhalten. Ein Druckwächter 11 schützt den Kompressor 1 bei fehlender Wärmeabfuhr im Kondensator 2 vor zu hohem Druck.

In Fig.2 ist ein erfindungsgemäßer Pufferspeicher 6 dargestellt. Dieser besteht aus einem vorzugsweise zylindrische¹¹¹ Gehäuse 12, das an seiner Unterseite unter Zwischenlage einer Dichtung 18 mittels einer Abdeckung ±9 verschlossen ist. Der Pufferspeicher 6 ist mit einem Wärmeträger, insbesondere Wasser, gefüllt ·

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Im Inneren des Pufferspeichers β befindet sich eine Rohrschlange 13 , deren Anschlußrohre 14 und 15 nach außen geführt und an den Kompressor 1 bzw. das Expansionsventil 3 angeschlossen sind. Weiters münden im Inneren des Pufferspeichers 6 Anschlußrohre 16 und 17 , die zu mindestens einem Wärmeverteilsystem führen.

Das Gehäuse 12 des Pufferspeichers 6. ist an seiner Mantelfläche von einer Isolierung 20 umgeben. Außerhalb dieser Isolierung 20 befindet sich ein schraubenlinig verlaufendes Rohrsystem 21 , das durch zwei koaxial ineinander angeordnete Rohre 21a, 21b gebildet ist.; Am Pufferspeicher β ist weiters ein Thermostat 10 vorgesehen.

Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist v,^rie folgt: Vom Kompressor 1 wird über die Leitung 14 der Rohrschlange 13 das komprimierte und daher warme Kältemittel zugeführt^dessen Wärme im Pufferspeicher 6 an die in diesem befindliche Flüssigkeit abgeben wird. Das abgekühlte Kältemedium wird über die Rohrleitung 15, dem Expansionsventil 3 zugeleitet und gelangt von diesem in den Verdampfer 4 , von dem es an den Kompressor 1 abgegeben wird, per im Pufferspeicher 6 befindliche, erwärmte Wärmeträger wird über die Rohrleitung l6, deren Mündung sich im oberen Bereich des Pufferspeichers befindet , abgegeben und gelangt von diesem zu mindestens einem Wärmeverteilsystem, wie einer Heizung bzw. einem Warmwasserboiler. Der abgekühlte Wärmeträger wird über die Rohr- ·

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leitung 17 wiederum dem Pufferspeicher 6 zugeführt. Der Wärmefluß ist auch in dieser Figur strichliert angedeutet.

Bei dieser Anordnung ist gegenüber der Anordnung nach Fig.l der Zeichnung anstelle eines Kondensators nur die Rohrschlange 13 vorgesehen und kann auf eine Zirkulationspumpe zur Speisung des Pufferspeichers 6 verzichtet werden. Hierdurch wird eine beachtliche Kostenersparnis erzielt.

Um weiters auch ein räumlich möglichst kompaktes Gerät zu schaffen, ist der Verdampfer 4 durch das Rohrsystem 21 gebildet , das den Pufferspeicher 6 umschließt. Hierbei wird z.B. das äußere Rohr 21a des Verdampfers ¹J mit Grundwasser , dem Wärme entzogen werden soll, und das 'innenliegende Rohr 21b mit dem vom Expansionsventil 3 abgegebenen Medium, das erwärmt werden soll, gespeist. Der Thermostat 10 dient auch zur Sicherung des Kompressors 1 gegen überlastungi Da diese überwachung deshalb alleine durch den Thermostaten temperaturabhängig erfolgen kann, weil keine Pumpe vorgesehen ist, die ausfallen kann, kann auf die Anordnung einer Einrichtung zur Drucküberwachung verzichtet werden,

Zweckmäßigerweise wird der mit dem Verdampfer kombinierte Pufferspeicher zugleich mit den weiteren Elementen für die Wärmepumpe , nSmlich dem Kompressor , dem Expansionsventil und mit elektrischen Schalt-, Anzeige- und Bedienungselementen, in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.

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Um die Montage- und Anschlußarbeiten bei einer erfindungsgemäßen Wärmepumpanlage weiter zu verringern, kann der Kompressor mit den zugehörigen Einrichtungen, wie Ladepumpe oder Solarzirkulationspumpe u.dgl., von dem im Pufferspeicher eingebauten und mit den elektrischen Schalt- und Steuerelementen fix verdrahteten Thermostat gesteuert werden. Durch eine derartige Kompaktanlage kann abgesehen von den durch das Schaltspiel bedingten Schwankungen der Wärmeverbrauchsanlage, z.B. einem Heizungs- oder Warmwassersystem, Wärme in Form von warmer Flüssigkeit mit gleichbleibendem Temperaturniveau, zugeführt werden.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig.3 ist im Pufferspeicher eine zweite Rohrschlange 27 angeordnet, die über ein Rohr 26 aus einem Boiler 25 gespeist wird. Mittels einer Zirkulationspumpe

Wasser wird das in der Rohrschlange 27 erwärmte/über ein Rohr 28, ein Rückschlagsventil 29 und ein Rohr 32 in den Boiler 25 zurückgeleitet. Über ein Rohr 31 erfolgt die Kaltwasserzufuhr zum Boiler und über ein Rohr 34 kann aus diesem Warmwasser entnommen werden. Die Steuerung der Pumpe 30 erfolgt mittels eines im Boiler 25 angeordneten Thermostaten 34.

Aufgrund dieser Ausbildung ist es nicht erforderlich, von den Rohren 16 und 17 Wasser in einen gesonderten Wärmetauscher für Nutzwasser zu führen, da sich der Wärmetauscher im Pufferspeicher befindet, mittels dessen die. Temperatur des im Boiler 25 befindlichen Wassers erhöht wird, wobei die erforderliche Trennung

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zwischen Zirkulat.ionswasser und Brauchwasser gewährleistet ist. Aus dem Boiler 25 kann somit warmes Nutzwasser entnommen werden..

Anstelle des Boilers 25 kann z.B. auch ein Schwimmbecken vorgesehen sein, dem das in der Rohrschlange 27 erwärmte Wasser zugeführt wird. ..

Die im Pufferspeicher zusätzlich vorgesehene Rohrschlange ist insoferne vorteilhaft, als hierdurch die Ergänzung von bestehenden Anlagen, die mit festen oder flüssigen Brennstoffen beheizt werden, vereinfacht wird. Bei bestehenden Anlagen sind zwar die Anschlüsse für die weiteren Verbraucher vorhanden, jedoch ist für diese kein Wärmetauscher vorgesehen, der bei Speisung durch eine Wärmepumpe erforderlich ist. Aufgrund des erfindungsgemäß im Pufferspeicher vorgesehenen weiteren Wärmetauschers wird somit der bei zusätzlichem Einbau einer Wärmepumpe erforderliche Montageaufwand vermindert.

Für die Anmelderin Patentanwalt

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Claims

Patentansprüche

ClS Wärmepumpenanlage mit einem Kompressor , einem Kondensator , einem Expansionsventil und einem Verdampfer , durch welche Elemente, die im geschlossenen Kreislauf angeordnet

sind , mittels des Kompressors ein Kältemittel förderbar ist, sowie mit einem' einen Wärmeträger enthaltenden Pufferspeicher, dadurch gekennzeichnet , daß das vom Kältemittel durchströmte Leitungssystem des Kondensators (2) in Innenraum des Pufferspeichers (6) angeordnet ist, wodurch vom Kältemittel geförderte Wärme direkt an den Wärmeträger abgegeben wird.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungssystem des Kondensators (2) als Rohrschlange (13) ausgebildet ist.
3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (4) als Kohlkörper ausgebildet ist, der unter · Zwischenlage einer Isolierung (20) den Pufferspeicher (6) umschließt .

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4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Pufferspeicher (6) als Kreiszylinder und der Verdampfer (2) als Kreishohlzylinder ausgebildet ist.
5. Anlage nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (4) durch koaxial ineinander angeordnete Rohre (21a, 21b) gebildet ist, die einen Hohlkörper bilden.
6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß der vom Verdampfer (4) umschlossene Pufferspeicher (6), der Kompressor (1) und das Expansionsventil (3)_a gegebenenfalls mit Schalt-, Anzeige- und Steuerelementen, in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
7. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Pufferspeicher (6) in an sich bekannter V/eise ein Thermostat (10) angeordnet ist.
8. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Pufferspeicher (6) eine weitere Rohrschlange (27) vorgesehen ist, die zur Gewinnung von Wärme für weitere vom Zirkulationskreis unabhängige Verbraucher dient.

Pur die Anmelderin Patentanwalt

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