DE3514191A1

DE3514191A1 - Anlage zur waermeerzeugung

Info

Publication number: DE3514191A1
Application number: DE19853514191
Authority: DE
Inventors: Klemens Ing.(grad.) 4690 Herne Waterkotte
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-04-19
Filing date: 1985-04-19
Publication date: 1986-10-23

Description

Die Erfindung betrifft eine Anläge zur Wärmeerzeugung, bestehend aus einer Wärmepumpe, deren Wärmequelle das Erdreich ist, dem mit mindestens einer ins Erdreich verlegten Rohrleitung als Absorberrohr Wärme entzogen wird, wobei in dem Absorberrohr ein Kältemittel fließt und verdampft.

Bei einer bekannten Anlage zur Wärmeerzeugung sind Rohre in einer Tiefe bis etwa 1,50 m horizontal im Erdreich verlegt. Es werden mehrere Rohrkreise parallel geschaltet und mit Sole durchflutet. Das von der Wärmepumpe kommende Kältemittel wird in einem Wärmeaustauscher verdampft und entzieht der Sole Wärme, die die Sole dem Erdboden entzogen hat. Dabei ist ein doppelter Wärmeübergang erforderlich, nämlich einerseits vom Erdreich auf die Sole und von der Sole auf das Kältemittel. Der doppelte Wärmeübergang ist jedoch mit thermodynamischen Nachteilen verbunden, die die Kapazität der Wärmepumpe um etwa 3 % pro Kelvin und den Wirkungsgrad um etwa 2 % pro Kelvin erniedrigt. Daher sind auch Anlagen vorgeschlagen worden, bei denen das Kältemittel direkt in die im Erdreich verlegte Rohrleitung geleitet und dort direkt verdampft wird. Eine erhebliche Steigerung der Leistung und des Wirkungsgrades der Wärmepumpe ist die Folge, da der doppelte Wärmeübergang und die zusätzliche Pump- leistung für das Umwälzen der Sole entfällt. Es werden jedoch einfache Kupferrohre für das im Erdboden verlegte Rohrleitungssystem verwendet. Das hat den Nachteil, daß durch Korrosion der Rohre Kältemittel in den Erdboden eindringen kann. Ferner müssen korrodierte Rohre in zeitaufwendiger und kostspieliger

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Weise aus dem Erdreich ausgegraben und neue verlegt werden. Bei unzureichender Dimensionierung der Rohre besteht zudem die Gefahr der Auffrierung. Bei zu großer Dimensionierung der Rohrleitung tritt die Gefahr auf, daß das Kältemittel nicht mit der erforderlichen Geschwindigkeit durch die Rohrleitung geführt wird. Das ist aber notwendig, da Frigen-Kälteanlagen so konzipiert sein müssen, daß das mit dem Kältemittel in Lösung gehende Schmieröl des Kompressors der Wärmepumpe mitgeführt und so zum Kompressor zurückgeführt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anlage der eingangs genannten Art so auszubilden, daß einerseits das Eindringen von Kältemittel und Schmieröl in den Erdboden ausgeschlossen ist und daß andererseits durch die Dimensionierung der Rohre ein einwandfreier Transport von Kältemittel und Schmieröl gewährleistet ist.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß das Absorberrohr aus einem mit einer Kunststoff ummantelung umgebenen Kupferrohr besteht, welches von einem in einem zugänglichen Schacht angeordneten Verteiler ausgeht und in einem in dem Schacht angeordneten Sammler endet, wobei der Sammler über eine Gassaugleitung als Rücklaufleitung und der Verteiler über eine Flüssigkeitsleitung als Vorlaufleitung mit der Wärmepumpe verbunden ist, und wobei das Verhältnis von Innendurchmesser zu Länge der Absorberrohre im im Bereich von 14/40.000 bis 16/ 60.000 liegt.

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Es werden ein oder mehrere Absorberrohre, die untereinander völlig gleiche Länge haben, parallel geschaltet. Sie enden in einem zugänglichen Schacht und sind dort mit einem Sammler/Verteiler verbunden. Der Sammler/ Verteiler ist durch eine Vor- und Rücklaufleitung mit dem vorzugsweise im Gebäude aufgestellten Wärmepumpenaggregat verbunden. Die Absorberrohre arbeiten nur einwandfrei, wenn ein bestimmtes Verhältnis von Länge zu Innendurchmesser eingehalten wird. Am besten eignet sich ein Rohr mit einem Innendurchmesser von 14 bis 16 mm und einer Länge von 40 bis 60 m. Die effektive Entzugsleistung darf bei Verwendung von z.B. R22 als Kältemittel nur innerhalb der Werte 30 bis 60 W pro laufenden m liegen. Zur Vermeidung des Eindringens von Kältemittel und Öl in das Erdreich ist das Rohr doppelwandig ausgeführt. Eine besonders wirtschaftliche Lösung ist die Ummantelung eines Kupferrohres mit einem Niederdruck-Polyäthylen-Rohr. Niederdruck-Polyäthylen übertrifft hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit sämtliche bekannten Kunststoffe und ist sehr korrosionsbeständig. Im Falle einer Leckage im Kupferrohr infolge von Herstellungsmängeln bläst das austretende Fluid die nur 0,5 bis 0,7 mm starke Polyäthylen-Umhüllung auf und fließt in dem entstandenen Zwischenraum zum Rohrende im BnjnneBsehäebf, kontrolliert ab. Die einzelnen Rohrschlangen werden in einem Mindestabstand von 0,5 m und in einer Tiefe von 0,6 bis 1,5 m im Erdreich verlegt.

Die Kältemittelregulierung und -drosselung erfolgt vorteilhafterweise durch ein thermostatisches Expansionsventil mit äußerem Druckausgleich. Die Steueranschlüsse, wie Kapillarrohre, Fühler und Druckausgleich sind dabei

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in der Saugleitung in Störmungsrichtung auf die Wärmepumpe zu angeordnet.

Das expandierte Kältemittel wird in einen Verteiler geleitet, der durch nebeneinander angeordnete Venturirohre gebildet ist, die das Kältemittel in Einspritzleitungen mit Abmessungen von z.B. 5 χ 1 mm leiten. Die Einspritzleitungen haben alle gleiche Widerstände, d.h. gleiche Längen.

Vorteilhafterweise wird zwischen Expansionsventil und Venturi-Verteiler ein für Kältemittel geeigneter Kugelhahn angeordnet. Dadurch ist es möglich, nach Entleerung der Flüssigkeitsleitung Inspektionen am Expansionsventil durchzuführen. Gleichzeitig bietet er die Möglichkeit der Drosselung des Kältemittelstromes und somit die Anpassung der Expansionsventilleitung an die jeweiligen Verhältnisse, so daß die unerwünschte Erscheinung des Pumpens, auch hunting genannt, unterdrückt werden kann.

Der Sammler ist so ausgebildet, daß die zurückkommenden Absorberrohre in einem Sammelrohr münden, wobei der Rasterabstand der einmündenden Rohre 200 bis 300 mm, vorzugsweise 250 mm beträgt. Es ist dabei so angeordnet, daß ein Zurückfließen von Kältemaschinenöl aufgrund der Schwerkraft von einem Kreis in den anderen ausgeschlossen ist. Das Sammelrohr endet in einem Rohrbogen, welcher in einen Nachverdampfer mündet, der vorzugsweise als Röhrenbündel-Wärmeaustauscher ausgebildet ist. Die für den Betrieb des Nachverdampfers erforderliche Wärmequelle bildet das warme, vom Kondensator der Wärmepumpe kommende Kältemittel. Dadurch wird das Kältemittel weiter

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abgekühlt, bevor es über den Venturi-Verteiler in die Absorberrohre geleitet wird. Die kältetechnisch bedingte Überhitzungsstrecke liegt somit nicht im Absorberrohr, und das Absorberrohr kann voll beaufschlagt werden. Ferner werden auf diese Weise geringe Unterschiede in der Wärmlieferung zu den einzelnen Rohrkreisen ausgeglichen.

Zweckmäßigerweise werden die Steueranschlüsse des Expansionsventils in der Saugleitung in Strömungsrichtung nach dem Nachverdampfer angeordnet.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Anlage besteht darin, daß nach dem Kondensator der Wärmepumpe ein Kältemittelsammler angeordnet ist, der Schwankungen in der Füllmenge in den Absorberrohren ausgleicht und bei Reparaturen die gesamte Kältemittelmenge aufnehmen kann.

Ferner kann bei sogenannten halbhermetischen Kompressoren in der Saugleitung vor dem Kompressor ein Flüssigkeitsabscheider angeordnet sein. Der Flüssigkeitsabscheider verhindert Schübe von Kältemittel, insbesondere beim Anfahren des Kompressors. Um den Wirkungsgrad der Anlage weiter zu steigern, wird in Saugrichtung hinter dem Flüssigkeitsabscheider ein weiterer Wärmeaustauscher, ein sogenannter Sauggas-Wärmeaustauscher angeordnet. Dadurch dampfen im umlaufenden Schmieröl enthaltene Kältemittel aus.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung dargestellt und näher erläutert.

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Es zeigen

Figur 1 prinzipielle Darstellung der Gesamtanlage,

Figur 2 im Brunnenschacht angeordnete Aggregate der Anlage.

Wie Figur 1 zeigt, besteht die Anlage im wesentlichen aus einer im Gebäude angeordneten Wärmepumpe 1. In der Wärmepumpe 1 sind in Strömungsrichtung des Kältemittels hintereinander ein Kompressor 2 und ein Kondensator 3 angeordnet, dem ein Kältemittelsammler 4 nachgeschaltet ist. In Strömungsrichtung vor dem Kompressor 2 ist ein Sauggas-Wärmeaustauscher 5 vorgesehen, dem wiederum ein Flüssigkeitsabscheider 6 vorgeschaltet ist. Außerhalb des Gebäudes sind im Erdboden Absorberrohre 7 verlegt, die von einem genormten Brunnenschacht 8 ausgehen und auch in diesen münden. Das von der Wärmepumpe 1 kommende abgekühlte und verflüssigte Kältemittel wird mit Hilfe eines Venturi-Verteilers 9 über Einspritzleitungen in die Absorberrohre 7 eingeleitet. Das in den Absorberrohren 7 verdampfte Kältemittel wird in einen Sammler 10, der ebenfalls im Brunnenschacht 8 angeordnet ist, gesammelt und über einen Rohrbogen 11 in einen als Nachverdampfer 12 ausgebildeten Röhrenbündel-Wärmeaustauscher geleitet, von wo es über eine Saugleitung 13 zum Flüssigkeitsabscheider 6 strömt und von dort durch den Sauggas-Wärmeaustauscher 5 zur Wärmepumpe 1. Das im Kondensator 3 verflüssigte Kältemittel wird über den als Puffer ausgebildeten Kältemittelsammler 4 durch eine Leitung 14 zum Wärmeaustauscher 5 zurückgeleitet

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und von dort über die Leitung 15 zum Nachverdampfer Aus dem Nachverdampfer 12 fließt das Kältemittel über ein thermostatisches Expansionsventil 16 und einen nachgeschalteten Kugelhahn 17 in den Venturi-Verteiler 9, der das flüssige Kältemittel wieder in die Absorberrohre 7 leitet. Die Absorberrohre 7 bestehen aus Kupfer

18 und sind mit einer Niederdruck-Polyäthylen-Ummantelung

19 umgeben. In Strömungsrichtung des verdampften Kältemittels hinter dem Nachverdampfer 12 sind die Steueranschlüsse für das Expansionsventil 16 der Saugleitung 13 angeordnet. Es sind dies die Kapillarrohre 20, der Druckausgleicher 21 und der Fühler 22. Um Wartungsarbeiten am Kompressor 2 und am Kondensator 3 ausführen zu können, sind in die Kältemittelleitung 13 jeweils vor und hinter dem Kompressor 2 bzw. Kondensator 3 Ventile 23 angeordnet, mit denen die Leitung 13 abgesperrt werden kann.

Die Anlage arbeitet wie folgt: Durch die Wärmepumpe wird das flüssige Kältemittel über den Venturi-Verteiler 9 in die Absorberrohre 7 geleitet. Es durchströmt die im Erdboden verlegten Absorberrohre 7. Dabei verdampft das Kältemittel infolge der Aufheizung durch den als Wärmespeicher dienenden Erdboden. Das verdampfte Kältemittel gelangt am Ende der Absorberrohre 7 in den Sammler 10. Über den Bogen 11 wird das Kältemittel in den Nachverdampfer 12 geleitet, dessen Wärmequelle das von der Wärmepumpe 1 zurückströmende, verflüssigte, aber noch warme Kältemittel ist. Eventuell noch im verdampften Kältemittel enthaltene Flüssigkeit wird zum Schutz des Kompressors 2 in dem Flüssigkeitsabscheider 6 abgeschieden, wonach das weiterströmende Gas den Wärmeaustauscher 5 durchströmt,

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dessen Wärmequelle ebenfalls das vom Kondensator 3 zurückströmende Kältemittel ist. Auf diese Weise gelangt lediglich dampfförmiges Kältemittel zum Kompresseor 2 und von dort zum Kondensator 3. Zum Ausgleich der Kältemittelversorgung der Absorberrohre fließt das verflüssigte Kältemittel erst über den Sammler 4 zurück zum Verteiler, wobei wie beschrieben das Kältemittel als Wärmequelle für den Wärmeaustauscher 5 und den Nachverdampfer 12 dient.

Claims

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Patentansprüche

^" und verdampft,

Anlage zur Wärmeerzeugung, bestehend aus einer Wärmepumpe, deren Wärmequelle das Erdreich ist, dem mit mindestens einer ins Erdreich verlegten Rohrleitung als Absorberrohr Wärme entzogen wird, wobei in dem Absorberrohr ein Kältemittel fließt

dadurch gekennzeichnet, daß das Absorberrohr (7) aus einem mit einer Kunststoffummantelung (19) umgebenen Kupferrohr (18) besteht, welches von einem in einem zugänglichen Schacht (8) angeordneten Verteiler (9) ausgeht und in einem in dem Schacht (8) angeordneten Sammler (10) endet, wobei der Sammler (10) über eine Gassaugleitung (13) und der Verteiler (9) über eine Flüssigkeitsleitung (15) als Vorlaufleitung mit der Wärmepumpe (1) verbunden ist, und wobei das Verhältnis von Innendurchmesser zu Länge des Absorberrohrs (7) im Bereich von 14/40.000 bis 16/60.000 liegt.
2.) Anlage nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffummantelung (19) aus einem Niederdruck-Polyäthylen-Rohr besteht.
3.) Anlage nach den Ansprüchen 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Absorberrohre (7) gleicher Länge parallel geschaltet sind.

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4.) Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemittelregulierung und -drosselung durch ein thermostatisches Expansionsventil (16) mit äußerem Druckausgleich erfolgt, wobei das Expansionsventil (16) vor dem Verteiler (9) für das Kältemittel und die Steueranschlüsse (20 bis 22) des Expansionsventils (16) in der zur Wärmepumpe (1) führenden Saugleitung (13) angeordnet ist.
5.) Anlage nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Expansionsventil (16) und Verteiler (9) ein Kugelhahn (17) angeordnet ist.
6.) Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteiler (9) ein Venturi-Verteiler ist.
7.) Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Sammelrohr (10) in einem als Röhrenbündel-Wärmeaustauscher augebildeten Nachverdampfer (12) endet.
8.) Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Kondensator (3) der Wärmepumpe (1) ein Kältemittelsammler (4) angeordnet ist.

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9.) Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Saugleitung (13) vom Nachverdampfer (12) zur Wärmepumpe (1) ein Flüssigkeitsabscheider (6) angeordnet ist.
10.) Anlage nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Flüssigkeitsabscheider (6) und der Wärmepumpe (1) in der Saugleitung (13) ein Wärmeaustauscher angeordnet ist.
11.) Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das durch die Leitungen (14 und 15) von der Wärmepumpe (1) zurückströmende Kältemittel als Wärmequelle für den Wärmeaustauscher (5) und den Nachverdampfer (12) dient.

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