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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Luftwärmepumpe
mit einem Druckaustauscher-Zellenringsystem (Zellenradwärmepumpe) und
einem Pulsationstriebwerk.
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Bereits
1938 wurde in das Kongresshaus in Zürich/Schweiz eine Zellenradwärmepumpe
zur Beheizung installiert, die mit einer geschätzten Arbeitszahl von ca. 2,57
arbeiten konnte, dabei aber nur einen geringen Platzbedarf bei einer
Heizleistung von ca. 50 kWE/h erforderte und mit dem kostenlosen und
ungefährlichen
Arbeitsmedium Luft bei nur geringen Überdrücken (0,4–0,6 bar) arbeitete.
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Zellenrad-Wärmepumpen
wurden bereits in der Auslegeschrift
DE 10 49 401 B im Jahre 1959 bekannt gemacht
und gelten als Stand der Technik. Hierbei wurde zur Aufrechterhaltung
des Wärmepumpenprozesses
eine Wärmezuführungsvorrichtung
(Heizvorrichtung) zur Erhöhung
des Wärmeinhaltes
einer Zelle benannt, welche Wärme
nur über Systemgrenzen
des Zellenrades durch Wärmeleitung
der Bauteile zuführen
kann oder durch die Zufuhr von Dampf.
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Es
sind auch Konzepte für
Wärmepumpen mit
kontinuierlicher Zufuhr von Umgebungsluft bekannt geworden (vgl.
Bernhard Schaeffer: „Die
Zellenrad Wärmepumpe": Studie zur Entwicklung
der Luftwärmepumpe,
Delta Pro Design und Verlag GmbH, 1. Auflage 1997; nachfolgend mit
[1] bezeichnet), bei denen durch die Koppelung von einer Verdichterturbine
mit einer Expansionsturbine ein Wärmepumpenprozess durchgeführt werden
kann, in dem die Verdichterturbine Luft ansaugt und verdichtet und
dann die entstandene Warmluft über
einen Wärmeübertrager
zur Wärmeabgabe
(Heizzwecke) geführt
wird. Der Restdruck dient nach der Wärmeabgabe und dem damit einhergehenden
Druckabfall zum Antrieb einer Expansionsturbine, deren Leistung durch
eine Welle wiederum zum Antrieb der Verdichterturbine zugeführt wird.
Diese Leistung ist abzüglich
von mechanischen und thermischen Verlusten um den Betrag der im
Wärmeübertrager
abgeführten Wärmemenge
kleiner. Die Energiedifferenz muss zur Aufrechterhaltung des Prozesses
zugeführt
werden, was mit einer weiteren, durch Verbrennung von Brennstoffen
angetriebenen Turbine erfolgen soll. Abgesehen von den gegenüber PDE's schlechteren Turbinen-Wirkungsgraden
sind der aparative und materielle Aufwand sowie die Anforderung
an den sicheren Betrieb von Turbinen als auch notwendiger Wartungsaufwand
gegenüber
ventillosen PDE's
aufwendiger.
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Pulsationstriebwerke
werden bisher als Antriebe für
Fahrzeuge- in erster Linie für
Flugkörper eingesetzt
und entwickelt, wobei diese Lösung
sich durch die Erzeugung eines Standschubes (Überdruck am Abgasaustritt auch
ohne Staudruck für
Luftzufuhr vor dem Triebwerk) gegenüber ähnlichen Triebwerken (z. B.
Ramjet, Scramjet) hervorhebt.
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Dieses
Merkmal wird als Lösung
der Aufgabe der Energiezufuhr für
eine Wärmepumpenanordnung
mit Druckaustauscher-Zellenringsystem eingesetzt, da hiermit sowohl
ein Überdruck
als auch eine Wärmezufuhr
realisiert werden kann. Eine weitere ventillose Ausführung ist
z. B. in
DE 41 27 994
A1 als Staustrahltriebwerk mit einer Modifikation zur Standschuberzeugung
vorgeschlagen worden, was der Wirkung nach einer PDE entspricht.
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Pulsationstriebwerke
und ähnliche
Vorrichtungen können
ein lautes Betriebsgeräusch
entwickeln. Zur Schalldämmung
müssen
die Druckamplituden, die an die Umgebung abgegeben werden könnten, durch
geeignete Maßnahmen
reduziert werden.
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Wesentliche
Ressourcen unserer Energieversorgung müssen für die Wärmeerzeugung aufgebracht werden,
denn im Privathaushalt werden über 90%
des Energiebedarfs zum Heizen und zur Warmwasserbereitstellung benötigt. Diese
Aufgabe kann auch durch Wärmepumpen übernommen
werden. Als Wärmequellen
nutzen Wärmepumpen
nach dem Stand der Technik hauptsächlich natürliche Wärmepotentiale im Wasser, Abwasser,
Grundwasser oder Erdreich. Damit ist die Einsatzmöglichkeit
solcher Ausführungen
auf die Nutzung solcher nicht allgegenwärtig erschließbarer Ressourcen
oder auf eine kostenintensive Erschließung von Wärmequellen eingeschränkt.
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Eine
weitere nutzbare Wärmequelle
ist die überall
kostenlos verfügbare
Umgebungsluft. Luftwärmepumpen
mit einem Kältemittelkreislauf
sind ebenfalls Stand der Technik. Deren wirtschaftlich sinnvoller
Einsatz ist aber nur unter konkreten Einschränkungen, z. B. erst über einer
Außentemperatur von
ca. 5°C
möglich.
Zudem muss die Jahresarbeitszahl derzeit im Minimum ca. 2,8 betragen,
um den Einsatz von elektrischer Energie als Hilfsenergie zu rechtfertigen.
Bei einer kleineren Jahresarbeitszahl wäre die direkte Verbrennung
fossiler Brennstoff in Heizanlagen der jeweiligen Gebäude zur
Wärmeerzeugung
wirkungsgradgünstiger
als die Verstromung im verbreiteten Wärmekraftwerk.
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Ein
weiterer funktioneller und energetischer Nachteil der aktuellen
Luftwärmepumpen
entsteht durch die Möglichkeit
des Vereisens des Wärmeübertragers/Verdampfers
bei Außentemperaturen
ab ca. 5°C
und weniger. Dadurch wird der Wirkungsgrad des Wärmeübertragers stark beeinträchtigt und
es muss Energie zum Abtauen aufgewendet werden, wodurch sich die
Gesamtenergiebilanz der Anlage verschlechtert. Als Arbeitsmedium
werden u. a. sicherheitstechnisch (Systemdruck, Brennbarkeit) und für die Umwelt
problematische Kältemittel
eingesetzt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die vorgenannten
Nachteile beim Stand der Technik zu vermeiden.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt durch den Einsatz einer Wärmepumpenanordnung mit Druckaustauscher-Zellenringsystem
(auch Zellenradwärmepumpe),
welche mit Umgebungsluft als Arbeitsmedium arbeitet und durch eine
Vorrichtung mit pulsierender und dabei druckerzeugender Verbrennung von
Brennstoffen mit Luft kombiniert wird.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
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Es
zeigen:
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1:
Wärmepumpenanordnung
gemäß einer
ersten Ausführungsform
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2:
Wärmepumpenanordnung
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
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3:
Wärmepumpenanordnung
gemäß einer
dritten Ausführungsform
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Die 1 zeigt
eine Wärmepumpenanordnung
mit Druckaustauscher-Zellenringsystem
(auch Zellenradwärmepumpe)
(1), welche mit Umgebungsluft als Arbeitsmedium arbeitet.
Hierbei wird durch Vorwärmung
der der Wärmepumpenanordnung
zuzuführenden
Umgebungsluft in einem oder mehreren Sonnenkollektoren (4)
ein Teil der Sonnenlichtwärme an
das Arbeitsmedium Luft abgegeben, wodurch die notwendige Energiezufuhr
mit der Vorrichtung mit pulsierender und dabei druckerzeugender
Verbrennung von Brennstoffen mit Luft (auch Pulsationstriebwerk,
Schwingbrenner) (5) reduziert werden kann. Damit kann die
Gesamtenergiebilanz der Anordnung verbessert werden.
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Die 2 zeigt
eine Wärmepumpenanordnung
mit Druckaustauscher-Zellenringsystem
(auch Zellenradwärmepumpe)
(1), welche mit Umgebungsluft als Arbeitsmedium arbeitet.
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Hierbei
wird Umgebungsluft als Arbeitsmedium in ein Druckaustauscher-Zellenringsystem
verbracht und gemäß der bekannten
Funktion nach dem Stand der Technik verdichtet. Dadurch steigt die
Temperatur der aus der Umgebung entnommenen Luft in den jeweiligen
Kammern des Zellenringsystems. Durch anschließende Wärmeabgabe in einem Wärmeübertrager
(3) zum Zwecke der Klimatisierung und/oder Warmwasserbereitung
und durch Leckagen und Wärmeverluste
muss zur Druckerhaltung und damit Aufrechterhaltung des Wärmepumpenprozesses
Energie in Form kinetischer Energie (Druck im geschlossenen System)
und/oder Wärme
(Druckerhöhung
im geschlossenen System) durch einen Verdichter zugeführt werden.
Weiterer Energieaufwand ist je nach Ausführung für den Antrieb des Zellenringsystems
und zum Austausch der Kammerinhalte (Spülen) erforderlich.
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Die
Aufgabe der Energiezufuhr wird mit dem hier vorgestellten Verfahren
durch das Zusammenwirken der Wärmepumpenanordnung
mit einer einfachen Vorrichtung zur Erzeugung von thermischer und kinetischer
Energie gelöst
(5). Diese Vorrichtung (5) führt eine pulsierende Verbrennung
von Brennstoffen mit Luft bei pulsierender Druckerhöhung aus
und erreicht bei gezielter akustischer Abstimmung bis hin zur Resonanz
der Gassäulen
einen guten Wirkungsgrad. Solche Vorrichtungen sind z. B. als sog.
ventillose oder ventilgesteuerte, pulsierende Brenner (5) – Schwingbrenner,
in einer weiteren Form als Pulsationstriebwerke (PDE – Pulsed
Detonation Engine) bekannt geworden und können einen sehr einfachem Aufbau
bei weit variierbarer Baugröße aufweisen.
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Wie
beispielhaft in
2 gezeigt, kann in einer Wärmepumpenanordnung
nach [1] oder der Auslegeschrift
DE 10 49 401 B nach Einleitung des Wärmepumpenprozesses
der prinzipbedingte Druckverlust durch Wärmeabgabe auf der Seite des
Wärmeübertragers
(
3) durch eine geeignete Druckerhöhung im Zellenring-Druckaustauscher
(
1) mit einem Nebenstrom, der durch eine vorteilhafterweise
auf die gasdynamischen Verhältnisse
abgestimmte PDE (
2) realisiert wird, ausgeglichen werden,
indem mittels der Abgase der PDE der erforderliche Druck zugleich mit
Wärme dem
Wärmepumpenprozess
zugeführt wird.
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In
einem anderen Beispiel, wie in 3 schematisch
dargestellt, kann die Vorrichtung mit pulsierender und dabei druckerzeugender
Verbrennung auch an anderer Stelle (2') zur Erhöhung des Druckes in einer Zelle
vor dem Übertritt
in den Wärmeübertrager-Kreislauf
eingesetzt werden.
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Zum
Start des Wärmepumpenprozesses kann
die Druckerhöhung
auch durch die PDE erfolgen. Eine Synchronisation von Druckerhöhung am PDE-Auslass
und Zellenöffnung
bzw. -Schließung am
Zellenring-Druckaustauscher stellt das Optimum der Wirksamkeit der
Anordnung dar. Durch die vektoriell anteilige Nutzung der Druckwellen
(Stoßwellen) beim
Zelleneintritt durch Wechselwirkung mit einer zumindest anteilig
in Drehrichtung orientierten Zellenwand kann auch der Drehantrieb
des Zellenring-Druckaustauscher (1) und durch den Lauf
der Druckwelle in der Zelle der Austausch der jeweiligen Zelleninhalte
(Spülung)
wie in [1] beschrieben, mit einer Vorrichtung mit pulsierender und
dabei druckerzeugender Verbrennung bewerkstelligt werden.
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Bisher
ist der Einsatz von Pulsationstriebwerken bzw. Schwingbrennern als
Heißnebelerzeuger
und bei den PDE vor allem als Antrieb für Flugkörper bekannt, wobei sich vor
allem letztere Lösung durch
die Erzeugung eines Standschubes gegenüber ähnlichen Triebwerken hervorhebt.
Diese Eigenschaft wird zur Lösung
der Aufgabe der Energiezufuhr für
eine Wärmepumpenanordnung
mit Druckaustauscher-Zellenringsystem eingesetzt, da hiermit sowohl
ein Volumenstrom mit einem Überdruck
als auch eine Wärmezufuhr
für den
sogenannten Nebenstrom realisiert werden kann.
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Für die gleiche
Aufgabe sind auch Turbinen einsetzbar [1], jedoch sind diese teurer
und komplizierter im Aufbau und erzeugen einen höheren Anteil an Verlustenergie
als z. B. ein PDE.
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Flüssige und/oder
gasförmige
Brennstoffe sind in sehr vielen Haushalten, Immobilien, Freizeit- und
Gewerbeobjekten als Primärenergieträger zur Beheizung
und Warmwasserbereitung vorhanden oder verfügbar. Durch die Kombination
nach dem erfinderischen Verfahren eines PDE oder Schwingbrenners
mit einer Wärmepumpenanordnung
mit Druckaustauscher-Zellenringsystem können diese Energieträger weiterhin
verwendet werden, wobei diese nunmehr nur noch zur Bereitstellung
von Hilfsenergie herangezogen werden, da die Haupt-Energiequelle
zur Klimatisierung/Warmwasserbereitung die Wärme der Umgebungsluft darstellt.
Damit können
Ressourcenverbrauch (Brennstoffe) und CO2-Emissionen bei gleicher
Heizleistung deutlich gesenkt werden. Durch den reduzierten Brennstoffverbrauch
ist auch der Betrieb einer Anlage nach dem erfinderischen Verfahren
kostengünstiger
als bei einer konventionelle Heizung und sogar kostengünstiger
als bei einer Wärmepumpenanordnung
mit Druckaustauscher-Zellenringsystem mit einem elektrisch betriebenen
Verdichter, wenn die Kosten für
die Energiemenge Strom (verstromte Brennstoffe) den Kosten für eine äquivalente
Energiemenge aus geeigneten Brennstoffen (Brenngase, Öl, Kohlenstaub) für diese
Wärmepumpenanordnung
mit Druckaustauscher-Zellenringsystem gegenübergestellt werden. So kostet
eine Kilowattstunde Strom zur Zeit der Anmeldung ca. das 2,5 fache
gegenüber
einem Energieäquivalent
aus Erdgas. Damit kann eine solche Wärmepumpenanordnung nach dem
erfinderischen Verfahren derzeit mit 50% und weniger Energiekosten
als eine elektrische betriebene Zellenradwärmepumpe auskommen. Vorteilhaft
treten weiterhin der Verzicht auf ein Kältemittel nach dem Stand der
Technik und die durch das Fehlen eines äußeren Wärmeübertragers zur Aufnahme von
Umgebungswärme fehlende
Vereisungsgefahr in Erscheinung. Deshalb können Wärmepumpenanordnung mit Druckaustauscher-Zellenringsystem,
die mit dem Arbeitsmedium Luft betrieben werden, bei Außentemperaturen
auch unter 5°C
sicher und effizient betrieben werden und damit zu einer Verbreitung
dieser umweltfreundlichen ressourcen- und Kosten sparenden Klimatisierungseinrichtung
beitragen.
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Eine
weitere Verbesserung der Nutzung natürlich vorhandener Energieressourcen
kann durch die Vorwärmung
der zuzuführenden
Umgebungsluft in einem oder mehreren Solar-Luftkollektoren (4)
vor dem Eintritt in die Wärmepumpenanordnung
mit Druckaustauscher-Zellenringsystem erzielt werden. Da mit der
dann höheren
Temperatur der zuzuführenden
Umgebungsluft der erforderliche Temperaturhub in der Wärmepumpenanordnung
kleiner wird, kann die Energiezufuhr zur Aufrechterhaltung des Wärmepumpenprozesses
weiter verringert werden.
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Bei
einer Ausführung
als Gebäudeheizung kann,
wie in [1] beschrieben, die durch Verdichtung erwärmte Luft
nicht nur Arbeitsmedium der Wärmepumpenanordnung
sein, sondern auch als Wärmeträger in der
Heizanlage zirkulieren. Somit kann die Vorlauftemperatur gleich
der Heiztemperatur sein (keine weitere Temperaturerhöhung notwendig).
Die notwendigen geringen Überdrücke werden
bereits in Warmwasser-Umlauf-Zentralheizsystem erreicht und überschritten.
Mit dem Arbeitsmedium Luft sind aber übliche Korrosionsprobleme in
Heizanlagen nicht zu erwarten.