EP0013018A1 - Heizeinrichtung mit einem Heizungskreislauf, einer Heizfeuerung und einer Wärmepumpe - Google Patents
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- EP0013018A1 EP0013018A1 EP79105317A EP79105317A EP0013018A1 EP 0013018 A1 EP0013018 A1 EP 0013018A1 EP 79105317 A EP79105317 A EP 79105317A EP 79105317 A EP79105317 A EP 79105317A EP 0013018 A1 EP0013018 A1 EP 0013018A1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
- F24H4/00—Fluid heaters characterised by the use of heat pumps
- F24H4/02—Water heaters
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
- F24D11/00—Central heating systems using heat accumulated in storage masses
- F24D11/02—Central heating systems using heat accumulated in storage masses using heat pumps
Definitions
- the invention relates to the construction and operation of heating devices, in particular heating devices for residential buildings, and is particularly concerned with the recovery of the heat contained in the exhaust gases of the heating furnaces of such heating devices.
- recuperators are known in which the exhaust gas heat heats the combustion air of the furnace through heat exchange. Since the exhaust gas contains a considerable amount of pollutants, in particular sulfur compounds, the cooling of the exhaust gas is problematic because the pollutants can then escape in the chimney and the chimney can be destroyed. For the reasons mentioned above, the situation is particularly unfavorable when the heating circuit requires only relatively small amounts of heat to heat the building.
- the invention is therefore primarily based on the object to better utilize the combustible fuels by recovering heat from the exhaust gas from the heating furnace, without endangering the existence of the heating device and / or contaminants being released to the outside air to a critical extent.
- the exhaust gases of the heating furnace act on the evaporator in the exhaust duct of a heat pump circulating a refrigerant, so that the exhaust gas heat is transferred to the refrigerant by heat exchange, the exhaust gases being cooled down to substantially below the dew point of all the pollutants contained therein and can therefore be easily released into the outside air.
- the heat absorbed by the refrigerant in the evaporator is brought to a higher temperature level with the aid of a compressor in the manner customary in heat pumps and is fed directly into the heating circuit of the heating system by renewed heat exchange.
- the heat pump used for exhaust gas heat recovery can be used during the period in which the heating circuit requires only a relatively small amount of heat (transition time, cool days, etc.) can be used as the sole heat supplier by directly introducing the surrounding outside air into the exhaust duct and pasting the evaporator.
- the heat pump operates in the manner of a conventional air heat pump.
- a combination of those two operating states of the heat pump can be achieved by adding outside air to the exhaust gas coming from the heating furnace according to a development of the invention, before this is fed to the evaporator. In this way, on the one hand, the high throughput that a heat pump operating in pure air operation needs is obtained, and on the other hand, excessive heating of the evaporator is avoided.
- This mode of operation can be further developed in that, instead of fresh outside air, the cooled exhaust air is recirculated, which occurs behind the fan, which forces the necessary exhaust gas / air flow through the evaporator.
- This has the additional advantage that the dew point drop that occurs when fresh air is added is avoided and only a temperature drop occurs.
- a heat pump according to the invention is particularly advantageous because it allows a particularly simple basic control of the heating device. Because the pressure (and in the same way the temperature) is a reliable indicator of the condition of the refrigerant in the heat pump and thus also the temperature at the evaporator on the one hand and the heat transport caused by the heat pump on the other hand, a simple control device is sufficient, which depends on the pressure or the temperature of the refrigerant in the evaporator controls the operation of the heating furnace and the fan in such a way that When the fan is running and heat is exchanged between the outside air and the refrigerant, the heating system is only switched on if the pressure falls below a specified lower limit value or the temperature, but the heating system is switched off if a specified upper limit value of the pressure or temperature is exceeded .
- This arrangement can be further developed according to the invention into a system with multivalent heat use, first by including further heat energy sources in the heating circuit directly or indirectly in such a way that a "logical regulation" results due to the respective temperature gradient without major control measures and new primary energy (with the help of the heating burner) only if other auxiliary energies are not available.
- a solar heating device which (if solar thermal energy is generated) heats the return of the heating circuit before it enters the condenser and absorbs the thermal energy of the refrigerant there. Only then does the return flow get into the boiler, which however only comes into action when the return temperature is below the required flow temperature.
- An advantageous side effect of this arrangement is that the boiler is kept warm and no corrosion damage can result from non-operation.
- process water has priority over this use of the energy supplied by a solar heating device.
- the Solar heat transport medium Has the Solar heat transport medium a sufficient temperature, so the process water is first heated and only if the solar circuit return heating is carried out only if either enough solar heat is available or its temperature level is too low.
- the solar heat is at an even lower temperature level, so that it cannot be used for domestic water heating or return preheating, it is intended to be used by preheating the air, either as fresh air or as recirculated, cooled exhaust gas air Mixture is fed to the evaporator of the heat pump.
- the heated exhaust air from an air conditioning system air conditioner
- the cold fresh air by heat exchange with at least part of the cold exhaust air leaving the evaporator of the heat pump (or the cold exhaust gas / air mixture flowing out instead) ) receives.
- the heat energy contained in the exhaust air from warm or heated rooms, such as swimming pools or the like can be used by this air directly the air flowing into the evaporator of the heat pump (or the exhaust gas / air mixture) is admixed.
- the utilization of the thermal energy obtained can be improved by the fact that the hot water is heated to a peak in a heat exchanger which is on the primary side of that from the compressor flowing through the heat pump, highly heated refrigerant of the heat pump circuit.
- the economy of the heat pump improves at the same time, the greater the lower the condensation temperature of the refrigerant.
- a cross connection between the hot water return and the heating circuit return as well as a cross connection in the heats can be provided in such a way that in summer operation with the heating switched off, the hot water circuit also otherwise heat exchangers are used to preheat the heating circuit return.
- auxiliary heat energy is wastewater.
- a branch is therefore provided in the heat pump circuit which, with its own expansion valve, leads to an evaporator which is arranged in a waste water container and is in heat exchange connection with the waste water.
- any other water (or any other liquid) of the appropriate temperature can be used.
- thermal energy obtained can be that a heat exchanger is arranged in the return of the refrigerant to the expansion valve and evaporator, with the aid of which the heat contained in the still warm refrigerant condensate is transferred to the ambient air or - using a blower - to heat the air into others Rooms can be delivered.
- a heat exchanger is arranged in the return of the refrigerant to the expansion valve and evaporator, with the aid of which the heat contained in the still warm refrigerant condensate is transferred to the ambient air or - using a blower - to heat the air into others Rooms can be delivered.
- Such utilization of the residual heat in the refrigerant of the heat pump circuit is cheaper than a countercurrent heat exchange with the cold refrigerant flowing from the evaporator to the compressor, because this leads to an increase in the compressor temperature.
- This heat extraction from the heat pump circuit can also be used to remove the heat of condensation in the summer when the heat pump is only running to operate a cooling air conditioning system (because hot water has already been sufficiently heated).
- the circulation pump is switched off when the pressure or the temperature in the condenser of the heat pump circuit reaches a certain value falls below. If the pressure or temperature rise above this value again, the circulation pump is switched on again.
- Fig. 1 shows a boiler 1 with the associated heating, not shown in detail.
- the heated in the boiler 1 heat transfer medium usually water, flows through the heating circuit 2, in which a plurality of radiators 3 are turned on; only a single radiator is shown in the present case.
- a circulation pump 4 ensures the forced circulation of the heat transfer medium.
- the flue gases from the heating system are released through the flue gas duct 6. Of the building in which the heating system is arranged, only the roof 7 is indicated.
- An adjustable flap 8 in the exhaust duct 6 makes it possible to direct the exhaust gas into a branch 9 through the evaporator 12 of a heat pump 13 described below and a further branch 10 back into the exhaust duct 6.
- a control flap 21 Through the connection 19, in which there is a control flap 21, ambient air can be led into the branch 9 and mixed with the exhaust gas flowing to the evaporator 12.
- a fan 22 in the branch 10 ensures the required flow of the exhaust gas or the exhaust gas / air mixture.
- the fan 22 is advantageously speed-controllable, so that in pure air mode it produces a substantially higher, for example 10 times, the throughput than in exhaust gas / air mode.
- a return line 29 for cold air (or cold air / exhaust gas mixture) branching off behind the blower 22 can be provided in the connection 19; the control flap 21 is designed and arranged such that it opens either the fresh air or the cold air supply.
- the heat pump 13 also includes a compressor 14, a condenser 15 and an expansion valve 16. With the associated pipelines, these components form a secondary circuit which is filled with a refrigerant which is circulated by the compressor 14.
- the refrigerant heated in the evaporator 12 flows through the pipeline 17 into the compressor 14.
- the temperature rises sharply.
- the condenser 15 which is in heat exchange connection with the heating circuit 2
- the heat of the refrigerant largely becomes that in the heating circuit 2 circulated heat transfer agent given.
- the refrigerant in the expansion valve 16 expands, it cools down strongly, so that the refrigerant is ready to absorb heat again in the evaporator 12.
- the temperatures in the evaporator are usually 0 to + 5 ° C, in the condenser 80 to 90 ° C.
- a valve arrangement is designated, through which a short-circuit connection 26 of the flow and return of the heating circuit 2 can be effected if the heating of the heating circuit 2 takes place only by such heat that the heat pump 13 draws the ambient air drawn in through the connection 19 from the blower 22 .
- Fig. 2 shows - albeit schematically - the constructive design of a heating device with the features that can be seen in FIG. 1.
- the same parts have the same reference numerals and do not require a new explanation here. Deviations and additions are described below.
- the flow is denoted by 5 'and the return by 5 "; the broken line 30 indicates what belongs to a heating device according to the invention of simple construction and can be set up at the place of use as a compact unit.
- the burner 38 is indicated on the boiler 1, which is subject to control by the control unit 37: the pressure in the evaporator 12 of the heat pump 13 is measured via a measuring line 36, and when the pressure falls below a predetermined minimum, the control unit 37 switches the burner via the signal line 36 ' 38 a.
- the pressure of the refrigerant in the evaporator 12 its temperature can also be used to control the burner 38.
- a base frame 33 standing on the floor 34 supports the boiler 1 and - partly via supports 32 for an upper frame 31 - all other components of the heating device.
- the evaporator 12 of the heat pump 13 is supported on the upper frame 31.
- a drip tray 23 which collects condensed water and condensed pollutants.
- the exhaust duct is reduced to an exhaust nozzle 6 '.
- the exhaust duct continues in a connecting line 11 which so surrounds the exhaust outlet 6 'with an extended section 11', that ambient air according to the arrows 18 in the Verbindun g s-line 11 occur and there - if the burner 38 in the Operation is - can mix with the exhaust gas.
- the air (or the exhaust gas / air mixture) accelerated by the blower 22 comes out of the building through the outlet connection 24 in the building wall 25.
- a chimney is not required, since the escaping gas is cooled and cleaned.
- FIG. 3 has been expanded compared to that in FIG. 2 by numerous additional devices for the purpose of multivalent heat use. Again, the same parts are identified by the same reference numerals as in the previous figures. This also applies to FIG. 4, which in terms of circuitry illustrates the structural design of the heating device shown in FIG. 3.
- the blower 22 arranged in the outlet connection 24 sucks either air according to the arrows 18 or air and additionally exhaust gas according to the arrows 18 ′ into the connecting channel 11 and through the evaporator 12 the heat pump.
- an inlet 56 is provided through which warm external air (for example from a swimming pool) can be supplied.
- a heat exchanger 48 is provided which is acted upon on the primary side via a line 59 by a heat transfer medium heated by solar energy (in a manner not shown here). The air entering according to arrows 18 can thus be preheated.
- a connecting line - not shown here - can lead from the outlet port 24 to the inlet port with the heat exchanger 48, so that the cooled exhaust air is returned to the connecting line 11.
- the exhaust air flowing out of the outlet connection 24 according to the arrows 24 ′ can also be used for the air conditioning (cooling) of rooms; if necessary by exchanging heat with fresh air.
- the air duct shown on the left in FIG. 4 illustrates this, with the heat exchanger 67 and the air line 68 of an air conditioning system.
- the heat exchanger 48 is only acted on when only solar heat of a low temperature level is available.
- the solar heat is fed directly to the domestic water (hot water); this is not shown in Fig. 3, but in Fi g . 4 specified.
- the heat transport medium in question is fed via line 41 to a heat exchanger 40 which is acted upon on the secondary side by the return 5 ′′ of the heating circuit 2. This then enters the condenser 15 of the heat pump and leaves it at its connection to a likewise in W ärmepumpenniklauf lying heat exchanger 42 which performs the secondary side 43 hot water through the line.
- the refrigerant circulated by the compressor 14 in the heat pump circuit arrives after leaving the condenser 15 in a collector 28 and from there in a collector 44 which heats the ambient air or - with the help of a pipeline, not shown - the air in another room with the aid of a blower 46 .
- a branch 51 is provided, which leads via an expansion valve 16 'to an evaporator 12' only shown in FIG. 4.
- the return line bears the reference number 52.
- the circulation pump 55 in the heating circuit 2 is subject to control by a pressure switch 57, which measures the pressure (or the temperature) in the condenser 15 and switches off the circulation pump 55 when the pressure falls below a certain minimum pressure in the condenser 15.
- Fig. 4 complements the representation of Fig. 3 somewhat.
- a line 41 ' is provided, which extends the line 41 from the solar device 61 to a heat exchanger 62, which is used for basic heating of the process water.
- the circulation pump 63 is shown for the circulation of the heat transport medium that heats the process water.
- the circulation pumps 63 and 55 are connected to one another by a line 64.
- the cross connection of the feed lines consists of a line 69 with a valve 70, which is opened by a thermoplastic controlled priority switch when the process water needs heat.
- a combustion gas turbine generator for generating electrical energy can be arranged between the burner 38 and the boiler 1 and supplies certain electrical auxiliary units with electricity. This applies primarily to the compressor 14, but possibly also the fans 22 and 46 and other electrically operated devices.
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Abstract
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf die Konstruktion und den Betrieb von Heizeinrichtungen, namentlich Heizeinrichtungen für Wohngebäude, und beschäftigt sich insbesondere mit der Rückgewinnung der in den Abgasen der Heizfeuerungen solcher Heizeinrichtungen enthaltenen Wärme.
- Bei herkömmlichen Heizeinrichtungen für Wohnhäuser, die mittels Oel oder Gas befeuert werden, gehen während der normalen Heizperiode bis zu.20% der eingesetzten Energie über die Abgase in die Außenluft. Während der Obergangsperioden im Frühjahr und im Herbst, wenn eine solche Heizung nicht voll ausgefahren wird, weil der Wärmebedarf im Gebäude geringer ist, vermindert sich der Wirkungsgrad noch weiter.
- Es ist bekannt, die in den Abgasen von Heizfeuerungen enthaltene Wärme zum größeren oder kleineren Teil zurückzugewinnen. Neben der regenerativen Wärmerückgewinnung, die insbesondere bei Industrieöfen Anwendung findet, sind sogenannte Rekuperatoren bekannt, bei denen die Abgaswärme durch Wärmetausch die Verbrennungsluft der Feuerung erwärmt. Da das Abgas in erheblichem Umfange Schadstoffe, insbesondere Schwefelverbindungen, enthält, ist die Abkühlung des Abgases problematisch, weil es dann zum Ausscheiden der Schadstoffe im Schornstein und dadurch zur Zerstörung des Schornsteines kommen kann. Besonders ungünstig ist die Situation aus den oben erwähnten Gründen dann, wenn zur Erwärmung des Gebäudes der Heizungskreislauf nur relativ geringe Wärmemengen benötigt.
- Der Erfindung liegt demgemäß in erster Linie die Aufgabe zugrunde, die eingesetzte Brennstoffenerqie durch Wärmerückgewinnung aus dem Abgas der Heizfeuerung besser zu nutzen, ohne daß der Bestand der Heizeinrichtung gefährdet und/oder Schadstoffe in kritischem Umfang an die Außenluft abgegeben werden.
- Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Abgase der Heizfeuerung den im Abgaskanal angeordneten Verdampfer einer ein Kältemittel umwälzenden Wärmepumpe beaufschlagen, so daß die Abgaswärme durch Wärmetausch in das Kältemittel übergeht, wobei die Abgase bis unter den Taupunkt im wesentlichen aller darin enthaltenen Schadstoffe abgekühlt werden und deshalb ohne weiteres an die Außenluft abgegeben werden können. Die im Verdampfer vom Kältemittel aufgenommene Wärme wird in der bei Wärmepumpen üblichen Weise mit Hilfe eines Verdichters auf ein höheres Temperaturniveau gebracht und durch erneuten Wärmetausch direkt in den Heizungskreislauf der Heizanlage eingespeist.
- Durch diesen neuartigen Einsatz einer Wärmepumpe werden mehrere Vorteile erzielt: Das Abgas wird am Verdampfer der Wärmepumpe soweit abgekühlt - was an sich bekannt ist -, daß die im Abgas mitgeführten Schadstoffe kontrolliert ausfallen und abgeführt werden können. Das verbleibende, abgekühlte Gas ist soweit gereinigt, daß es keines Schornsteines im eigentlichen Sinne mehr bedarf. Die aus dem Abgas gewonnene Wärmeenergie kann - infolge der Temperaturerhöhung durch das Wärmepumpen-Prinzip - direkt in den Heizungskreislauf eingebracht werden.
- Darüber hinaus kann die zur Abgaswärme-Rückgewinnung verwendete Wärmepumpe während derjenigen Zeit, in der der Heizungskreislauf nur einen relativ geringen Wärmebedarf hat (übergangszeit, kühle Tage etc.) als alleiniger Wärmelieferant eingesetzt werden, indem die umgebende Außenluft direkt in den Abgaskanal ein- und am Verdampfer vorbeigeführt wird. In diesem Betriebszustand der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung arbeitet die Wärmepumpe nach Art einer üblichen Luft-Wärmepumpe.
- Eine Kombination jener beiden Betriebszustände der Wärmepumpe läßt sich dadurch erzielen, daß man nach einer Weiterbildung der Erfindung Außenluft dem von der Heizfeuerung kommenden Abgas zumischt, ehe dies dem Verdampfer zugeführt wird. Auf diese Weise wird einerseits der hohe Durchsatz erhalten, den eine auch im reinen Luftbetrieb arbeitende Wärmepumpe braucht, andererseits eine zu große Erwärmung des Verdampfers vermieden.
- Diese Betriebsweise kann dadurch weitergebildet werden, daß anstelle frischer Außenluft die gekühlte Fortluft zurückgeführt wird, die hinter dem Gebläse anfällt, welches die notwendige Abgas/Luft-Strömung durch den Verdampfer erzwingt. Das hat den zusätzlichen Vorteil, daß die bei Frischluft-Zumischung eintretende Taupunktabsenkung unterbleibt und nur eine Temperaturabsenkung eintritt.
- Von besonderem Vorteil ist der erfindungsgemäße Einsatz einer Wärmepumpe schließlich deshalb, weil er eine besonders einfache Basisregelung der Heizeinrichtung erlaubt. Weil der Druck (und in gleicher Weise die Temperatur) ein zuverlässiger Indikator des Zustandes des Kältemittels in der Wärmepumpe und damit auch der Temperatur am Verdampfer einerseits sowie des von der Wärmepumpe bewirkten Wärmetransports andererseits ist, genügt ein einfaches Steuergerät, welches in Abhängigkeit von dem Druck oder der Temperatur des Kältemittels im Verdampfer den Betrieb der Heizfeuerung und des Gebläses derart regelt, daß bei laufendem Gebläse und Wärmeaustausch zwischen Außenluft und Kältemittel die Heizfeuerung nur dann eingeschaltet wird, wenn ein vorgegebener unterer Grenzwert des Drucks bzw. der Temperatur unterschritten wird, daß aber die Heizfeuerung ausgeschaltet wird, wenn ein vorgegebener oberer Grenzwert des Drucks bzw. der Temperatur überschritten wird.
- Diese Anordnung läßt sich erfindungsgemäß zu einer Anlage mit multivalenter Wärmenutzung weiterbilden, und zwar zunächst dadurch, daß weitere Wärmeenergiequellen in den Heizungskreislauf direkt oder indirekt so einbezogen werden, daß sich ohne größere Steuerungsmaßnahmen eine "logische Regelung" aufgrund des jeweiligen Temperaturgefälles ergibt und neue Primärenergie (mit Hilfe des Heizungsbrenners) nur dann eingesetzt wird, wenn andere Hilfsenergien nicht ausreichend zur Verfügung stehen.
- Insbesondere ist eine Solarwärme-Einrichtung vorgesehen, welche (sofern Sonnenwärmeenergie anfällt) den Rücklauf des Heizungskreislaufs erwärmt, ehe er in den Kondensator eintritt und dort die Wärmeenergie des Kältemittels aufnimmt. Erst dann gelangt der Rücklauf in den Heizkessel, der jedoch nur in Tätigkeit tritt, wenn die Rücklauftemperatur unter der benötigten Vorlauftemperatur liegt. Eine vorteilhafte Nebenwirkung dieser Anordnung liegt darin, daß der Heizkessel warm gehalten wird und keine Korrosionsschäden infolge Nicht-Betriebs eintreten können.
- Vorrang vor dieser Nutzung der von einer Solarwärme-Einrichtung gelieferten Energie hat jedoch die unmittebare Erwärmung von Brauchwasser (Warmwasser). Hat das Solarwärme-Transportmedium eine ausreichende Temperatur, so wird zunächst das Brauchwasser erwärmt und nur dann, wenn entweder genug Solarwärme zur Verfügung steht oder dessen Temperaturniveau zu niedrig liegt, die vorstehend erläuterte Erwärmung des Heizkreislauf-Rücklaufs vorgenommen.
- Liegt die Solarwärme auf einem noch niedrigeren Temperaturniveau vor, so daß sie weder zur Brauchwasser-Erwärmung noch zur Rücklauf-Vorwärmung nutzbar gemacht werden kann, so ist ihre Ausnutzung durch Vorwärmung der Luft vorgesehen, die entweder als Frischluft oder als zurückgeführtes, gekühltes Abgas-Luft-Gemisch dem Verdampfer der Wärmepumpe zugeführt wird. Anstelle von Frischluft (oder Rückführluft) kann auch die erwärmte Abluft einer Klimaanlage (air conditioner)eingesetzt werden, welche kalte Frischluft durch Wärmetausch mit wenigstens einem Teil der dem Verdampfer der Wärmepumpe verlassenden kalten Fortluft (bzw. des stattdessen abströmenden kalten Abgas/Luft-Gemisches) erhält.
- In ähnlicher Weise kann die in der Fortluft aus warmen oder beheizten Räumen, wie beispielsweise Schwimmbädern o. dgl., enthaltene Wärmeenergie nutzbar gemacht werden, indem diese Luft unmittelbar der in den Verdampfer der Wärmepumpe einströmenden Luft (bzw. dem Abgas/Luft-Gemisch) zugemischt wird.
- Andererseits läßt sich die Verwertung der gewonnenen Wärmeenergie dadurch verbessern, daß die Spitzenerwärmung des Brauchwassers in einem Wärmetauscher erfolgt, welcher primärseitig von dem aus dem Kompressor der Wärmepumpe kommenden, hoch erwärmten Kältemittel des Wärmepumpenkreislaufs durchströmt ist. Indem dabei das Kältemittel von beispielsweise 85° C auf 80° C abgekühlt und dem Brauchwasser die erforderliche Spitzenwärme zugeführt wird, erfolgt gleichzeitig eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe, welche umso größer ist, je niedriger die Kondensationstemperatur des Kältemittels ist.
- Um im Rahmen dieser Anordnung die unterschiedlichen Bedingungen beim Sommer- und Winterbetrieb berücksichtigen zu können, kann eine Querverbindung zwischen dem Brauchwasser-Rücklauf und dem Heizkreislauf-Rücklauf sowie eine Querverbindung in den Vorläufen derart vorgesehen sein, daß im Sommerbetrieb bei ausgeschalteter Heizung dem Brauchwasserkreislauf auch die sonst zur Vorwärmung des Heizkreislauf-Rücklaufs dienenden Wärmetauscher zur Verfügung stehen. Dabei bedarf es außer einem thermostatisch gesteuerten Ventil in der Vorlauf-Querverbindung lediglich zweier Rückschlagventile, nämlich in der Rücklauf-Querverbindung sowie zwischen dieser und der Heizkreislauf-Umwälzpumpe, weil letztere wesentlich stärker als die Brauchwasser-Umwälzpumpe ist: Schaltet die Heizkreislauf-Umwälzpumpe ein, so öffnet sie mit ihrem Druck das zwischen ihr und der Querverbindung liegende Rückschlagventil und schließt das in der Querverbindung liegende Rückschlagventil selbst dann, wenn die - schwächere - Brauchwasser-Umwälzpumpe ihr entgegenarbeitet. Sobald aber die Heizkreislauf-Umwälzpumpe abschaltet, kann die Brauchwasser-Umwälzpumpe das Rückschlagventil in der Querverbindung öffnen, wobei sie gleichzeitig das andere Rückschlagventil schließt und dadurch die Einbeziehung des übrigen Heizkreislaufs in den Brauchwasserkreislauf verhindert.
- Eine weitere Hilfsquelle für Wärmeenergie bildet das Abwasser. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist daher ein Zweig im Wärmepumpen-Kreislauf vorgesehen, der mit einem eigenen Expansionsventil zu einem Verdampfer führt, welcher in einem Abwasser-Behälter angeordnet ist und mit dem Abwasser in Wärmetauschverbindung steht. Anstelle von Abwasser kommt auch jedes andere Wasser (bzw. jede sonstige Flüssigkeit) von entsprechender Temperatur infrage.
- Eine weitere Nutzungsmöglichkeit der gewonnenen Wärmeenergie kann darin bestehen, daß im Rücklauf des Kältemittels zum Expansionsventil und Verdampfer ein Wärmetauscher angeordnet ist, mit dessen Hilfe die im noch warmen Kältemittel-Kondensat enthaltene Wärme an die Umgebungsluft oder - unter Einsatz eines Gebläses - zur Lufterwärmung in andere Räume abgegeben werden kann. Eine derartige Verwertung der Restwärme im Kältemittel des Wärmepumpenkreislaufs ist günstiger als ein Gegenstrom-Wärmetausch mit dem kalten, aus dem Verdampfer zum Kompressor strömenden Kältemittel, weil dies zu einer Erhöhung der Kompressor-Temperatur führt.
- Dieser Wärmeentzug aus dem Wärmepumpenkreislauf kann auch dazu benutzt werden, in der Sommerzeit, wenn die Wärmepumpe nur zum Betrieb einer kühlenden Klimaanlage läuft (weil Brauchwasser bereits ausreichend erwärmt wurde) die Kondensationswärme abzuführen.
- Um zu verhindern, daß keine Wärme über den Heizkreislauf aus dem Gebäude heraustransportiert wird, ist vorteilhaft eine Steuerung der Umwälzpumpe im Heizungskreislauf vorgesehen, derart, daß die Pumpe abgeschaltet wird, wenn der Druck bzw. die Temperatur im Kondensator des Wärmepumpen-Kreislaufs einen bestimmten Wert unterschreitet. Steigen Druck bzw. Temperatur wieder über diesen Wert, wird die Umwälzpumpe wieder eingeschaltet.
- Die Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung an Ausführungsbeispielen, und zwar zeigt:
- Fig. 1 eine Abgas-Wärmerückgewinnungsanlage sehr einfacher Art in schematischer Schaltungsdarstellung;
- Fig.'2 eine ebenfalls schematische Darstellung des Aufbaus eines kompakten Geräts mit im wesentlichen denselben Eigenschaften, aber einer zusätzlichen Steuerungseinrichtung;
- Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung eines mit weiteren Einrichtungen zur multivalenten Wärmenutzung ausgestatteten Geräts; und
- Fig. 4 einen schematischen Schaltplan der in Fig. 3 dargestellten Anlage zur besseren Verdeutlichung der Wirkungsweise.
- Fig. 1 zeigt einen Heizkessel 1 mit der dazugehörenden, nicht im einzelnen dargestellten Heizfeuerung. Das im Heizkessel 1 erwärmte Wärmetransportmedium, üblicherweise Wasser, durchströmt den Heizungskreislauf 2, in welchen mehrere Heizkörper 3 eingeschaltet sind; dargestellt ist im vorliegenden Fall nur ein einziger Heizkörper. Eine Umwälzpumpe 4 gewährleistet den Zwangsumlauf des Wärmetransportmediums.
- Die Abgase der Heizfeuerung gelangen durch den Abgaskanal 6 ins Freie. Von dem Gebäude, in welchem die Heizanlage angeordnet ist, ist lediglich das Dach 7 angedeutet.
- Eine verstellbare Klappe 8 im Abgaskanal 6 ermöglicht es, das Abgas in eine Abzweigung 9 durch den Verdampfer 12 einer nachstehend beschriebenen Wärmepumpe 13 sowie eine weitere Abzweigung 10 zurück in den Abgaskanal 6 zu leiten. Durch den Anschluß 19, in welchem sich eine Stellklappe 21 befindet, kann Umgebungsluft in die Abzweigung 9 geführt und dem zum Verdampfer 12 strömenden Abgas beigemischt werden. Ein Gebläse 22 in der Abzweigung 10 gewährleistet die erforderliche Strömung des Abgases bzw. des Abgas/Luft-Gemisches.
- Das Gebläse 22 ist vorteilhaft drehzahlregelbar, so daß es bei reinem Luftbetrieb einen wesentlich höheren, beispielsweise den 10-fachen Durchsatz bewirkt als im Abgas/Luft-Betrieb. Ferner kann eine hinter dem Gebläse 22 abzweigende Rückführleitung 29 für kalte Luft (bzw. kaltes Luft/Abgas-Gemisch in den Anschluß 19 vorgesehen sein; die Stellklappe 21 ist so ausgebildet und angeordnet, daß sie entweder die Frischluft- oder die Kaltluftzufuhr öffnet.
- Zur Wärmepumpe 13 gehört neben dem Verdampfer 12 ein Verdichter 14, ein Kondensator 15 und ein Expansionsventil 16. Mit den zugehörigen Rohrleitungen bilden diese Bauteile einen Sekundärkreislauf, welcher mit einem Kältemittel gefüllt ist, das vom Kompressor 14 umgewälzt wird.
- Das im Verdampfer 12 erwärmte Kältemittel strömt durch die Rohrleitung 17 in den Kompressor 14. Bei der Verdichtung des Kältemittels steigt die Temperatur stark an. Im Kondensator 15, welcher mit dem Heizungskreislauf 2 in Wärmetauschverbindung steht, wird die Wärme des Kältemittels weitgehend an das im Heizungskreislauf 2 umgewälzte Wärmetransportmittel abgegeben. Bei der Expansion des Kältemittels im Expansionsventil 16 erfolgt dessen starke Abkühlung, so daß das Kältemittel zur erneuten Wärmeaufnahme im Verdampfer 12 bereit ist. Ublicherweise betragen die Temperaturen im Verdampfer 0 bis +5° C, im Kondensator 80 bis 90° C.
- Mit 25 ist eine Ventilanordnung bezeichnet, durch die eine Kurzschlußverbindung 26 von Vorlauf und Rücklauf des Heizungskreislaufs 2 bewirkt werden kann, wenn die Erwärmung des Heizungskreislaufs 2 nur durch solche Wärme erfolgt, die der Wärmepumpe 13 der durch den Anschluß 19 vom Gebläse 22 angesaugten Umgebungsluft entzieht.
- Fig. 2 zeigt - wenn auch schematisch - die konstruktive Ausbildung einer Heizeinrichtung mit den der Fig. 1 entnehmbaren Merkmalen. Gleiche Teile tragen gleiche Bezugszeichen und erfordern hier keine neuerliche Erläuterung. Abweichungen und Ergänzungen werden nachstehend beschrieben.
- Im Heizungskreislauf 2 ist der Vorlauf mit 5' und der Rücklauf mit 5" bezeichnet; die gestrichelte Linie 30 gibt an, was zu einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung einfachen Aufbaus gehört und als kompaktes Aggregat an dem Benutzungsort aufgestellt werden kann.
- Am Heizkessel 1 ist der Brenner 38 angegeben, welcher der Kontrolle durch das Steuergerät 37 unterliegt: Uber eine Meßleitung 36 wird der Druck im Verdampfer 12 der Wärmepumpe 13 gemessen, und bei Unterschreiten eines vorgebenen Mindestdrucks schaltet das Steuergerät 37 über die Signalleitung 36' den Brenner 38 ein. Statt des Drucks des Kältemittels im Verdampfer 12 kann auch dessen Temperatur zur Steuerung des Brenners 38 herangezogen werden.
- Ein auf dem Boden 34 aufstehender Grundrahmen 33 trägt den Heizkessel 1 sowie - teilweise über Stützen 32 für einen Oberrahmen 31 - alle weiteren Bauteile der Heizeinrichtung. Der Verdampfer 12 der Wärmepumpe 13 ist auf dem Oberrahmen 31 abgestützt. Darunter befindet sich eine Tropfschale 23, welche Kondenswasser und kondensierte Schadstoffe auffängt.
- Der Abgaskanal ist auf einen Abgasstutzen 6' reduziert. Im übrigen setzt sich der Abgaskanal in einer Verbindungsleitung 11 fort, die den Abgasstutzen 6' mit einem erweiterten Abschnitt 11' so umgibt, daß Umgebungsluft gemäß den Pfeilen 18 in die Verbindungs-leitung 11 eintreten und sich dort - falls der Brenner 38 im Betrieb ist - mit dem Abgas vermischen kann.
- Durch den Auslaßstutzen 24 in der Gebäudewand 25 gelangt die vom Gebläse 22 beschleunigte Luft (bzw. das Abgas/Luft-Gemisch) aus dem Gebäude heraus. Eines Schornsteines bedarf es nicht, da das austretende Gas ausgekühlt und gereinigt ist.
- Die in Fig. 3 dargestellte Heizeinrichtung ist gegenüber derjenigen in Fig. 2 um zahlreiche Zusatzeinrichtungen zum Zwecke multivalenter Wärmenutzung erweitert. Wiederum sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen wie in den voraufgegangenen Figuren bezeichnet. Das gilt auch für Fig. 4, welche schaltungsmäßig den in Fig. 3 dargestellten konstruktiven Aufbau der Heizeinrichtung verdeutlicht.
- Das im Auslaßstutzen 24 angeordnete Gebläse 22 saugt auch hier entweder Luft gemäß den Pfeilen 18 oder Luft und zusätzlich Abgas gemäß den Pfeilen 18' in den Verbindungskanal 11 und durch den Verdampfer 12 der Wärmepumpe. Zusätzlich ist ein Einlaß 56 vorgesehen, durch den warme Fremdluft (beispielsweise aus einem Schwimmbad) zugeführt werden kann. Am Einlaß für die Umgebungsluft ist ein Wärmetauscher 48 vorgesehen, der primärseitig über eine Leitung 59 von einem durch Solarenergie (in hier nicht näher dargestellter Weise) erwärmten Wärmetransportmedium beaufschlagt ist. Die gemäß den Pfeilen 18 eintretende Luft kann somit vorgewärmt werden. Ferner kann eine - hier nicht dargestellte - Verbindungsleitung vom Auslaßstutzen 24 zum Einlaßstutzen mit dem Wärmetauscher 48 führen, so daß die gekühlte Fortluft in die Verbindungsleitung 11 zurückgeführt wird. Die aus dem Auslaßstutzen 24 gemäß den Pfeilen 24' strömende Fortluft kann ferner dazu verwendet werden, zur Klimatisierung (Kühlung) von Räumen verwendet zu werden; gegebenenfalls im Wärmetausch mit Frischluft. Die in Fig. 4 links dargestellte Luftführung veranschaulicht dies., mit dem Wärmetauscher 67 und der Luftleitung 68 einer Klimaanlage.
- Mit Hilfe eines Schaltorgans 60 wird der Wärmetauscher 48 nur dann beaufschlagt, wenn nur Solarwärme von niedrigem Temperaturniveau zur Verfügung steht. Im allgemeinen wird die Solarwärme unmittelbar dem Brauchwasser (Warmwasser) zugeführt; dies ist in Fig. 3 nicht dargestellt, aber in Fig. 4 angegeben. Liegt genügend Solarwärme vor oder ist diese zur Brauchwassererwärmung nicht geeignet, so wird das betreffende Wärmecransportmedium über die Leitung 41 einem Wärmetauscher 40 zugeführt, welcher sekundärseitig vom Rücklauf 5'' des Heizungskreislaufes 2 beaufschlagt ist. Dieser tritt sodann in den Kondensator 15 der Wärmepumpe ein und verläßt diesen an seiner Verbindung mit einem ebenfalls im Wärmepumpenkreislauf liegenden Wärmetauscher 42, welcher sekundärseitig über die Leitung 43 Brauchwasser führt.
- Das vom Kompressor 14 im Wärmepumpenkreis umgewälzte Kältemittel gelangt nach Verlassen des Kondensators 15 in einen Sammler 28 und von diesem in einen Wärmetauscher 44, welcher mit Hilfe eines Gebläses 46 die Umgebungsluft oder - unter Zuhilfenahme einer nicht dargestellten Rohrleitung - die Luft in einem anderen Raum erwärmt. Vor Erreichen des Expansionsventils 16 ist ein Abzweig 51 vorgesehen, welcher über ein Expansionsventil 16' zu einem nur in Fig. 4 dargestellten Verdampfer 12' führt. Die Rücklaufleitung trägt das Bezugszeichen 52.
- Die Umwälzpumpe 55 im Heizungskreislauf 2 unterliegt der Steuerung durch einen Druckschalter 57, welcher den Druck (bzw. die Temperatur) im Kondensator 15 mißt und die Umwälzpumpe 55 bei Unterschreiten eines bestimmten Mindestdrucks im Kondensator 15 abschaltet.
- Fig. 4 ergänzt die Darstellung der Fig. 3 noch etwas. So ist eine Leitung 41' vorgesehen, welche die Leitung 41 von der Solareinrichtung 61 zu einem Wärmetauscher 62 verlängert, welcher zur Grunderwärmung des Brauchwassers dient. Ferner ist die Umwälzpumpe 63 für die Umwälzung des das Brauchwasser erwärmenden Wärmetransportmediums eingezeichnet. Druckseitig sind die Umwälzpumpen 63 und 55 durch eine Leitung 64 miteinander verbunden. In der Leitung 64 befindet sich ein Rückschlagventil 65, und ein weiteres Rückschlagventil 66 ist zwischen der Umwälzpumpe 55 (im Heizungskreislauf 2) und dem Abzweigpunkt der Leitung 64 vorgesehen. Die Funktion der Querverbindung mit der Leitung 64 und den Rückschlagventilen 65, 66 wurde oben bereits erläutert. Die Querverbindung der Vorläufe besteht aus einer Leitung 69 mit einem Ventil 70, welches durch einen thermoplastisch gesteuerten Vorrang-Schalter geöffnet wird, wenn das Brauchwasser Wärme benötigt.
- Bei Störung des Brenners 38 wird mittels elektrischer Verriegelung die gesamte Anlage,vor allem die Wärmepumpe ausgeschaltet.
- Zwischen dem Brenner 38 und dem Kessel 1 kann bei geeigneter Ausbildung des Brenners ein Brenngasturbinen-Generator zur Erzeugung elektrischer Energie angeordnet werden, der bestimmte elektrische Hilfsaggregate mit Strom versorgt. Das gilt in erster Linie für den Verdichter 14, gegebenenfalls aber auch die Lüfter 22 und 46 sowie weitere elektrisch betriebene Einrichtungen.
- Es ist auch möglich, statt des einen in dem in Fig. 2 und 3 dargestellten Druckmeßgeräts (Meßleistung 36) deren zwei anzuordnen, die mit dem Steuergerät 37 und einem Fühler für die Außentemperatur derart zusammenwirken, daß bei höherer Außentemperatur (beispielsweise oberhalb 8° C) auf einen niedrigeren Grenzwert-Druck im verdampfer umgeschaltet wird als bei niedriger Außentemperatur.
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